数传热学讲义

合集下载

传热学课件讲义

传热学课件讲义
二、传热学的研究方法
传热学的研究方法主要有:理论分析方法;实验研究方法;比拟(类比) 方法;数值计算方法
理论分析方法
将所研究问题的基本物理特征和具体规律用一个理想化的数学模型表述 出来,并选择适当的数学方法进行求解。常用的数学解析方法一般可分 为精确解法(即直接求解常微分方程或者偏微分方程)和积分方程近似解法 两大类。
2020/12/15
热量转移与电量转移对应物理量及基本规律的比较 热阻:平壁传热过程各环节热阻形式及总热阻如下表。
2020/12/15
基本概念和傅里叶定律
一、导热机理
导热是一种与原子、分子及自由屯子等微观粒子的无序随机运动相 联系的物理过程。所有的物质,不论固相、液相还是气相,均具有 一定的传导热量的能力,尽管数值上相差非常悬殊。这说明导热是 物质的—种固有属性。但是应该注意,物体发生纯导热时物质内部 一定不存在宏观位移。
对流换热是流体流过固体壁面且由于其与壁面间存在温差时的热量传递
现象,它与流体的流动机理密不可分;同时,由于导热也是物质的固有
本质,因而对流换热是流体的宏观热运动(热对流)与流体的微观热运动 (导热)联合作用的结果。
基本规律:牛顿冷却公式

其中A为换热面积,必须是流体与壁面间相互接触的、与热量传递方向 相垂直的面积。 影响因素:流体热物性(如导热系数、粘度等)、流体流态和流速、温 差、几何因素等等。对流换热的表面传热系数h为一过程量,而不像导 热系数λ那样是物性参数。 ⒊热辐射 当物质微观粒子(原子)内部的电子受激和振动时,将产生交替变化的电 场和磁场,所发出电磁波向空间传播,即为热辐射。从物理本质上讲, 热辐射(thermal radiation)和其他所有各种辐射一样,都是电磁波。它们 之间的内在区别是导致发射电磁波的激励方式不同,而外在表现是发射 的波长不一样,以及吸收该电磁波之后所引起的效应不同。热辐射的特 点与导热及对流有着显著的不同之处。 基本规律:黑体辐射的斯蒂藩—玻耳兹曼定律。

数值传热学(课件)-1

数值传热学(课件)-1

热流问题的数值计算Numerical Simulations of Thermal & Fluid Problems第一章 绪论主讲 陶文铨西安交通大学能源与动力工程学院 热流中心 CFD-NHT-EHT CENTER 2007年10月16日, 西安1/88物理问题数值解的基本思想 把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 (如速度场,温度场,浓度场等),用一系列有限 个离散点(称为节点,node)上的值的集合来代替; 通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关 系的代数方程 (称为离散方程,discretizationequation);求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解.2/88大规模科学计算的重要性 传热与流动问题数值计算是应用计算机求解热量传 递过程中的速度场,温度场等的分支学科,是大规模 科学计算的重要组成部分,其重要性不言而喻. 2005年美国总统顾问委员会向美国总统提出要大 力发展计算科学以确保美国在世界上的竞争能力. 波音公司实现了对航空发动机的网格数达10亿量 级的直接数值模拟,以研究所设计发动机的性能.3/88现代科学研究的三大基本方法及其关系理论分析Analytical实验研究Experimental数值模拟Numerical4/88课程简介1. 学时- 30学时理论教学;6学时计算机作业 2. 考核- 平时作业/计算机大作业/考试: 20/30/50 3. 方法- 理解,参与,应用 努力将与数学处理相对应的物理背景联系起来理解. 4. 助手- 于乐 5. 参考教材-《计算流体力学与传热学》,中国建筑 工业出版社,19915/88学习方法建议1. 善于从物理过程基本特性来掌握理解数值方法; 2. 对数值方法-明其全而析其微:明其全-了解基本原理;析其微-掌握实施细节;3. 努力上机实践; 4. 学会分析计算结果: 合理性,规律性; 5. 应用商业软件与自编程序相结合.6/88《热流问题的数值计算》 主要教学内容第一章 绪论(物理与数学基础) 第二章 一维导热问题的数值解 第三章 多维导热问题的数值解 第四章 势流及管道内充分发展流动与换热的数值解 第五章 有回流的动与换热问题的数值解 第六章 二维涡量-流函数法通用程序介绍 第七章 原始变量法与湍流数值模拟简介7/88绪论1.1 流动与传热问题控制方程的基本类型 1.2 流动与传热问题数值计算的基本步骤 1.3 建立离散方程的方法 1.4 离散方程数学与物理特性分析简介8/881.1 流动与传热问题控制方程的基本类型1.1.1 流动与传热问题完整的数学描写 1.1.2 控制方程 1. 质量守恒方程 3. 能量守恒方程 1.1.3 单值性条件 1.1.4 建立数学描写举例 1.1.5 控制方程式的分类9/882. 动量守恒方程1.1 流动与传热问题控制方程的基本类型1.1.1 流动与传热问题完整的数学描写 1. 有关的守恒定律的偏微分方程(控制方程)一切宏观的流动与传热问题都由三个守恒定律所 支配:质量,动量与能量守恒(conservation law).2. 与表述守恒定律的偏微分方程相关的单值性条件.不同问题的区别主要在于单值性条件 (conditions for unique solution) 的不同:初始条件以,边界条件 以及物性数据.10/881.1.2 控制方程(Governing equations) Mass conservation1. 质量守恒方程r ( r u ) ( r v) ( r w) + + + =0 t x y z单位时间 内质量的 增加 单位时间内流 进微元体的净 质量物理意义:单位时间内空 间某一微元容积质量的增 加等于流入该微元容积的 净质量.11/88对不可压缩流体: r = const 对二维不可压缩流体:u v + =0 x yu v w + + =0 x y z对二维问题,速度矢量:ur u v 数学上称: + = div(U ) x yur r ur U =ui+v j为速度矢量的散度,因此对二维不可压流体有:ur div(U ) = 0下面只讨论不可压缩流体(incompressible flow).12/882. 动量守恒方程(Momentum conservation)对上图所示的微元体分别在三个坐标方向上应用 Newton第2定律(F=ma)在流体中的表现形式: [微元体内动量的增加率]=[作用在微元体上各种力之和] 可得出三个坐标方向的动量方程:u uu uv uw 1 p 2u 2u 2u + + + =+ n ( 2 + 2 + 2 ) + Fx t x y z r x x y z 1 p v vu vv vw 2v 2v 2v + + + =+ n ( 2 + 2 + 2 ) + Fy t x y z r y x y z 1 p w wu wv ww 2 w 2 w 2 w + + + =+ n ( 2 + 2 + 2 ) + Fz t x y z r z x y z微元体内动 量的增加率压力粘性力体积力13/883. 能量守恒方程(Energy conservation)[微元体内热力学能的增加率]=[通过流动与导热进入 微元体内的净热流量]+[体积力与表面力对微元体所做 的功率] 引入导热Fourier定律,假定热物性为常数,可得T (uT ) (vT ) ( wT ) 2T 2T 2T rcp[ + + + ] = l( 2 + 2 + 2 ) + S t x y z x y z微元体 内能增 加率 由于流动被带出 微元体的净功率 由于导热而进入 源项 微元体的净功率 生成 热14/88l =a rcp流体的热扩散率(thermal diffusivity)4. 对于二维稳态对流换热问题控制方程汇总u v + =0 x yuu uv 2u 2u 1 p + =+ n ( 2 + 2 ) + Fx y z r x x yvu vv 2v 2v 1 p + =+ n ( 2 + 2 ) + Fy y z r y x y(uT ) (vT ) 2T 2T + = a( 2 + 2 ) + ST x y x y对流项扩散项源项数值计算中常用的术语.15/88不同的二维,稳态求解问题之间的区别在于: (1)边界条件不同; (2)源项与扩散系数不同.5. 二点说明1. 所导出的三维非稳态Navier-Stokes方程,无论对 层流或是湍流都是适用的. 2. 辐射换热需要用积分方程来描述,课程中将不涉及 这类问题.16/881.1.3 单值性条件 1. 初始条件 2. 边界条件 (1) 第一类 (Dirichlet):t = 0, T = f ( x, y, z )TB = Tgiven(2) 第二类 (Neumann): qB = -l (T ) B = qgiven n(3) 第三类 (Rubin):规定了边界上被求函数的一阶导数与函数之间的关系: -l ( T ) B = h(TB - T f )n数值计算中计算区域的出口边界条件常常最难 确定,要做近似处理.17/881.1.4 建立数学描写举例 1. 问题与假设条件突扩区域中的对流传热:二维,稳态,不可压缩, 常物性,不计重力与黏性耗散.18/882. 控制方程u v + =0 x y1 p u u u u u +v =+n ( 2 + 2 ) r x x y x y 2 2 v v 1 p v v u +v =+n ( 2 + 2 ) x y r y x y2 2T T T T u +v = a( 2 + 2 ) x y x y2 219/883. 边界条件 (1)进口边界条件:给定u,v,T随y 的分布; (3)中心线: u = T = 0; v = 0 y y(4)出口边y x界:数学上要 求给定u,v,T 或其导数随y 的分布;实际 上做不到;数 值上近似处理20/88(2)固体边界条件:速度无滑移,温度无跳跃1.1.5 传热与流动问题的数学描写的分类 1. 从数学角度分类-椭圆型与抛物型椭圆型 (Elliptic)椭圆型方程数学上的特点是:所求解的因变量对每个 空间自变量均存在二阶导数项: 导热方程-所求解的因变量为温度T ,空间自变量x,y; 动量方程-所求解的因变量为速度u ,空间自变量x,y.21/88抛物型(Parabolic)抛物型方程数学上的特点是:所求解的因变量对某个 个自变量只存在一阶导数项: 非稳态导热方程-因变量T 对时间t仅有一阶导数; 边界层动量方程-u对空间自变量x仅有一阶导数. 仅存在一阶导数的自变量在物理过程上的重要特 点:过程只能沿该坐标的单个方向进行而不能逆向进 行.22/88抛物型与椭圆型流动的例子椭圆型方程的求解必须全场联立进行,而抛物性 方程的求解可以沿坐标正向逐步推进, 大大节省时间.23/88(1)椭圆型问题: 流动有回流,必须 全场同时求解; (2)抛物型问题:流动无回流,可以沿主流方向步 步逼进,不必全场同时求解,大大节省时间.Marching method24/882. 从物理角度分类-守恒型与非守恒型守恒型( Conservative)-对任意大小容积守恒特性 都能得到满足的方程; 凡对流项表示成散度形式的方程具有守恒性 . 非守恒型方程+u v v u u v u ++ u = 0= 0 u ( + ) = 0 x x y y x y (uu ) (uv) 1 p 2u 2 v =+n ( 2 + 2 ) + r x x x y x守恒型方程凡是从守恒型控制方程推导得到的用于数值求解 的代数方程也具有守恒特性.25/881.2 流动与传热问题数值求解的基本步骤1.2.1 流动与传热问题数值求解步骤 1. 建立数理模型 3. 方程的离散化 5.代数方程求解 1.2.2 区域离散化方法 2.区域的离散化 4. 边界条件离散 6. 求解结果分析1.区域离散化的任务 2. 区域离散方法1.2.3 网格系统标记方法26/881) 外节点法2. 内节点法1.2.1 流动与传热问题数值求解步骤把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 (如速度场,温度场,浓度场等),用一系列有限个 离散点(称为节点,node)上的值的集合来代替;通过 一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代 数方程(称为离散方程,discretization equation);求 解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解.27/88(1) 区域离散 (2) (3) (4) (5) 代数求解 (6)28/88方程离散结果分析1.2.2 区域离散化1.区域离散化的任务将所计算的区域分割成许多不重叠的子区域,确 定每个子区域中节点的位置以及所代表的控制容积. 离散结果得出四种几何要素: (1) 节点(node):所求解未知量的位置; (2) 控制容积(control volume):实施守恒定律的最 小几何单位; (3) 界面(interface):控制容积的分界位置; (4) 网格线(grid lines):沿坐标方向相邻节点连接 成的曲线簇.29/882. 区域离散方法 (a) 外节点法:节点位于子区域的角顶;控制容积界 面位于两节点之间;生成过程:先节点后界面;又 称 Practice A.子区域控制容积30/88YPractice A-外节点法 x31/88(b) 内节点法:节点位于子区域的中心;子区域即为 控制容积;生成过程:先界面,后节点,又称 Practice B.子区域即为控制容积32/88YPractice B-内节点法 x33/88 1.2.3 内接点与外节点法的比较 (a)边界节点所代表的控制容积不同 方法A 边界节点代表半个CV方法B 边界节点代表零个CV(b)网格非均分时,节点作为控制容积的代表方法B 更合理 方法A 方法B34/881.2.3 网格系统表示方法 网格线-节点间连线,用实线表示;界面为虚线; 节点间距离-dx;界面间距离-Dx .35/881.2.4 网格独立解 当网格足够细密以至于再进一步加密网格已对 数值计算结果基本上没有影响时所得到的数值解称 为网格独立解(grid-independent solution).Int. Journal Numerical Methods in Fluids, 1998, 28: 1371-1387.36/881.3 建立离散方程的方法 1.3.1 一维模型方程( 1-D model equation ) 1.3.2 由Taylor 展开法导出导数的差分表示式 1.3.3 控制容积积分法导出导数的差分表示式 1.3.4 讨论37/881.3 建立离散方程的方法 1.3.1 一维模型方程( 1-D model equation ) 一维模型方程是一维非稳态有源项的对流-扩 散方程,具有四个特征项,便于离散方法的研讨. 非守恒型 守恒型 ( rf ) f f + ru = (G ) + Sf t t x xFDM采用 ( rf ) ( r uf ) f + = (G ) + Sf FVM采用 t t x x 瞬态 对流 扩散 源项38/88"麻雀虽小,五脏俱全!"1.3.2 由Taylor 展开法导出导数的差分表示式 1. 一阶导数的差分表达式的导出 将函数f ( x, t ) 在(i+1,n)的值对(i,n)点做Taylor展开:f 2f Dx 2 2 f (i + 1, n) = f (i, n) + )i ,n Dx + 2 )i ,n Dx + ..... x x 2!f f (i + 1, n) - f (i, n) Dx 2f ) i ,n = - ( 2 )i ,n + ... x Dx 2 x39/88O ( Dx ) 称为截断误差, truncation error,表示:随 Dx 的趋于零,用 f (i + 1, n) - f (i, n) 代替 f )i ,n 的误差 x Dxf f (i + 1, n) - f (i, n) )i ,n = + O(Dx) x Dx KD x, K 与 Dx 无关.D x 的方次称为截差的阶数(order of TE).用数值计算的近似解 fin 代替精确解 f (i, n)fin 1 - fin f )i ,n @ + , O(Dx) 得向前差分: x Dx40/88f -f f )i ,n @ 向后差分: x Dxn in i -1, O (Dx )fin 1 - fin 1 f )i , n @ + , O(Dx 2 ) 中心差分: x 2Dx2. 一,二阶导数的各种差分表达式. 表达差分结构的格式图案o构筑差分表达式的位置; 构筑差分表达式所用到的节点.41/88一阶导数的 常用差分表达式42/88二阶导数的常用差分表达式定性判别导数的差分表达式正确与否的方法: (1)量纲是否正确-与导数本身一致; (2)均匀场的各阶导数应为零.43/883. 一维模型方程的有限差分显式离散表示式 微分方程形式: 假设 ( rf ) f f + ru = (G ) t t x xr , u, G均为常数,显式差分表达式:fin +1 - fin fin 1 - fin 1 r + ru + = Dt 2Dx fin 1 - 2fin + fin 1 G + , O (Dt , Dx 2 ) Dx 2差分方程 截断误差44/88显式(Explicit)-空间导数均以初 始时刻之值计算.1.3.3 控制容积积分法导出导数的差分表示式 1. 控制容积积分法实施步骤 1. 将守恒型的方程对控制容积做积分; 2. 选定被求函数及其一阶导数对时间,空间的变化 曲线-型线; 3. 完成积分,整理成相邻节点间未知量的代数方程. 2. 两种常用型线 型线-被求函数随自变量的局部变化方式,本是 所求内容,近似求解需先假定.45/88随空间自变量的变化型线 型线 型线分段线性阶梯逼近46/88piece-wise linear step-wise approximation随时间自变量的变化型线分段线性 piece-wise linear阶梯逼近 step-wise approximation47/883. 一维模型方程的控制容积积分法离散 将守恒型控制方程对控制容积P 在[t, t+ Dt ]内 做积分, ( rf ) ( r uf ) ft立即可得e+xt +Dt t=xe(Gx)r ò (ft +Dt -ft )dx +rwò [(uf)òt- (uf)w ]dt =t +Dt=Gf f [( )e - ( ) w ]dt x xf 以及 x48/88继续积分,需要知道:f对空间与时间的变化型线.1. 非稳态项假设 f 对空间呈阶梯型变化:t t r ò (f t +Dt - f t )dx = r (f P+Dt - f P )Dx w e2. 对流项假设 f 对时间呈显示阶梯型变化:rt +Dtòt[(uf )e - (uf ) w ]dt = r[(uf )te - (uf )tw ]Dt49/88假设 f 对空间呈分段线性变化:fE + fP fP + fW fE - fW r[(uf ) - (uf ) ]Dt = r uDt ( ) = r uDt 2 2 2t e t w均分网格3. 扩散项f 假设 对时间呈显式阶梯型变化: xt +DtGòtf f f t f t [( )e - ( ) w ]dt = G[( )e - ( ) w ]Dt x x x x50/88假设 f 对空间呈分段线性变化:。

传热学讲义

传热学讲义

A
dx
W m 2
称Fourier(傅立叶)定律
t
dx
dt 0
Q
x
一维稳态平板内导热
:热流量,单位时间传递的热量[W]; q:热流密度,单位时间通过单位面积传递的热量; A:垂直于导热方向的截面积[㎡];
:导热系数(热导率)[W/( m K)]
(5) 导热系数 表征材料导热能力的大小,是一种物性参数,与
(3) 辐射换热:物体间靠热辐射进行的热量传递,它 与单纯的热辐射不同,就像对流和对流换热一样。 (4) 辐射换热的特点
a 不需要冷热物体的直接接触;即:不需要介质的 存在,在真空中就可以传递能量 b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换
物体热力学能 电磁波能 物体热力学能 c 无论温度高低,物体都在不停地相互发射电磁 波 能、相互辐射能量;高温物体辐射给低温物体的能 量大于低温物体辐射给高温物体的能量;总的结果 是热由高温传到低温
0
tw1
φ
A
x
tw2
导热热阻的图示
2 对流(热对流)(Convection)
⑴定义: 流体中(气体或液体)温度不同的
各部分之间,由于发生相对的宏观运 动而把热量由一处传递到另一处的现 象。
(2) 对流换热:当流体流过一个物体表面时的热量传递过程, 他与单纯的对流不同,具有如下特点:
a 导热与热对流同时存在的复杂热传递 过程 b 必须有直接接触(流体与壁面)和宏观运动;也必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层
(7)黑体辐射的控制方程: Stefan-Boltzmann (斯特藩-波尔兹曼)定律
AT 4
q T 4
σ——黑体辐射常数,5.67×10-8 W/(㎡·K4)

传热学课件讲义

传热学课件讲义

2020/12/15
二、基本概念
1、温度场(Temperature field) 指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。温度是标量,温度场是时间
和空间的函数,也是标量场。 在直角坐标系中:; 在柱坐标系中:; 在球坐标系中:。
根据温度场表达式,可分析出导热过程是几维、稳态或非 稳态的现象,温度场是几维的、稳态的或非稳态的。
传热学
2020/12/15
第一章 导热理论基础
绪论 §1 基本概念和傅里叶定律 §2 导热系数 §3 导热微分方程式 §4 导热过程的单值性条件
2020/12/15
绪论
一、传热学的研究内容
热量传递的具体方式、传热速率大小及其影响因素。 ⑴传热的三种基本方式及各自的规律; ⑵工程中实际传热过程的规律; ⑶提出控制传热(强化传热和削弱传热)的基本方法。 工程热力学从理论上分析热力系统的状态、能量传递 和迁移的多少以及系统的变化方向与性能的好坏。但是, 能量是以何种方式传递和迁移?传递和迁移的速率如何? 以及能量状态随时间和空间的分布如何?热力学都没有 给予回答。
二、传热学的研究方法
传热学的研究方法主要有:理论分析方法;实验研究方法;比拟(类比) 方法;数值计算方法
理论分析方法
将所研究问题的基本物理特征和具体规律用一个理想化的数学模型表述 出来,并选择适当的数学方法进行求解。常用的数学解析方法一般可分 为精确解法(即直接求解常微分方程或者偏微分方程)和积分方程近似解法 两大类。
2020/12/15
导热过程的单值性条件
一、单值性条件
导热问题的单值性条件通常包括如下四项:
几何条件:表征导热物体的几何形状和大小(属于三维,二维或 一维问题);
物理条件:说明导热系统的物理特性(即物性量和内热源的特 点);

传热学讲义 学习课件

传热学讲义  学习课件

t
λ变化,第一类边界条t1 件
➢方程:d( λ dt/dx)/dx=0
t2
➢定➢两解无个条内件表热:面源x分x==,0别δ,,λ维t==tλ=持t10t2(均1匀+b而t)恒,定壁的厚温δ度已0 t知δ1、。t2。x ➢温度分布:
(t+1/b)2= ( t1+1/b)2+[2/b-( t2+ t1)]( t1 - t2 )x/δ b ≠0时,温度分布是二次曲线方程,曲线凹凸与b的关系?
➢温度分布:t=( t2 - t1 )x/δ + t1
➢热流密度:q=- λ(t2-t1)/δ=Δt/( δ / λ )
➢热流量:Φ=Aq=-Aλ(t2-t1)/δ=Δt/( δ /A λ)
t
λ为常数,第三类边界 tf1,h1 条件 t1 t2 tf2,h2
➢方程:d2t/d2x=0 ➢定➢侧解无流条内体件热的:源温x,=度0λt,为f1,-常λ表d数t/面d,x换壁=h热厚1(系δt已数f1-知ht)1。;在在xx==0δ0处处δ壁壁面面 x
导热微分方程式
➢依 据 : 能 量 守 恒 定 律 、 傅 里 叶 定 律 ➢假 设 :
➢各向同性的连续介质 ➢比热容、密度、导热系数为已知 ➢物体内具有内热源φ(w/m3)***
定解条件
➢导热问题完整的数学描述:
导热微分方程式 + 定解条件
➢定 解 条 件 : 包 括 初 始 条 件 和 边 界 条 件
通过单层平壁的导 热
➢λ为常数,第一类边界条件 ➢λ为常数,第三类边界条件 ➢λ变化,第一类边界条件
t
λ为常数,第一类边界条件
t1
t2
➢方程:d2t/d2x=0 ➢定➢面解无分条内件别热:维源x持x==,0均δ,,λ匀t为=t=而t常1t2恒数定,的壁温厚度δ 已t 1 、知0t。2δ。两 个 表x

数值传热学讲义

数值传热学讲义
二维椭圆型流动传热通用程序
变量表及算例说明
(本材料仅供教学参考)
西

交 通


CFD&NHT/EHT 研究中心
陶文铨教授
2002/10/15 西 安
1
目录 ……………………………………………………………………………………………… 2
一、 FORTRAN 变量表…………………………………………………………………………3 二 、关于程序的主要说明………………………………………………………………………6
Coefficients used in the block correction.
The constant term b in the discrimination equation; also stands for GAMSOR.
sC
in
DENOM DIFF DT DU (I, J) DV (I, J) F (I, J, NF) FL FLM FLOW FLP
Temporary storage. Time t for unsteady problems. Alphabetic title for F (I, J, NF). The x-direction velocity u. The y-direction velocity v. Volume of the C.V. The values of x at grid points. The x-direction widths of main C.V.. The part of XCV (I) that overlaps on the C.V. for U (I, J). The part of XCV (I) that overlaps on the C.V. for U (I+1,J). The x-direction width of the staggered C.V. for U (I, J). The difference X (I)-X (I-1). The x-direction length of the calculation domain. The locations of the C.V. faces; i.e. the location of U (I, J). The values of y at grid points. The y-direction widths of main C.V. The area The area

传热学讲义第一章—导热理论基础

第一章 导热理论基础本章重点:准确理解温度场、温度梯度、导热系数等基本概念,准确掌握导热基本定律及导热问题的基本分析方法。

物质内部导热机理的物理模型:(1)分子热运动;(2)晶格(分子在无限大空间里排列成周期性点阵)振动形成的声子运动;(3)自由电子运动。

物质内部的导热过程依赖于上述三种机理中的部分项,这几种机理在不同形态的物质中所起的作用是不同的。

导热理论从宏观研究问题,采用连续介质模型。

第一节 基本概念及傅里叶定律1-1 导热基本概念一、温度场(temperature field)(一)定义:在某一时刻,物体内各点温度分布的总称,称为即为温度场(标量场)。

它是空间坐标和时间坐标的函数。

在直角坐标系下,温度场可表示为:),,,(τz y x f t = (1-1)(二)分类:1.从时间坐标分:① 稳态温度场:不随时间变化的温度场,温度分布与时间无关,0=∂∂τt ,此时,),,(z y x f t =。

(如设备正常运行工况) 稳态导热:发生于稳态温度场中的导热。

② 非稳态温度场:随时间而变化的温度场,温度分布与时间有关,),,,(τz y x f t =。

(设备启动和停车过程)非稳态导热:在非稳态温度场中发生的导热。

2.从空间坐标分: ① 三维温度场:温度与三个坐标有关的温度场,⎩⎨⎧==稳态非稳态),,(),,,(z y x f t z y x f t τ ② 二维温度场:温度与二个坐标有关的温度场,⎩⎨⎧==稳态非稳态),(),,(y x f t y x f t τ∆tt-∆tgrad t③ 一维温度场:温度只与一个坐标有关的温度场,⎩⎨⎧==稳态非稳态,)()(x f t x f t τ 二、等温面与等温线1.等温面(isothermal surface):在同一时刻,物体内温度相同的点连成的面即为等温面。

2.等温线(isotherms):用一个平面与等温面相截,所得的交线称为等温线。

为了直观地表示出物体内部的温度分布,可采用图示法,标绘出物体中的等温面(线)。

传热学讲义——第三章

第三章 非稳态导热(unsteady state conduction)物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。

0≠τ∂∂t,任何非稳态导热过程必然伴随着加热或冷却过程。

根据物体内温度随时间而变化的特征不同,非稳态导热过程可分为两类:(1)周期性导热(periodic unsteady conduction ):物体的温度按照一定的周期发生变化; 如建筑物的外墙和屋顶温度的变化。

(2)瞬态导热(transient conduction):物体的温度随时间不断升高或降低,在经历相当长时间后,物体的温度逐渐趋于周围介质的温度,最终达到热平衡。

分析非稳态导热的任务:找出温度分布和热流密度随时间和空间的变化规律。

第一节 非稳态导热的基本概念一、瞬态导热过程采暖房屋外墙墙内温度变化过程。

采暖设备开始供热前:墙内温度场是稳态、不变的。

采暖设备开始供热:室内空气温度很快升高并稳定;墙壁内温度逐渐升高;越靠近内墙升温越快;经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布形成。

墙外表面与墙内表面热流密度变化过程 采暖设备开始供热前:二者相等、稳定不变。

采暖设备开始供热:刚开始供热时,由于室内空气温度很快升高并稳定,内墙温度的升高相对慢些,内墙表面热流密度最大;随着内墙温度的升高,内墙表面热流密度逐渐减小;随着外墙表面的缓慢升高,外墙表面热流密度逐渐增大;最终二者相等。

上述非稳态导热过程,存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。

(1)第一阶段(右侧面不参与换热)是过程开始的一段时间,特点是:物体中的一部分温度已经发生变化,而另一部分仍维持初始状态时的温度分布(未受到界面温度变化的影响),温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布,物体内各处温度随时间的变化率是不一样的,即:在此阶段物体温度分布受t分布的影响较大,此阶段称非正规状况阶段或初始阶段(initialregime)。

(2)第二阶段(右侧面参与换热)当右侧面参与换热以后,物体中的温度分布不受t影响,主要取决于边界条件及物性。

传热学全套PPT完整教学课件


03
地面辐射和大气辐射
地面吸收太阳辐射后升温并向外发射辐射,大气层也会吸收和发射辐射
,形成地面-大气系统的辐射平衡。
辐射防护和节能措施
辐射防护原则
采取时间、距离和屏蔽等措施降低人 员受到的辐射剂量。
节能措施
采用高效保温材料、减少能源浪费、 提高能源利用效率等方法降低能源消 耗和减少环境污染。
05
蒙特卡罗法
介绍蒙特卡罗法的基本原理和应用范围,通过随机抽样模拟传热过程,适用于复杂系统的 传热分析。
THANKS
感谢观看
导热传热分析
一维稳态导热
温度分布规律
通过解析解或数值方法求 解一维稳态导热方程,得 到物体内部温度分布。
热流密度计算
根据温度梯度和导热系数 计算热流密度,分析热量 传递的强度和方向。
热阻概念及应用
引入热阻概念,分析热量 传递过程中的热阻大小及 影响因素。
多维稳态导热
多维温度场描述
通过多维稳态导热方程描述物体 内部温度分布,考虑多个方向上
两表面封闭系统辐射换热计算
通过求解辐射换热方程得到两表面间的辐射换热 量。
3
多表面封闭系统辐射换热计算
采用网络法或区域法等方法求解多表面间的辐射 换热量。
太阳辐射对地球影响
01
太阳常数和太阳光谱
描述太阳辐射强度和波长分布的物理量。
02
大气层对太阳辐射的削弱作用
包括吸收、散射和反射等作用,使得到达地面的太阳辐射减弱。
换热器设计与应用
换热器类型及工作原理
换热器类型
根据传热方式的不同,换热器可分为间壁式、混合式和蓄热式三类。
工作原理
换热器通过间壁或混合方式实现热量从高温流体向低温流体的传递,以达到加 热或冷却的目的。

计算传热学-第1_2讲


j
1 r
()
kz
z
()
Cylindrica l
ir
r
()
j
1 r
() k
1
r sin
()
Spherical
Coordinate Systems
z
o
x
x-y-z
z
z
yx
roΒιβλιοθήκη y xro
y
r--z
r--
2.1.1热传导
Operators
div (R) x (Rx ) y (Ry ) z (Rz ) Cartesian
格式进行计算,并与分析解比较(计算时节点数目可取为 10 ~ 20); 3) 改变参数,譬如取=10,重复 2)中的计算;
分析 2)和 3)中得到的结果,对各种格式进行比较。
计算传热学习题之四
直角坐标系中的二维稳态导热问题。如图所示,一截面为 LL 的正方形长柱,它的
左边界和下边界维持均匀恒定的温度 T1,上边界和右边界维持均匀恒定的温度 T2,材料 的导热系数为 k(T)。
多种商业软件 网上资源
Black box program skill easy reading
分类
有限差分法( Finite difference method)
用差商与代替导数 经典、成熟 数学理论基础明确 主导方法
有限容积法(Finite volume method)
控制容积法(Control volume method) 基本上属于有限差分法的范畴
分类
有限单元法(Finite element method)
将求解区域分成若干个小的单元(element) 设定待求变量在单元上的分布函数 适应性强,适用于复杂的求解区域 一度有取代有限差分法的趋势 程序技巧要求告 数学基础不如有限差分法明确
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

二维椭圆型流动传热通用程序变量表及算例说明(本材料仅供教学参考)西安交通大学CFD&NHT/EHT研究中心陶文铨教授2002/10/15西安目录 (2)一、FORTRAN 变量表 (3)二、关于程序的主要说明 (6)(1)二维椭圆型流动和传热问题通用计算机算法方面的特点 (6)(2)各程序的主要功能 (7)(3)三种坐标系统 (8)(4)网格系统与节点命名方法 (9)十一个例题的已知条件与求解内容 (12)例题1 直角坐标中二维稳态无内热源的导热 (12)例题2 空心圆柱内的稳态热传导 (12)例题3正方形管道内的充分发展对流换热 (13)例题4内壁上有直肋的环形通道内充分发展对流换热 (13)例题5给定流场条件下温度场的计算 (14)例题6二维突扩通道中的流动与换热 (14)例题7方形通道内的复杂充分流动 (15)例题8 旋转圆盘上的冲击流动 (15)例题9 轴对称燃烧内的瞬间燃烧过程 (16)例题10 带中心射流的通道内的紊流换热 (16)例题11 有质量源的流动问题 (17)一、 FORTRAN 变量表List of FORTRAN VariablesACOFQuantity calculated by subroutine DIFLOW to give the combined convection and diffusion effect.AIM (I, J) The coefficient W a .AIP (I, J) The coefficient E a .AJM (I, J) The coefficient S a .AJP (I, J) The coefficient N a .AP (I, J) t The coefficientP a ; also P S in GAMSOR.APT The unsteady term /t ρ∆.AREA Local variable, usually the area of a C.V . face. ARHO Local variable, (area) (ρ).ARX (J) The area of the main C.V . face normal to the x direction. ARXJ (J) The part of ARX (J) that overlaps on the C.V . for V (I, J). ARXJP (J) The part of ARX (J) that overlaps on the C.V . for V (I, J+1). BL BLC BLM BLPCoefficients used in the block correction.CON (I, J)The constant term b in the discrimination equation; also stands for C s inGAMSOR.DENOM Temporary storage. DIFF Diffusion conductance D. DT The time stept ∆.DU (I, J) e d Influencing U (I, J).DV (I, J) n d Influencing V (I, J).F (I, J, NF) Various φ.FL Temporary storage leading to FLOW. FLM Temporary storage leading to FLOW. FLOW FLPMass flow rate through a C.V . face. Temporary storage leading to FLOW.FV (J) FVP (J) Interpolation factors which give the mass flowvrρAt a main grid point, I, J as FV (J) ∗vrρ(I, J)+FVP (I, J) ∗vrρ(I,J+1)FX (I) Interpolation factors, which give the interface.FXM (I) Density RHOM (at the location of U (I, J)) as FX (I) ∗RHO (I, J)+FXM (I)∗RHO (I-1, J).FY (J) Interpolation factors, which give the interface.FYM (J) Density RHOM (at the location of V (I, J)) as FY (J) ∗RHO (I, J)+FYM (J)∗RHO (I, J-1).GAM (I, J) The diffusion coefficient Γ.I Index denoting the position in x.IBEGIENDTemporary values used in PRINT.IFST The first value of I for which the print-out is arranged; used in PRINT.II Temporary index.IPREF The value of I for the grid point, which is used as a reference for pressure.IST The first internal-point value of I.ISTF IST-1; used in SOLVE.ITER A counter for iterations.IT1IT2Temporary values used in SOLVE.J Index denoting the position in y.JFL Temporary index used in PRINT.JFST Similar to ILST.JJ Temporary indexJLST Similar to ILSTJPREF Similar to IPREF.JST The first internal-point value of J.JSTF JST-1; used in SOLVE.JT1JT2Temporary values used in SOLVE.LAST The maximum number of iterations allowed by the user.LBLK (NF) When. TRUE. The block correction for F (I, J, NF) is used.LPRINT (NF) When. TRUE. , F (I, J, NF) is printed.LSOLVE (NF) When. TRUE. , We solve for F (I, J, NF).LSTOP When. TRUE. Computation stops.L1 The value of I for the last grid location in the x direction.L2 (L1-1).L3 (L1-2).MODE Index for the coordinate system; =1 for xy, =2 for rx, =3 for rθ.M1 The value of I for the last grid location in the y direction.M2 (M1-1).M3 (M1-2).N Temporary storage for NF.NF Index denoting a particular φ.NFMAX The largest value of NF for which storage is assigned.NGAM NFMAX+3; GAM (I, J) can be considered as F (I, J, NGAM).NP NFMAX+1; P (I, J) can be considered as F (I, J, NP).NRHO NFMAX+2; RHO (I, J) can be considered as F (I, J, NRHO).NTIMES (NF) The number of repetitions of the sweeps in SOLVE for the variable F (I, J, NF). P (I, J) The pressure p.'p.PC (I, J) The pressure correctionPREF The pressure at the reference point.PT (I) or PT (J)QT (I) or QT (J) Transformed coefficients in the TDMA.R (J) The radius r for a main grid point I, J.REL 1.0-RELAX (NF).RELAX (NF) Relaxation factor for F (I, J, NF).RHO (I, J) The density ρ.RHOCON The value of ρfor a constant-density problem.RMN (J) The value of radius r for the location to which V (I, J) refers.'p equation. SMAX The largest absolute value of the “mass source” used in the'p equation.SSUM The algebraic sum of all the “mass sources” in theSX (J) Scale factor for the x direction at the main grid locations Y (J).SXMN (J) Scale factor for the x direction at interface locations YV(J).TEMP Temporary storage.TIME Time t for unsteady problems.TITLE (NF) Alphabetic title for F (I, J, NF).U (I, J) The x-direction velocity u.V (I, J) The y-direction velocity v.VOL Volume of the C.V.X (I) The values of x at grid points.XCV (I) The x-direction widths of main C.V..XCVI (I) The part of XCV (I) that overlaps on the C.V. for U (I, J).XCVIP (I) The part of XCV (I) that overlaps on the C.V. for U (I+1,J).XCVS (I) The x-direction width of the staggered C.V. for U (I, J).XDIF (I) The difference X (I)-X (I-1).XL The x-direction length of the calculation domain.XU (I) The locations of the C.V. faces; i.e. the location of U (I, J).Y (J) The values of y at grid points.YCV (J) The y-direction widths of main C.V.r∆for a main C.V.YCVR (J) The area yr∆for the C.V. for v (I, J).YCVRS (J) The area yYCVS (J) The y-direction width of the staggered C.V. for V (I, J).YDIF (J) The difference Y (J)-Y (J-1).YL The y-direction length of the calculation domain.YV (J) The locations of the C.V. faces; i.e. the location of V (I, J).二关于程序的主要说明(1)二维椭圆型流动和传热问题通用计算机程序算法方面的特点1、采用原始变量法,即以速度U、V及压力P作为直接求解的变量2、守恒型的差分格式,离散方程系对守恒型的控制方程通过对控制容积作积分而得出的,无论网格疏密程度如何,均满足在计算区域内守恒的条件;3、采用区域离散化方法B,即先定控制体界面、再定节点位置4、采用交叉网格,速度U、V与其他变量分别存储于三套网格系统中;5、不同的项在空间离散化过程中去不同的型源项采用局部线性化方法;扩散——对流项采用乘方格式(但很容易转化为中心差分、迎风差分或混合格式);街面上的扩散系数采用调和平均法,而密度与流速则用线性插值;6、不用全隐格时间步长下均可获得具有物理意义的解;7、边界条件采源项法处理8耦合的流速与压力采用SIMPLE算法来9、迭代式的求解方法,对非线性问题,整个求解过程具有迭代性质;对于代数方程也采用迭代法求解;10、采用交替方向先迭代法求解代数方程并补以块修正技术以促进收敛。

相关文档
最新文档