[科普中国]-二维非稳态传热-

简介维度

当一块平板的长度、宽度远大于厚度时，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，可简化成一维传热问题。物体的温度随二维面上的位置变化而变化，则属二维传热问题。

对于典型的几何形状的物体，可利用一维非稳态传热问题分析解的组合求得。无限长方柱体的非稳态传热问题，属二维非稳态传热问题。

非稳态传热非稳态传热是指物体的温度随时间而变化的导热过程。各种热力设备在启动、停机、工况改变时的传热过程则属非稳态传热过程。工程上和自然界存在着大量的非稳态传热过程，如房屋墙壁内的温度变化、炉墙在加热（冷却）过程中的温度变化、物体在炉内的加热或在环境中冷却等。

非稳态传热过程中在热量传递方向上不同位置处的传热量是处处不同的；不同位置间传热量的差别用于(或来自)该两个位置间的物体内能随时间的变化，这是区别于稳态传热的一个特点。因此，对非稳态传热一般不能用热阻的方法来作问题的定量分析。正在变凉的开水通过杯子的传热过程就是非稳态传热热。

典型应用墙体保温分析建筑能耗约占全社会商品能耗的30%，而建筑耗热中，热桥耗热已经占到总能耗的20%左右，因此，对于热桥处的热量损失规律的研究具有重要意义。

玻璃使用范围广，损耗多，若丢弃的废玻璃不能有效地回收利用，不仅浪费资源，还将对环境造成污染，因此，加强对废玻璃的回收再利用意义重大。废玻璃回收可转化为再生轻石材料，具有保温、隔热等特性，经其制作成的保温墙板和砌块对于优化建筑节能有重要作用。

研究表明，当墙体的高度达到厚度的10倍以上时，在垂直方向的温度场可以近似看作为恒定不变，物体传热过程可以用二维传热理论进行分析。文献1将废玻璃再生轻石制成的保温砌块或保温墙板作为构造层加入外墙保温体系中,以混凝土框架柱热桥为研究对象,选取武汉地区冬季典型日的气象数据,采用二维非稳态传热理论,通过有限元分析软件ANSYS对框架柱热桥处墙体内表面温度随时间变化的规律进行模拟分析,从而对该种保温材料用于外墙保温体系中的适用性给予科学经济的评价,并为相关的建筑节能计算提供参考.

文献2则采用有限元法对节能建筑复合墙体热桥进行二维非稳态传热分析.计算结果表明:冬季采用墙体外保温时墙体的重质承重部分和构造柱能够保持较高的内部温度,对建筑主体结构起到良好的保护作用,且热桥漏热损失小;内保温墙体由于保温层不连续,热桥部位的传热损失是外保温方式的3倍,采暖负荷计算时应该进行热桥传热修正,在我国北方热桥较多的小开间的采暖居住建筑中应慎重采用.

晶硅铸锭分析目前大规模生产太阳电池用晶硅材料主要采用定向凝固技术。在晶硅铸锭凝固和退火的过程中，由温度场变化引起的不均匀热变形是产生铸锭内热应力的主要原因。热应力会造成铸锭内位错缺陷的增殖，进而影响太阳电池的光电转换效率。因此，对晶硅铸锭内热应力的研究十分必要。

文献3针对工业用晶硅铸锭定向凝固炉建立二维非稳态全局传热模型和热应力模型,对比分析两种弹性系数模型在晶硅生长、退火和冷却过程中对晶硅铸锭内部热应力场模拟结果的影响.研究表明,不同阶段铸锭内部的热应力分布变化显著;弹性系数的选取对于铸锭内热应力分布趋势影响不大,但对生长阶段和冷却阶段铸锭内的热应力大小有显著影响.

焚烧炉分析文献4建立了层燃式焚烧炉中垃圾团块的圆柱状多孔介质模型，得到了不同烟速、烟温和不同垃圾尺寸下的轴向、径向有效导热系数，并用二维非稳态传热分析方法，求得了垃圾团块内部的温度场和中心点的升温时间曲线。

U型埋管分析地下U型埋管换热器及其周围回填材料和土壤传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程：一方面，换热器的埋管方式、土壤及回填材料特性、地下水文参数及地面气象参数均影响着整个传热过程；另一方面，传热过程又与地面热泵机组的运行特性相互影响．因此现有各种U型埋管换热器及其周围土壤传热模型均是在一定假设基础上建立的。

文献5针对垂直U型换热器埋管及其周围回填材料和土壤传热过程,建立了将U型管壁的边界换热取为第三类对流换热条件的二维非稳态传热模型,并对处于土壤恒温区某一深度的动态传热特性,尤其是热流规律进行了数值模拟研究.分析结果表明,各处瞬时热流随时间推移存在不规则情况阶段、正常情况阶段以及准稳态阶段.各处进入准稳态阶段的时间主要取决于回填材料和土壤的热扩散系数,而准稳态阶段热流变化规律仅与导热系数有关,这对土壤导热系数现场测试具有重要的理论指导意义.

相关专利发明专利6涉及一种大型原油浮顶储罐非稳态传热过程数值模拟方法，解决了现有数值模拟研究无法全面反映相关因素对大型浮顶油罐温度场的影响规律的问题。具体采用网格生成技术建立的大型浮顶原油储罐内油品传热过程的数学模型，能够最大限度地保证数值模拟过程与实际工况相吻合；并运用迭代的方法对该模型进行求解，其具有简单、灵活以及通用性强的特点，容易在计算机上实现，既能保证计算效率，又能节约时间。该发明专利以原油储罐过轴线的剖面为研究对象，建立储罐二维非稳态传热数值模型。