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第三章 非稳态导热问题的分析解
在工程上,存在着大量的稳态导热问题,也同样会涉及到许许多多的加热升温或冷却
降温的不稳态导热问题,如钢件在加热炉中的加热过程及钢件从加热炉中取出后在不同介质
中的冷却过程等。求解不稳定导热的主要任务,就是要确定被加热或冷却的物体内部某个地
点达到某个预定温度所需经历的时间,以及在该期间内所需供给或取走的热量。以便合理拟
订加热或冷却的工艺条件,或者计算经历一定的时间以后,物体内部的温度分布和温度场随
时间的变化速率,以便核算部件将承受的热应力等。
非稳态的导热按照导热过程中物体内的温度随时间变化的规律,可以分成三类[3] :瞬
态导热、周期性变化导热和一般意义上的非稳态导热(即非瞬态、非周期性的导热)。对于
瞬态导热,边界条件及内热源不随时间而变,由于在起始时刻物体内的温度场与同样的边界
条件及内热源条件下的稳态温度场存在差异,使得进出物体内各处的导热热流量的平衡遭到
破坏,引起物体内的温度随时间而变化,但随着时间的推移,温度分布趋向于同样条件下的
稳态温度场。在周期性的非稳态导热问题中,由于边界条件及(或)内热源随时间呈周期性
的变化,随着时间的推移,物体内各处的温度都不能达到稳态,但当过程进行了足够长的时
间以后,物体内的温度随时间也呈周期性的变化,这种状况称为准稳态,最简单的周期性变
化是按简谐函数(正弦函数及余弦函数)规律变化。
与稳态导热不同,在非稳态导热过程中,物体内各处的温度随时间变化,因此,在导
热微分方程中,除了空间坐标作为自变量以外,同时还有时间自变量并存,导热微分方程是
含有空间和时间在内的偏微分方程。按照空间自变量的个数,非稳态导热可以分为一维非稳
态导热、二维非稳态导热、三维非稳态导热。但有时,对于薄壁物体的非稳态导热问题,温
度仅与时间有关,而与空间坐标无关,这类问题也称为集总热容系统的非稳态导热,整个非
稳态导热过程简称为薄壁物体的温度响应。
3—1 薄壁物体的温度响应
在非稳态导热过程中,如果物体内的温度始终是均匀一致的,如导热系数很高的薄壁物
体,或者说当一个物体与周围环境进行热交换时,若认为物体内部的温度分布并不重要,而
只是关心物体的总体温度随着时间的变化,如用热电偶测量气流的温度,我们常常只关心整
个热电偶结点的温度随时间的变化,而对于结点内部的温度分布并不重要。这种不追究物体
内部的温度分布,亦即把物体内部各处的温度归结为同一数值,而只研究该同一数值的温度
随时间变化的导热问题,称为“薄壁物体的温度响应” 。从数学的角度,这类问题是常微
分方程的初值问题,最终求解的是T (τ) 的表达式。
一、 薄壁物体的导热方程
推导薄壁物体导热方程的出发点是(1—22 )式,
∂(ρCp T ) r (1—22 )
dv λgradT ⋅n ds + q dv
∫v ∂τ ∫s ∫v v
其含义是,物体内任意一个区域 v ,它的封闭表面 s,单位时间通过封闭表面S 传入的热量
r 加上单位时间内区域 内产生的热量 应该等于区域 内在同一
λgradT ⋅n ds V q dv V
∫S ∫v v
1
时间内物质内能的增加∫v ∂(ρCp T ) dv 。
∂τ
对于物体内部温度均为连续的情况,对任意区域 V 的这个方程可以推广到物体的整个
区域,相应的表面S 也推广到物体的整个表面。对于薄壁物体,由于温度不随空间坐标的
变化,若 ρ 、Cp 也是不随时间和空间变化的常数, 那么
∂ dT
∂τ ∫V ρC p
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