伴有内热源的瞬态导热

分类:热分析·瞬态导热 | 2026-10-01 改写
CAE visualization for internal heat gen transient theory - technical simulation diagram
伴有内部发热的非定常热传导

理论:直到发热与散热平衡

概述

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内部发热的零件,只要知道最终温度就够了吗?

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往往不够。达到最终(稳态)温度需要时间,如果负载在此之前停止,就到不了稳态温度。反之,像混凝土这样发热随时间减弱时,会在中途出现最高温度。而且表面的冷却方式(毕渥数)会使稳态温度和时间大幅变化。我们以平板为例,计算接近稳态的速度,以及水化热加热的厚混凝土的最高温度。

控制方程与稳态解

$$ \rho c\frac{\partial T}{\partial t} = k\frac{\partial^2 T}{\partial x^2} + \dot q,\qquad \theta_{ss}(0) = \frac{\dot q L^2}{2k}\left(1 + \frac{2}{Bi}\right),\quad Bi = \frac{hL}{k} $$

$L$ 为半厚,$h$ 为表面换热系数。表面温度恒定相当于 $Bi \to \infty$。毕渥数越小,表面本身的温升叠加上去,中心稳态温度越高。

表面温度恒定时的级数解

$$ \frac{\theta(0,t)}{\theta_{ss}(0)} = 1 - \frac{32}{\pi^3}\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{(2n+1)^3}\exp\!\left[-\frac{(2n+1)^2\pi^2}{4}Fo\right],\qquad Fo = \frac{\alpha t}{L^2} $$
Coffee Break 随笔闲谈

给大坝混凝土降温

1930年代美国胡佛水坝建设中,大量混凝土的水化热成了大问题。据估算,若任其凝固,内部完全冷却需要一百多年,其间收缩会开裂。于是在混凝土中埋入冷却钢管通冷水散热,并分块浇筑。这是发热与导热计算决定巨型结构施工方法的例子。如今大体积混凝土仍用同样思路防止温度裂缝。

算例

例1:接近稳态的速度(表面温度恒定)

相对稳态比例傅里叶数半厚0.2 m·α 7×10⁻⁷ m²/s
50%0.2944.7 小时
90%0.94615.0 小时
99%1.87929.8 小时

差分法(200等分)求解达到90%时Fo = 0.947,与级数解一致。

例2:表面冷却方式的影响

毕渥数稳态中心温升(表面温度恒定时的倍数)达到90%的傅里叶数
∞(表面温度恒定)1.00.95
101.21.14
13.03.12
0.12123.8

例3:大体积混凝土的水化热

绝热温升40 K,发热按1天时间常数指数衰减,热扩散率1.0×10⁻⁶ m²/s,两面保持浇筑时温度。

厚度中心最高温升达到最高的时刻
0.5 m8.6 K0.5 天
1 m19.4 K1.1 天
2 m31.6 K2.2 天
4 m38.5 K4.1 天
🙋

厚4 m时几乎与绝热状态的40 K没有差别。

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热量逃到表面所需时间以半厚平方除以热扩散率为参考,厚4 m时约46天。发热几天内就结束,其间几乎不散热,接近绝热状态升温。厚0.5 m时同样时间约0.7天,热量与发热同时散出,温升只有8.6 K。厚构件中心升高近40 K,表面却被外界空气冷却,内外温差使表面受拉,容易开裂。所以要埋冷却管、使用低热水泥或分层浇筑。

分析要点

  1. 先用L²/α把握时间尺度,与负载时间比较。
  2. 用毕渥数考虑表面条件,毕渥数小时稳态温度和时间都大幅变化。
  3. 发热随时间或温度变化时要输入相应函数(水化热、电池发热等)。
  4. 同时评估最高温度和内外温差。
  5. 先用有解析解的问题确认代码,再求解实际形状。
Coffee Break 随笔闲谈

“短时间超额定也没事”

电线和电机绕组短时间通过超过额定的电流往往不会烧坏,因为即使发热增加,温度接近稳态也需要时间。电线的短时允许电流正是用这种瞬态计算确定的。反之,冷却差的地方(毕渥数小)稳态温度更高,达到也更慢,试验时间短就会误判最终温度。温度试验时间原则上要取时间常数的数倍以上。

常见错误

错误与对策

错误后果对策
只评估稳态高估短时负载按瞬态求解
试验时间短低估最终温度取时间常数数倍
假设表面温度恒定温度估低按毕渥数判断
发热设为常数最高温度算错考虑随时间变化
不看内外温差漏掉开裂也评估热应力
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