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半无限大物体的瞬态导热

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重点内容:

半无限大物体几何和物理的概念。

 

一、半无限大物体的概念

所谓半无限大,是指以y-z平面(即x=O平面)为唯一界面,在x方向(或正或负)上无限延伸的物体。显然工程实际中并不存在这种具有无穷大尺寸的理想化物体。

这个概念不应该看作仅仅是一个几何概念,它更是一个物理概念。它的现实意义在于,虽然许多工程中用的实际物体并非无限大,或者无限厚,但在一定时间限度以内,边界面处的温度扰动只来得及传播到有限深度。在这个深度以外,物体仍保持原有状态(即初始状态)。于是,在这个时间限度以内可以把有限厚度物体视为半无限大。

 

二、数学模型及解

图中为一半无限大物体在常热流通量作用下的瞬态非稳态导热(第三类边界条件)。

数学模型:

分析解:

其中称为高斯误差补函数的一次积分,

是高斯误差补函数。

 

三、分析

温度响应的比较见图所示。                                  

1、热流渗透厚度

热流渗透厚度定义为,它是随时间而变化的,它反映在所考虑的时间范围内,界面上热作用的影响所波及的厚度。在实际工程中,对于一个有限厚度的物体,在所考虑的时间范围内,若渗透厚度小于本身的厚度,这时可以认为该物体是个半无限大物体。

2、壁面温度与热流密度

该式可在工程中用于确定地下建筑物预热过程的预热时间与加热规律间的关系。例如地下建筑物四周壁面可看作为半无限大物体,在预热期中,壁面温度随着加热时间的延长面上升,根据预热要求的壁面温度和规定的加热时间,预热期的加热负荷可以按上式计算。

 

四、基本要求

了解半无限大物体非稳态导热过程的特点、渗透厚度的意义。

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