传热学数值计算名词解释

传热学数值计算大作业

一选题

《传热学》第四版P179页例题 4-3

二相关数据及计算方法

1．厚2δ=0.06m的无限大平板受对称冷却，故按一半厚度作为模型进行计算

2. δ=0.03m，初始温度t0=100℃,流体温度t∞=0℃；

λ=40W/(m.K),h=1000W/(m

2

.K),Bi=h*△x/λ=0.25；

3.设定Fo=0.25和Fo=1两种情况通过C语言编程（源程序文件见附件）进行数值分析计算；

当Fo=0.25时，Fo<1/(2*(1+Bi)),理论上出现正确的计算结果； 当Fo=1时，Fo>1/(2*(1+Bi))，Fo>0.5,理论上温度分布出现振荡，与实际情况不符。

三网格划分

将无限大平面的一半划分为6个控制体，共7个节点。 △x=0.03/N=0.03/6=0.005，即空间步长为0.005m

四节点离散方程

绝热边界节点即i=1时，tij+1=2Fo△ti+1j+(1-2Fo△)tij 内部节点即0

tij+1=tij（1-2Fo△Bo△-2Fo△）+2Fo△ti-1j+2Fo△Bo△tf

五温度分布线图（origin）

六结果分析

1 空间步长，时间步长对温度分布的影响

空间步长和时间步长决定了Bo和

数值计算大作业

一、用数值方法求解尺度为100mm×100mm的二维矩形物体的稳态导热问题。物体的导热系数λ为1.0w/m·K。边界条件分别为： 1、上壁恒热流q=1000w/m2; 2、下壁温度t1=100℃； 3、右侧壁温度t2=0℃; 4、左侧壁与流体对流换热，流体温度tf=0℃，表面传热系数 h分别为1w/m2·K、10 w/m2·K、100w/m2·K和1000 w/m2·K;

q=1000 w/m2

h；tf

t2

t1

要求：

1、写出问题的数学描述；

2、写出内部节点和边界节点的差分方程； 3、给出求解方法；

4、编写计算程序(自选程序语言)；

5、画出4个工况下的温度分布图及左、右、下三个边界的热流密度分布图； 6、就一个工况下（自选）对不同网格数下的计算结果进行讨论； 7、就一个工况下（自选）分别采用高斯迭代、高斯——赛德尔迭代及松弛法（亚松弛和超松弛）求解的收敛性（cpu时间，迭代次数）进行讨论； 8、对4个不同表面传热系数的计算结果进行分析和讨论。

9、自选一种商业软件（fluent、ansys等）对问题进行分析，并与自己编程计算结果进行比较验证（一个工况）。（自选项）

1、写出问题的数学描述 设H=0.1m

?2t

二维稳态导热数值计算,matlab

传热学

二维稳态导热问题的数值解法

杨达文2011151419 赵树明2011151427 杨文晓2011151421 吴鸿毅2011151416

二维稳态导热数值计算,matlab

第一题：

a=linspace(0,0.6,121); t1=[60+20*sin(pi*a/0.6)]; t2=repmat(60,[80 121]); s=[t1;t2]; %构造矩阵

for k=1:10000000 %理论最大迭代次数，想多大就设置多大 S=s;

for j=2:120 for i=2:80

S(i,j)=0.25*(S(i-1,j)+S(i+1,j)+S(i,j-1)+S(i,j+1)); end end

if norm(S-s)<0.0001

break; %如果符合精度要求，提前结束迭代 else s=S; end end

S %输出数值解

数值解数据量太大，这里就不打印出来，只画出温度分布。

画出温度分布： figure(1)

xx=linspace(0,0.6,121); yy=lin

二维稳态导热数值计算,matlab

传热学

二维稳态导热问题的数值解法

杨达文2011151419 赵树明2011151427 杨文晓2011151421 吴鸿毅2011151416

二维稳态导热数值计算,matlab

第一题：

a=linspace(0,0.6,121); t1=[60+20*sin(pi*a/0.6)]; t2=repmat(60,[80 121]); s=[t1;t2]; %构造矩阵

for k=1:10000000 %理论最大迭代次数，想多大就设置多大 S=s;

for j=2:120 for i=2:80

S(i,j)=0.25*(S(i-1,j)+S(i+1,j)+S(i,j-1)+S(i,j+1)); end end

if norm(S-s)<0.0001

break; %如果符合精度要求，提前结束迭代 else s=S; end end

S %输出数值解

数值解数据量太大，这里就不打印出来，只画出温度分布。

画出温度分布： figure(1)

xx=linspace(0,0.6,121); yy=lin

传热学

摘要：

传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。生成生活中，传热学应用广泛存在。对传热学的研究虽然由来已久，但其任然有着活力，虽然目前在一些行业取得了一定的成功，但是任然任重而道远，特别是当今基础工业，装备行业快速发展的时代犹是如此。

关键词：传热学 温度差 装备

一 传热学的发展

传热现象在我们的日常生活中十分普遍，不管是冬天取暖，还是夏天吹凉，不管是家里烧水，亦或是工厂炼油换热等，所有的这些现象无不包涵着传热学的相关知识。

早在1822年, 傅里叶根据大量的实验观察总结出了著名的导热公式即傅里叶导热定理，并在他的划时代名著—《热的解析理论》中通过严密的数学演绎奠定了现有热传导理论基础。从傅里叶导热定理出发,可以导出多维稳态和瞬态热传导方程[1]。由于对流换热的复杂性,人们更多的是采用实验的方法,其主要思路是利用N一S方程和能量方程,导出一些无量纲参数,利用大量的实验数据,拟合出无量纲数之间的准则关系式,并且根据相似理论,对相似理论进行推广使用来求解。 Prandil观察到对流过程中在贴近壁面处有一蠕动的薄层,大胆提出了边界层理论,使得流体力学基本问题得到解决,对流换热的研究从而进人了理论化阶段。

热传递的三种基本方式

四、非线笥问题迭代式解法的收敛性

每一层次上满足迭代法求解的收敛条件+相邻次间代数方程的系数变化不太大（亦即未知量的变化不太大←多数情形下非线性问题迭代式解法是可以收敛的）。

使相邻两层次间未知量变化不太大的措施： 1、欠松弛迭代 常用逐次欠弛线迭法（SLUR）：一组临时系数下逐线迭代求解+对所得的解施以欠松弛，再用欠松弛后的解去计算新的系数，常数，以进入下一层次的迭代。

实施：常把欠松弛处理纳入迭代过程，而不是在一个层次迭代完成后再行欠松弛。

t(pn?1)?t(pn)??(ap?anbtnb(n)?tp) apapt(pn)

(?)t(pn?1)??anb?tnb?b?(1??)?a'pt(pn?1)??anbtnb?b'

a'p?ap?,b'?b?(1??)(ap?)t(pn)，用交替方向线迭代法求解这一方程，就实现了SLUR

的迭代求解。为一般化起见，上式中tnb上没有标以迭代层次的符号（J，GS时不相同）。 2、采用拟非稳态法

前面已指出，稳态问题的迭代解法与非稳态问题的步进法十分相似。对于非线性稳态问题，从代数方程的一组临时系数进入到另一组临时系数亦好象非稳态问题前进了一个时间层，非稳态问题的物理特性：系数热惯性越大（ap??c?v

四、非线笥问题迭代式解法的收敛性

每一层次上满足迭代法求解的收敛条件+相邻次间代数方程的系数变化不太大（亦即未知量的变化不太大←多数情形下非线性问题迭代式解法是可以收敛的）。

使相邻两层次间未知量变化不太大的措施： 1、欠松弛迭代 常用逐次欠弛线迭法（SLUR）：一组临时系数下逐线迭代求解+对所得的解施以欠松弛，再用欠松弛后的解去计算新的系数，常数，以进入下一层次的迭代。

实施：常把欠松弛处理纳入迭代过程，而不是在一个层次迭代完成后再行欠松弛。

t(pn?1)?t(pn)??(ap?anbtnb(n)?tp) apapt(pn)

(?)t(pn?1)??anb?tnb?b?(1??)?a'pt(pn?1)??anbtnb?b'

a'p?ap?,b'?b?(1??)(ap?)t(pn)，用交替方向线迭代法求解这一方程，就实现了SLUR

的迭代求解。为一般化起见，上式中tnb上没有标以迭代层次的符号（J，GS时不相同）。 2、采用拟非稳态法

前面已指出，稳态问题的迭代解法与非稳态问题的步进法十分相似。对于非线性稳态问题，从代数方程的一组临时系数进入到另一组临时系数亦好象非稳态问题前进了一个时间层，非稳态问题的物理特性：系数热惯性越大（ap??c?v

一、（10分）如图所示的墙壁，其导热系数为50W/(m·K),厚度为50mm，在稳态情况下的墙壁内的一维温度分布为：t?200?2000x2，式中t的单位为℃，x单位为m．试求：

(1)墙壁两侧表面的热流密度；

(2)墙壁内单位体积的内热源生成的热量。

解：(1)由傅立叶定律：

q?Φdt??????(?4000x)?4000?xW/m2 AdxO x t ??50mm t?200?2000x2(2分)

所以墙壁两侧的热流密度：

(2)由导热微分方程

qx?0?4000??0?0W/m2 qx???4000?50?0.05?10000W/m2

d2tqv??0 dx2?(2分) (2分) (2分)

得：

d2tqv???2???(?4000)?4000?50?200000 W/m3

dx(2分)

二、（10分）用热电偶来测量气流的温度，热电偶结点可近似看作圆球，若气流和热电偶结点间的对流表面传热系数h?400W/(m2·K)，比定压热容CP?400 J/(kg·K)，密度??8000kg/m3。

（1）若时间常数为一秒，求热电偶结点的直径？

（2）若将初温为25℃、时间常数为1秒的热电偶放入200℃

ht0.doc 绪论 １

绪 论

传热学是研究热量传递过程规律的科学。

自然界和生产过程中，到处存在温度差，热量将自发地由高温物体传递到低温物体，热传递就成为一种极为普遍的物理现象。因此，传热学有着十分广泛的应用领域。就各类工业领域而言，诸如，锅炉和换热设备的设计以及为强化换热和节能而改进锅炉及其他换热设备的结构；化学工业生产中，为维持工艺流程的温度，要求研究特定的加热、冷却以及余热的回收技术；电子工业中解决集成电路或电子仪器的散热方法；机械制造工业测算和控制冷加工或热加工中机件的温度场；交通运输业在冻土地带修建铁路、公路；核能、航天等尖端技术中也都存在大量传热问题需要解决；太阳能、地热能、工业余热利用及其他可再生能源工程中高效能换热器的开发和设计等；应用传热学知识指导强化传热或削弱传热达到节能目的；其他如农业、生物、医学、地质、气象、环境保护等部门，无一不需要传热学。因此，传热学已是现代技术科学的主要技术基础学科之一。近几十年来，传热学的成果对各

平顶山工学院2006—2007学年第二学期期末考试

《传热学》试题（A卷）答案

一、填空题(每空1分，共20分)

1、某物体温度分布的表达式为t=f(x ,y,τ),此温度场为二维（几维）、非稳态（稳态或非稳态）温度场。

2、当等温线图上每两条相邻等温线的温度间隔相同时，等温线的疏密可以直观地反映出不同区域导热热流密度的相对大小。

3、导热微分方程式是根据能量守恒定律和傅里叶定律建立起来的导热物体中的温度场应当满足的数学表达式。

4、工程上常采用肋片来强化传热。

5、换热器传热计算的两种方法是平均温差法和效能-传热单元数法。

6、由于流动起因的不同，对流换热可以区别为强制对流换热与自然对流换热。

7、固体表面附近流体温度发生剧烈变化的薄层称为温度边界层或热边界层，其厚度定义为以过余温度为来流过余温度的99%处。

8、判断两个现象相似的条件是：同名的已定特征数相等；单值性条件相似。

9、凝结有珠状凝结和膜状凝结两种形式，其中珠状凝结有较大的换热强度，工程上常用的是膜状凝结。

10、遵循兰贝特定律的辐射，数值上其辐射力等于定向辐射强度的π倍。

11、单位时间内投射到表面的单位面积上总辐射能为投入辐射，单位时间内离开表面单位面积的总辐射能为该表面的