基于稳态导热的矿井调热圈半径与温度的计算方法
杜翠凤,边梦龙,何少博,等.基于稳态导热的矿井调热圈半径与温度的计算方法[J ].矿业安全与环保,2018,45'1):28-33.文章编号:1008-4495'2018)01-0028-06
基于稳态导热的矿井调热圈半径与温度的计算方法
杜翠凤1,边梦龙1,何少博2,王金波2
(1.北京科技大学土木与资源工程学院,北京100083;2.招金矿业股份有限公司夏甸金矿,山东招远265418)
摘要:为获得矿井调热圈导热规律,基于传热学稳态导热理论,简化调热圈导热模型,将其以最终要达到的稳态温度场考虑,并将调热圈导热过程以圆筒壁导热模型展开分析,将岩石导热系数和巷道表面传热系数视为定值,得出调热圈半径与温度的计算公式,揭示调热圈导热受到岩石导热系数二表面传热系数二巷道半径二原岩温度等多因素影响三通过实测数据和FLUENT 软件数值模拟实验,检验调热圈半径与温度的计算公式,结果表明该计算公式基本符合调热圈导热规律,具有理论和实用价值三
关键词:调热圈;稳态导热;半径;温度;FLUENT ;矿井热害中图分类号:TD727 文献标志码:A
收稿日期:2017-04-18;2017-06-21修订
作者简介:杜翠凤'1966 ),女,河北唐山人,博士,教授,主要从事工业通风与安全方面的研究工作三E -mail :ducuifeng@https://www.wendangku.net/doc/90406615.html, 三
Formulas of Radius and Temperature for Heat-regulating Circle Based on
Steady Heat Conduction
DU Cuifeng 1,BIAN Menglong 1,HE Shaobo 2,WANG Jinbo 2
(1.School of Civil and Resource Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;
2.Xiadian Gold Mine ,Zhaojin Mining Co.,Ltd.,Zhaoyuan 265'18,China )
Abstract :In order to study the thermal conductivity of Heat-regulating circle in the mine,this thesis based on theory of
steady state heat conduction,simplified thermal conduction model of Heat-regulating circle and considering the steady state temperature field that it will eventually reach,The thermal conduction process of the Heat -regulating circle was analyzed by thermal conductivity model of the cylinder wall.Considered coefficient of thermal conductivity of rock and roadway surface heat transfer coefficient as a fiｘed value,the calculation formula of radius and temperature of Heat-regulating circlewas obtained.The formula revealed that the thermal conductivity of Heat-regulating circle was influenced by the thermal conductivity of rock,the surface heat transfer coefficient,the radius of the roadway and the temperature of the original rock,etc.By using measured data and numerical simulation eｘperiments of FLUENT software,the calculation formula of the radius and temperature of the Heat-regulating circle was tested.The results showed that the formula is in accord with thermal conductivity of Heat-regulating circle which is of both theoretical and practical value.
Keywords :Heat-regulating circle;steady heat conduction;radius;temperature;FLUENT;underground thermal pollution
在矿石开采过程中,当岩体被开挖巷道通风之后,原有岩体的热平衡状态被打破,包围巷道的岩体因通风其温度不断下降,温度下降的范围不断向岩体深部延伸,岩体温度下降的圈体被称为调热圈,一般认为围岩温度降低值超过原岩温度0.1%的冷却范围即为调热圈[1-2]三围岩散热是矿井热害的最大来源,矿井调热圈是围岩散热必经通道,研究调热圈的导热问题,对掌握矿井地热时空分布规律和深井
热害治理具有重要的价值和意义[3-4]三
近年来不少学者对此进行了研究,何发龙等[5]
通过正交试验分析得出,对壁面温度的影响大小依次为:原岩温度>热导率>调热圈半径,并得到调热圈半径与通风时间的拟合计算式;王宏伟等[6]针对存在裂隙和流体的组合岩体,建立了流热耦合条件下组合岩体等效导热系数的计算模型;高建良等[7]对围岩散热的换热系数和温湿度计算方法进行了研究,讨论了水分蒸发方式的不同会对计算结果造成影响;周西华等[8]通过对风流与岩壁换热过程分析,得出围岩与风流不稳定换热系数解析式和理论解;刘何清等[9]分析了高温矿井巷道风流间的显热交换与潜热交换,提出潜热计算的简化公式三
四
82四Vol.45No.1
Feb.2018
矿业安全与环保
ＭINING SAFETＹ&ENVIRONＭENTAL ＰROTECTION
第45卷 第1期2018年2月
万方数据
稳态导热测量方法.pdf
采用实验方法确定材料导热系数的方法主要分为两大类:稳态法和非稳态法 1稳态法: 试件内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当试样达到热平衡后，借助测量试样单位面积的热流速率和温度梯度，就可以直接测定试件的导热系数。 基于傅立叶导热定律描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料，这些方法包括：热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸腾换热法等。 各种不同的导热系数测试方法都有其自身的优点、局限性、应用范围和方法本身所带来的不准确性。 稳态测量法具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量，缺点是比较原始、测定时间较长和对环境（如测量系统的绝热条件、测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等）要求苛刻。常用于低导热系数材料的测量，其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数。 1.1热流法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。如图1所示，将厚度一定的方形样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。当冷板和热板的温度稳定后，测得样品厚度、样品上下表面的温度和通过样品的热流量，根据傅立叶定律即可确定样品的导热系数： 图1 该法适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料，例如各种保温材料。在测试过程中存在横向热损失，会影响一维稳态导热模型的建立，扩大测定误差。 优点：易于操作，测量速度快。缺点，适用温度和测量范围有限。
1.2保护热板法 保护热板法的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流计法测定，该法原理与热流计法相似，不同之处是用在周围包上绝热材料和保护层（也可以用辅助加热器替代），从而保证了样品测试区域的一维热流，提高了测量精度和测试范围。但是该法需要对测定单元进行标定。 适用于干燥材料，一般采用双试件保护平板结构，在热板上下两侧各对称放置相同的样品和冷板一块，如图2所示， 图2 试件周围包有保护层，主加热板周围环有辅助加热板，使辅助加热板与主加热板温度相同，以保证一维导热状态。当达到一维稳态导热状态时，根据傅立叶定律可得： 在已知样品尺寸、主加热板加热功率后，利用热电偶测得两样品上下表面的温度，由上式即可求得材料在T m温度时的导热系数。 优点：该法可用于温度范围更大、量程较广的场合，误差较小且可用于测定低温导热系数。缺点：稳定时间较长，不能测定自然含水率下的导热系数。需先对样品进行干燥处理。样品厚度对结果精度有较大影响。在用该法对不良导体的导热系数测定时，发现试样厚度对导热系数有很大影响，不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。同时，试样侧面的绝热条件对结果的误差也有很大影响。 1.3圆管法 圆管法是根据长圆筒壁一维稳态导热原理直接测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。要求被测材料应该可以卷曲成管状，并能包裹于加热圆管外侧，由于该方法的原理是基于一维稳态导热模型，故在测试过程中应尽可能在试样中维持一维稳态温度场以确保能获得准确的导热系数。为了减少由于端部热损失产生的非一维效应根据圆管法的
非稳态(准稳态)法测材料导热性能实验
非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验 一、实验目的 1、本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、导温系数）进行实验测量。 2．快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热，掌握其测试原理和方法。 3、掌握使用热电偶测量温差的方法。 二、实验测试原理 本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（如下图所示）。 根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)可由下面方程组解 得； 方程组的解为： 式中：τ——时间；λ——平板的导热系数； α——平板的导温系数；t 0——初始温 度； —傅立叶准则； δβμn n = ，n=1，2， 3…； q c ——沿X 方向从端面向平板加热的恒定热流密度。 随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F 0＞0.5时，级 数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成 （2） 由此可见，当F 0＞0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变 化的速率是常数，并且到处相同。这种状态即为准稳态。 在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为： 平板加热面X=δ处为： 此两面的温差为： （3） 已知q c 和δ，再测出△t ，就可以由式（3）求出导热系数： （4） 实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认 为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以) 1()]exp()cos(2)1(63[),(2211220o n n n n n c F x x q t x t μδμμδδδδατλτ--+--=-+∞=∑)612(),(222-+=-δδατλδτx q t x t c o q q t t t a q t t c c c o ?=??=-=?+=-21),0(),()3 1(),(2δλλδττδδτλδτδ2δ ατ=F
物理实验报告-稳态法导热系数测定实验
稳态法导热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法 二、实验原理 平板式稳态导热仪的测量原理是基于一维无限大平板稳态传热模型，这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形，薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。 三、实验设备 实验设备如图2所示。 图2 平板式稳态法导热仪的总体结构图 1.调压器 2.铜板 3.主加热板 4.上均热片 5.中均热片 6.下均热片 7.热电偶 8.副加热板 9.数据采控系统10.温度仪表 11.试样装置12.循环水箱电位器13.保温材料14.电位器 键盘共有6个按键组成，包括为“5”、“1”、“0.1”3个数据键，“±”正负号转换键，“RST”复位键，“ON/OFF”开关键。 数据键：根据不同的功能对相应的数据进行加减，与后面的“±”正负号转换键和“shift”功能键配合使用。“±”正负号转换键：当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础上加相应的数值；为“-”时，减相应的数值。“RST”复位键：复位数据，重新选择。 控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。 四、实验内容 1、根据提供的实验设备仪器材料，搭建实验台，合理设计实验步骤。调整好电加热器的电压(调节调压器)，并测定相关的温度及电热器的电压等试验数据。 2、对测定的实验数据按照一定的方法测量进行数据处理，确定材料的导热系数与温度之间的依变关系公式。 3、对实验结果进行分析与讨论。 4、分析影响制导热仪测量精度的主要因素。 5、在以上分析结论的基础之上尽可能的提出实验台的改进方法。 五、实验步骤 1、利用游标卡尺测量试样的长、宽、厚度，测试样3个点的厚度，取其算术平均值，作为试样厚度和面积。 2、测量加热板的内部电阻。 3、校准热工温度仪表。 4、向水箱内注入冷却水。 5、通过调整电位器改变提供给主加热板和副加热板的加热功率，通过4位“LED”显示主加热板和副加热板的温度，根据主加热板的温度，调整电位器改变施加在副加热板的电压，使副加热板的温度与主加热板的温度一致。利用数字电压表测量并记录主加热板电压。 6、在加热功率不变条件下, 试样下表面和循环水箱下表面的温度波动每5min不超过±1℃时，认为达到稳态。此时，记录主加热板温度、试样两面温差。
非稳态导热习题
第三章 非稳态导热习题 例3.1一腾空置于室内地板上的平板电热器，加在其上的电功率以对流换热和辐射换热的方式全部损失于室内。电热器表面和周围空气的平均对流换热系数为h ，且为常数，室内的空气温度和四壁、天花板及地板的温度相同，均为t f 。电热器假定为均质的固体，密度为ρ，比热为c ，体积为V , 表面积为A ，表面假定为黑体，因其导热系数足够大，内部温度均布。通电时其温度为t 0。试写出该电热器断电后温度随时间变化的数学描述。 [解] 根据题意，电热器内部温度均布，因此可用集中参数分析法处理。 电热器以辐射换热方式散失的热量为： 44r f ()A T T σΦ=- （1） 以对流换热方式的热量为： c f ()hA T T Φ=- （2） 电热器断电后无内热源，根据能量守恒定律，散失的热量应等于电热器能量的减少。若只考虑电热器的热力学能 r c d d T cV ρτ -Φ-Φ= （3） 因此，相应的微分方程式为： 44f f d ()()d T A T T hA T T cV σρτ -+-=- （4） 初始条件为： τ=0， t =t 0 （5） 上述两式即为该电热器断电后温度随时间变化的数学描述。 例 3.2 电路中所用的保险丝因其导热系数很大而直径很小可视为温度均布的细长圆柱体，电流的热效应可视为均匀的内热源。如果仅考虑由于对流换热的散热量，保险丝表面和温度为t f 的周围空气之间的平均对流换热系数为h ，且为常数。试求该保险丝通电后温度随时间的变化规律。 [解] 根据题意，保险丝内部温度均布，因此可用集中参数分析法处理。 保险丝表面以对流换热方式散失的热量为： c f ()hA T T Φ=- （1） 保险丝的内热源为： Q 0=IR 2 （2） 式中：I ——保险丝通过的电流，（A ）； R ——保险丝的电阻，Ω。 根据能量守恒，散失的热量与内热源所转变成的热量的和应等于保险丝能量的变化。若只考虑保险丝的热力学能 c 0d d T Q cV ρτ -Φ+= （3）
第三章非稳态导热分析解法
第三章非稳态导热分析解法 本章主要要求： １、重点内容： ① 非稳态导热的基本概念及特点； ② 集总参数法的基本原理及应用； ③ 一维及二维非稳态导热问题。 2 、掌握内容： ① 确定瞬时温度场的方法； ② 确定在一时间间隔内物体所传导热量的计算方法。 3 、了解内容：无限大物体非稳态导热的基本特点。 许多工程问题需要确定：物体内部温度场随时间的变化，或确定其内部温度达某一极限值所需的时间。如：机器启动、变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏。因此，应确定其内部的瞬时温度场。钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素；金属在加热炉内加热时，要确定它在炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。 §3—1 非稳态导热的基本概念 一、非稳态导热 1 、定义：物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。 2 、分类：根据物体内温度随时间而变化的特征不同分： 1 2 ）物体的温度随时间而作周期性变化 如图 3-1 所示，设一平壁，初值温度 t 0 ，令其左侧的表面温 度突然升高到 并保持不变，而右侧仍与温度为 的空气接触，试分 析物体的温度场的变化过程。 首先，物体与高温表面靠近部分的温度很快上升，而其余部分仍 保持原来的 t 0 。 如图中曲线 HBD ，随时间的推移，由于物体导热温度变化波及范 围扩大，到某一时间后，右侧表面温度也逐渐升高，如图中曲线 HCD 、 HE 、 HF 。 最后，当时间达到一定值后，温度分布保持恒定，如图中曲线 HG （若 λ=const ，则 HG 是直线）。 由此可见，上述非稳态导热过程中，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） 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，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。 （ 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 to 影响，主要取决于边界条件及物性，此时，非稳态导热过程进入到正规状况阶段。正规状况阶段的温度变化规律是本章讨论的重点。 2 ）二类非稳态导热的区别：前者存在着有区别的两个不同阶段，而后者不存在。 3 、特点； 非稳态导热过程中，在与热流量方向相垂直的不同截面上热流量不相等，这是非稳态导热区别于稳态导热的一个特点。
实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数
实验十四 稳态法测量不良导体的导热系数 导热系数是表征物质热传导性质的物理量。材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定。 测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部所形成的温度分布是随时间变化的，如呈周期性的变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。 本实验应用稳态法测量不良导体(橡皮样品)的导热系数，学习用物体散热速率求传导速率的实验方法。 【实验原理】 1898年C.H.Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数，这是一种稳态法，实验中，样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。 设稳态时，样品的上下平面温度分别为1θ、2θ，根据傅立叶传导方程，在时间内通过样品的热量满足下式： t ΔQ ΔS h t Q B 21 θθλ?=ΔΔ (1) 式中λ为样品的导热系数，为样品的厚度，为样品的平面面积，实验中样品为圆盘状，设圆盘样品的直径为,则由（1）式得： B h S B d
传热学传热学--第三章 第三节 一维非稳态导热问题
传热学--第三章第三节一维非稳态导热问题 §3 — 3 一维非稳态导热的分析解 本节介绍第三类边界条件下：无限大平板、无限长圆柱、球的分析解及应用。如何理解无限大物体，如：当一块平板的长度、宽度>> 厚度时，平板的长度和宽度的边缘向四周的散热对平板内的温度分布影响很少，以至于可以把平板内各点的温度看作仅是厚度的函数时，该平板就是一块“无限大”平板。若平板的长度、宽度、厚度相差较小，但平板四周绝热良好，则热量交换仅发生在平板两侧面，从传热的角度分析，可简化成一维导热问题。 一、无限大平板的分析解 已知：厚度的无限大平板，初温t0，初始瞬间将其放于温度为的流体中，而且> t0，流体与板面间的表面传热系数为一常数。 试确定在非稳态过程中板内的温度分布。 解：如图3-5 所示，平板两面对称受热，所以其内温度分布以其中心截面为对称面。对 于x 0 的半块平板，其导热微分方程：(0 （边界条件） （边界条件） 对偏微分方程分离变量求解得： （3-10 ） 其中离散值是下列超越方程的根，称为特征值。 其中Bi 是以特征长度为的毕渥数。 由此可见：平板中的无量纲过余温度与三个无量纲数有关：以平板厚度一半为特 征长度的傅立叶数、毕渥数及即：（3-12) 二、非稳态导热的正规状况阶段 1 、平板中任一点的过余温度与平板中心的过余温度的关系 前述得到的分析解是一个无穷级数，计算工作量大，但对比计算表明，当Fo>0.2 时，采用该级数的第一项与采用完整的级数计算平板中心温度的误差小于1% ，因此，当Fo>0.2 时，采用以下简化结果：（3-13 ） 其中特征值之值与Bi 有关。 由上式（3-13 ）可知：Fo>0.2 以后平板中任一点的过余温度(x ，τ) 与平板中心的过余温度(0 ，τ)=（τ ）之比为：（3-14 ） 此式反映了非稳态导热过程中一种很重要的物理现象：即当Fo>0.2 以后，虽然(x ，τ) 与（τ ）各自均与τ 有关，但其比值则与τ 无关，而仅取决于几何位置（x/ ）及边界条件（Bi ）。也就是说，初始条件的影响已经消失，无论初始条件分布如何，只要 热传导计算 随着微电子技术的飞速发展，芯片的尺寸越来越小，同时运算速度越来越快，发热量也就越来越大，如英特尔处理器3.6G 奔腾4终极版运行时产生的热量最大可达115W ，这就对芯片的散热提出更高的要求。设计人员就必须采用先进的散热工艺和性能优异的散热材料来有效的带走热量，保证芯片在所能承受的最高温度以内正常工作。 如图 1所示，目前比较常用的一种散热方式是使用散热器，用导热材料和工具将散热器安装于芯片上面，从而将芯片产生的热量迅速排除。本文介绍了根据散热器规格、芯片功率、环境温度等数据，通过热传导计算来求得芯片工作温度的方法。 芯片的散热过程 由于散热器底面与芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。如图2所示，芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再通过风扇的高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到周围的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从芯片，然后通过散热器和导热材料，到周围空气的散热通路。 表征热传导过程的物理量 在图3的导热模型中，达到热平衡后，热传导遵循傅立叶传热定律： Q="K"·A·(T1-T2)/L (1) 式中：Q为传导热量（W）；K为导热系数（W/m℃）；A 为传热面积（m2）；L为导热长度（m）。(T1-T2)为温度差。 热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为： R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A (2) 对于单一均质材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大，但不是纯粹的线形关系。 对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如下： Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A (3) 表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件。导热系数指物体在单位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率，是衡量固体热传导效率的固有参数，与材料的外在形态和热传导过程无关，而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量。 芯片工作温度的计算 如图4的热传导过程中，总热阻R为： R="R1"+R2+R3 (4) 式中：R1为芯片的热阻；R2为导热材料的热阻；R3为散热器的热阻。导热材料的热阻R2为： R2＝Z/A (5) 式中：Z为导热材料的热阻抗，A为传热面积。芯片的工作温度T2为： T2＝T1+P×R (6) 第三章 非稳态导热分析解法 1、 重点内容：① 非稳态导热的基本概念及特点； ② 集总参数法的基本原理及应用； ③一维及二维非稳态导热问题。 2、掌握内容：① 确定瞬时温度场的方法； ② 确定在一时间间隔内物体所传导热量的计算方法。 3、了解内容：无限大物体非稳态导热的基本特点。 许多工程问题需要确定：物体内部温度场随时间的变化，或确定其内部温度达某一极限值所需的时间。如：机器启动、变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏。因此，应确定其内部的瞬时温度场。钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素；金属在加热炉内加热时，要确定它在炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。 §3—1 非稳态导热的基本概念 一、非稳态导热 1、定义：物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。 2、分类：根据物体内温度随时间而变化的特征不同分： 1）物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定值，即：const t =↑τ 2）物体的温度随时间而作周期性变化 1）物体的温度随时间而趋于恒定值 如图3-1所示，设一平壁，初值温度t 0，令其左侧的 表面温度突然升高到1t 并保持不变，而右侧仍与温度为 0t 的空气接触，试分析物体的温度场的变化过程。 首先，物体与高温表面靠近部分的温度很快上升， 而其余部分仍保持原来的t 0 。 如图中曲线HBD ，随时间的推移，由于物体导热温 度变化波及范围扩大，到某一时间后，右侧表面温度也 逐渐升高，如图中曲线HCD 、HE 、HF 。 最后，当时间达到一定值后，温度分布保持恒定， 如图中曲线HG （若λ=const ，则HG 是直线）。 由此可见，上述非稳态导热过程中，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） 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，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。 （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to 影响，主要取决于边界条件及物性，此时，非稳态导热过程进入到正规状况阶段。正规状况阶段的温度变化规律是本章讨论的重点。 一维非稳态导热的数值计算 一、实验名称 一维非稳态导热的数值计算 二、实验内容 一块无限大平板（如图3所示），其一半厚度为L=0.1m ，初始温度T 0=1000℃，突然将其插入温度T ∞=20℃的流体介质中。平板的导热系数λ=34.89W/m ℃，密度ρ=7800 kg/m 3，比热c=0.712310 J/kg ℃，平板与介质的对流换热系数为h=233W/m 2.℃，求平板内各点的温度分布。 三、实验编程 #include for(k=0; k<=1000; k++) {for(i=1; i<=L-1; i++) for(j=1; j<=L-1; j++) {T[i][j] = T[i][j] + (a/4)*(T[i+1][j] + T[i][j+1] + T[i-1][j] + T[i][j-1] - 4*T[i][j]); } } printf(" a = %lf\n", a); printf("T[x][y] = ...\n"); for(i=0; i<=L; i++) for(j=0; j<=L; j++) {printf("%.1lf\t", T[i][j]); if(j == L) putchar(10); } return 0; } 四、运行结果 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能实验 一、实验目的 1、本实验属于创新型实验，要求学生自己选择不同原料、按照不同配比进行加工出新型实验材料，并对该材料的热物性（密度、导热系数、比热容、导温系数）进行实验测量。 2．快速测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热，掌握其测试原理和方法。 3、掌握使用热电偶测量温差的方法。 二、实验测试原理 本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（如下图所示）。 根据导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件，对于任一瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)可由下面方程组解得； 方程组的解为： 式中：τ——时间；λ——平板的导热系数； α——平板的导温系数；t 0——初始温度； —傅立叶准则； δβμn n = ，n=1，2，3…； q c ——沿X 方向从端面向平板加热的恒定热流密度。 随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。当F 0＞0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成 （2） 0) ,0(0),()0,() ,(),(0 22=??=+??=??=??x t q x t t x t x x t a x t c τλτδττ τ) 1()]exp(cos(2)1(63[),(2 211220o n n n n n c F x x q t x t μδμμδδδδατλτ--+-- =-+∞ = ∑)612(),(222-+=-δ δατλδτx q t x t c o 2δατ=F 由此可见，当F 0＞0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态即为准稳态。 在准稳态时，平板中心面X=0处的温度为： 平板加热面X=δ处为： 此两面的温差为： （3） 已知q c 和δ，再测出△t ，就可以由式（3）求出导热系数： （4） 实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件，一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热对试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温差就等于无限大平板时两端正的温差。 根据热平衡原理，在准稳态时，有： 式中：F ——试件的横截面积；c ——试件的比热；ρ——试件密度； — —准稳态时温升速率。 则比热为： （5） 实验时，dt/d τ以试件中心处为准。 按定义，材料的导温系数可表示为 m 2/s 综上所述，应用恒热流准稳态平板法测试材料热物性时，在一个实验上可同时测出材料的三个重要热物性---导热系数、比热容和导温系数。 三、实验装置简介 实验设备包括破碎机、搅拌机、烘干机、电子天平、SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件。SEI-3型准稳态法热物性测定仪、计算机和实验控制软件如图1所示。 τ d dt )6 1 (),0(2-= -δτλδτa q t t c o τδρd dt F c F q c ? ???=τ δρd dt q c c /??= t q q t t t a q t t c c c o ??=??=-=?+=-221),0(),()3 1 (),(2δλλ δττδδτλδτδc c c t t t q c a )(2)(2τδδτδδλρλ??=?== 准稳态法测量比导热系数 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 准稳态法测量比热和导热系数 【实验目的】 1.了解利用准稳态方法测量物质的比热和导热系数的原理； 2.学习热电偶测量温度的原理和使用方法。 【实验背景】 本实验内容属于热物理学的内容，热传递的三种基本方式包括热传导，热对流和热辐射，而衡量物质热传导特性的重要参数是物质的比热和导热系数。以往对于比热和导热系数的测量大都使用稳态法，但是该方法要求温度和热流量均要稳定，因而要求实验条件较为严格，从而导致了该方法测量的重复性，稳定性及一致性差，误差大。该实验采用一种新的测量方法，即准稳态方法，实验过程中只要求被加热物质的温差恒定和温升速率恒定，而不必通过长时间的加热达到稳态，就可以通过简单的计算得到该物质的比热和导热系数。 比热定义为单位质量的某种物质，在温度升高或降低1度时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热，单位为J/(kg·K)，它表征了物质吸热或者放热的本领。导热系数定义为单位温度梯度下，单位时间内由单位面积传递的热量，单位为W/(m·K)，即瓦/(米·开)，它表征了物体导热能力的大小。 了解物质的热力学特性有很多应用，如了解土壤或岩石的热力学特性有助于人们了解该地区的大气环境特征。了解混凝土制品的比热和导热系数有助于人们了解材料的保温特性，开发更好保温或隔热材料。了解玻璃建筑材料的比热和导热系数，有助于人们研究和开发更加保温以及安全的玻璃制品。交通方面，由于道路结构处于不断变化的温度环境中，了解沥青或沥青混合料的热力学特性参数，能够使人们精确的模拟道路结构温度场，了解不同状况下道路材料对于各种交通工具的影响。了解橡胶的热力学特性参数，有助于人们开发出更加安全的交通道路和轮胎材料。 【实验仪器】 1. ZKY-BRDR型准稳态法比热、导热系数测定仪； 2. 实验样品包括橡胶和有机玻璃各一套，(每套四块），加热板两块，热电偶两只， 导线若干，保温杯一个。 【实验原理】 1. 准稳态法测量原理 考虑如图1所示的一维无限大导热模型：一无限大 不良导体平板厚度为2R，初始温度为t0，现在平板两侧 同时施加均匀的指向中心面的热流密度q c，则平板各处 的温度t(x,τ)将随加热时间τ而变化。 以试样中心为坐标原点，上述模型的数学描述可表 达如下： R R x q c q c q c q c 图1理想的无限大 传热学C 程序源 二维稳态导热的数值计算 2.1物理问题 一矩形区域，其边长L=W=1，假设区域内无内热源，导热系数为常数，三个边温度为T1=0，一个边温度为T2=1，求该矩形区域内的温度分布。 2.2 数学描述 对上述问题的微分方程及其边界条件为：2222T T 0x y ??+=?? x=0，T=T 1=0 x=1，T=T 1=0 y=0，T=T 1=0 y=1，T=T 2=1 该问题的解析解：112121(1)sin n n n sh y T T n L x n T T n L sh W L ππππ∞=??? ?---????=? ?-????? ??? ∑ 2.3数值离散 2.3.1区域离散 区域离散x 方向总节点数为N ，y 方向总节点数为M ，区域内任一节点用I,j 表示。 2.3.2方程的离散 对于图中所有的内部节点方程可写为：2222,,0i j i j t t x y ??????+= ? ??????? 用I,j 节点的二阶中心差分代替上式中的二阶导数，得： +1,,-1,,+1,,-1222+2+0i j i j i j i j i j i j T T T T T T x y --+= 上式整理成迭代形式：()()22 ,1,-1,,1,-12222+2() 2()i j i j i j i j i j y x T T T T T x y x y ++=++++ (i=2,3……,N-1)，(j=2,3……,M-1) 补充四个边界上的第一类边界条件得：1,1j T T = (j=1,2,3……,M) ,1N j T T = (j=1,2,3……,M) ,1i j T T = (i=1,2,3……,N) 芯片散热的热传导计算(图) 讨论了表征热传导过程的各个物理量，并且通过实例，介绍了通过散热过程的热传导计算来求得芯片实际工作温度的方法 随着微电子技术的飞速发展，芯片的尺寸越来越小，同时运算速度越来越快，发热量也就越来越大，如英特尔处理器3.6G奔腾4终极版运行时产生的热量最大可达115W，这就对芯片的散热提出更高的要求。设计人员就必须采用先进的散热工艺和性能优异的散热材料来有效的带走热量，保证芯片在所能承受的 最高温度以内正常工作。 如图1所示，目前比较常用的一种散热方式是使用散热器，用导热材料和工具将散热器安装于芯片上面，从而将芯片产生的热量迅速排除。本文介绍了根据散热器规格、芯片功率、环境温度等数据，通过热传导计算来求得芯片工作温 度的方法。 图1散热器在芯片散热中的应用 芯片的散热过程 由于散热器底面与芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。如图2所示，芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再通过风扇的高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到周围的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从芯片，然后通过散热器和导热材料，到周围空气的散热通路。 图2芯片的散热 表征热传导过程的物理量 图3一维热传导模型 在图3的导热模型中，达到热平衡后，热传导遵循傅立叶传热定律： Q=K·A·(T1-T2)/L (1) 式中：Q为传导热量（W）；K为导热系数（W/m℃）；A 为传热面积（m2）；L 为导热长度（m）。(T1-T2)为温度差。 热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为： R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A (2) 对于单一均质材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大，但不是纯粹的线形关系。 对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如 下： Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A (3) 表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件。导热系数指物体在单位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率，是衡量固体热传导效率的固有参数，与材料的外在形态和热传导过程无关，而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量。 图4芯片的工作温度 芯片工作温度的计算 如图4的热传导过程中，总热阻R为： R=R1+R2+R3 (4) 式中：R1为芯片的热阻；R2为导热材料的热阻；R3为散热器的热阻。导热材 料的热阻R2为： R2＝Z/A (5) 式中：Z为导热材料的热阻抗，A为传热面积。芯片的工作温度T2为： T2＝T1+P×R (6) 式中：T1为空气温度；P为芯片的发热功率；R为热传导过程的总热阻。芯片的热阻和功率可以从芯片和散热器的技术规格中获得，散热器的热阻可以从散热器的技术规格中得到，从而可以计算出芯片的工作温度T2。 实例 下面通过一个实例来计算芯片的工作温度。芯片的热阻为1.75℃/W，功率为5W，最高工作温度为90℃，散热器热阻为1.5℃/W，导热材料的热阻抗Z为5.8℃cm2/W，导热材料的传热面积为5cm2，周围环境温度为50℃。导热材料 非稳态（准稳态）法测材料的导热性能 一、实验目的 测量绝热材料（不良导体）的导热系数和比热、掌握其测试原理和方法。 二、实验原理 本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度qc 均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下： 2 2) ,(),(x x t a x t ??=??τττ 0=τ时, 0t t = x=0处， 0=??x t δ±=x 处， c q x t =??-λ 方程的解为： )]exp()cos(2)1(63[),(02211 220F x x a q t x t n n n n c μδμμδδδδτλτ--+--=-+∞ =∑ （1） 式中：τ—时间(s)； λ—平板的导热系数(w/m ?℃)； a —平板的导热系数(m 2 /s)； n μ—πn n=1，2，3，……； F 0— δ τ 2a 傅立叶准则； t 0—初始温度(℃)； c q —沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m 2 )； 随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。 当F 0>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成： 由此可见，当F 0>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。 在准态时，平板中心面x=0处的温度为： 021(0,)()6 c q a t t δττλδ-= - 平板加热面x=δ处为： )3 1 (),(20+= -δτλδτδa q t t c （3） 此两面的温差为： 如已知q c 和δ，再测出Δt ，就可以由式（3）求出导热系数： 实际上，无限大平板是无法实现的，实验总是用有限尺寸的试件。一般可认为，试件的横向尺寸为厚度的6倍以上时，两侧散热试件中心的温度影响可以忽略不计。试件两端面中心处的温度差就等于无限大平板两端面的温度差。 根据势平衡原理，在准态时，有下列关系： τ ρδ d dt CF F q c = 式中：F 为试件的横截面(m 2)； C 为试件的比热(J/kg ?℃)； ρ为试件的密度(kg/m 3)，1200 kg/m 3； τ d dt 为准稳态时的温升速率(℃/s)； 由上式可得比热： τ ρδd dt q c c = 准稳态法测定材料的导热系数 一、实验目的 1、通过实验，掌握准稳态法测量材料的导热系数和比热容的方法； 2、掌握使用热电偶测量温度的方法； 3、加深对准稳态导热过程基本理论的理解。 二、实验原理 本实验是根据第二类边界条件，无限大平板的导热问题来设计的。设平板厚度为2δ(图中为2b)，初始温度为t 0，平板两面受恒定的热流密度q c 均匀加热（见图1）。求任何瞬间沿平板厚度方向的温度分布t(x ，τ)。导热微分方程式、初始条件和第二类边界条件如下： 2 2) ,(),(x x t a x t ??=??τττ 0=τ时, 0t t = x=0处， 0=??x t δ =x 处， c q x t -=??-λ 方程的解为： )]exp()cos(2)1(63[),(02211 220F x x a q t x t n n n n c μδμμδδδδτλτ--+--=-+∞ =∑ （1） 式中： τ—时间(s)； λ—平板的导热系数(w/m ?℃)； a —平板的热扩散率(m 2/s)； n μ—πn n=1，2，3，……； F 0— 2 δτ a 傅立叶准则； t 0—初始温度(℃)； c q —沿x 方向从端面向平板加热的恒定热流密度(w/m 2)； 随着时间τ的延长，F 0数变大，式（1）中级数和项愈小。 当F 0>0.5时，级数和项变得很小，可以忽略，式（1）变成： )61 2(),(2220-+=-δ δτλδτx a q t x t c （2） 由此可见，当F 0>0.5后，平板各处温度和时间成线性关系，温度随时间变化的速率是 常数，并且到处相同。这种状态称为准稳态。 在准稳态时，平板中心面x=0处的温度为： 稳态法测量材料的导热系数 2015-04-02 导热系数是表征材料导热能力大小的量。导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料的两侧温度相差1°C时，在单位时间内，通过1m2所传导的热量。 材料结构的变化与含杂质等因素都会对导热系数产生明显的影响。由于导热性能有许多种测量方法，事先必须考虑到材料导热系数的大致范围和样品特征，以及使用温度的大致范围，以选用正确的测量方法。本文介绍了导热系数测量的基本理论与定义，热流法、保护平板法测量导热系数的原理与应用。 稳态测试方法主要适用于测量中低导热系数材料。稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后，通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。稳态法通常要求试样质地均匀、干燥、平直、表面光滑。稳态法测导热系数的基本原理图及公式为： λ=Qd/A△T；单位:W/(m?K) 注意：稳态条件下；材料应为单一均质的干燥材料。 Q:热流稳定后，通过试样的热流量（w）； d:试样厚度(m)； A:试样面积(m)； :温度差(℃)。 热流计法 热流计法是一种基于一维稳态导热原理的比较法。将样品插入两个平板间，在其垂直方向通入一个恒定的单向的热流，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。热流法适用于低导热材料，测试时将样品夹在两个热流传感器中间测试，在达到温度梯度稳定期后，测量样品的厚度、上下板间的温度梯度及通过样品的热流便可计算得到导热系数的绝对值。适合测试导热系数范围为0.001~50W/m?K的材料如导热胶、玻璃、陶瓷、金属、铝基板等低导热材料。 护热平板法 护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似，保护热板法的测量原理如下图所示。热源位于同一材料的两块样品中间。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。当试样上、下两面处于不同的稳定温度下，测量通过试样有效传热面积的热流及试样上、下表面的温度及厚度，应用傅立叶导热方程计算Tm温度时的导热系数。 导热系数λ=Qd/A（（t2-t1）+（t4-t3）） Q:热流稳定后，通过试样的热流量； d:试样厚度； A:试样面积； t2-t1/t4-t3:温度差。 该法误差较小且可用于测定低温导热系数材料（0.02-2.0W/m?K）如塑料、纤维、陶瓷基板、氧化铝瓷、空心玻璃、各种保温材料等匀质板状材料。试样应是均质的硬质材料，两表面应平整光滑且平行。在用该法对不良导体的导热系数测定时，不宜采用厚度较小的不良导体平板作为实验样品。 五、数据处理 1、在内容三所测数据中，选取稳态温度附近10组数据，用逐差法计算散热盘C在稳态T2附近的冷却速率Vc。 根据选取稳态温度附近10组数据 由逐差法计算有Vc={(44.7-42.2)+(44.3-41.6)+(44.1-41.2)+(43.3-40.8)+(42.6-40.5)}/(5*2.5)=1.048℃/min=0.0175℃/s 2、计算出待测样品B的导热系数λ: λ=｛mch B（R c+2h c）/2πR b2 (T1-T2)(R c+h c)｝*(△T/△t) B R c=(9.960+9.958+9.980+9.956+9.942)/(2*5)=4.9796cm=4.9796*10^-2m hc=(0.984+0.986+0.982+0.986+0.982)/5=0.984cm=9.84*10^-3m R b=(9.966+9.950+9.948+9.958+9.956)/(2*5)=4.9778cm=4.9778*10^-2m T1=53.1℃T2=42.3℃ △T/△t=Vc=0.0175℃/s λ={0.669*385*8.332*10^-3*(4.9796*10^-2+2*9.84*10^-3)/2*3.14*(4.9778*10^-2)2*(53.1-42.3) ( 4.9796*10^-2+9.84*10^-3)}*0.0175=0.261 W/m*K 3、求出环氧盘λ的不确定度，给出结果表达式。（只考虑冷却速率误差） 由于比较复杂，过程见实验报告纸。 可得结果为Uλ=0.036 W/m*K∴λ=0.261±0.036 W/m*K 4、分析误差原因。 测量盘的直径与厚度时由于是人为读数，有读数误差，再有环境误差，盘的质量可能由于多次实验有磨损存在误差等等。 5、所有测量数据都要列表。热传导计算
传热学 第3章-非稳态导热分析解法
一维非稳态导热的数值计算
非稳态(准稳态)法测材料的导热性能实验
准稳态法测量比导热系数
一维非稳态导热的数值计算
芯片散热的热传导计算
非稳态法测材料的导热性能 实验报告
实验指导书(准稳态法测定材料的导热系数)
稳态法测量材料的导热系数
稳态法测导热系数