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传热模拟器

毕奥数模拟器 — 瞬态传热的集中热容模型判定

基于对流换热系数 h、固体导热系数 k、特征长度 L_c、热扩散率 α,实时计算毕奥数 Bi = h L_c / k、集中热容模型的适用区域、冷却时间常数 τ = ρc_p L_c / h,以及 t = τ 时的无量纲残差 T/T_0 = exp(−1)。配合固体断面的温度梯度图与 Bi 区域图,可直观判定集中热容近似是否适用。

参数设置
对流换热系数 h
W/m²·K
固体导热系数 k
W/m·K
特征长度 L_c
mm
热扩散率 α
×10⁻⁶ m²/s

默认值为钢块(自然对流 h = 100 W/m²·K,k = 50 W/m·K,L_c = 25 mm,α = 13 × 10⁻⁶ m²/s)。ρc_p = k / α 由程序内部计算。判据:Bi < 0.1(集中热容)、0.1 ≤ Bi ≤ 10(分布解析)、Bi > 10(表面集中近似)。

计算结果
毕奥数 Bi = hL/k
适用区域
时间常数 τ
t = τ 时 T/T_0
固体内部温度梯度(断面图)

固体(球)断面以颜色梯度表示温度/Bi 越小颜色越均匀(lumped 近似)/Bi 越大中心与表面颜色差越显著/箭头表示外部对流 h 与内部导热 k,二者比值即 Bi。

毕奥数区域图(Bi 响应)

横轴=Bi(对数,0.01〜100)/纵轴=无量纲残差 ε = T/T_0 at t = τ/绿=集中热容区域(Bi<0.1)/黄=分布解析区域(0.1<Bi<10)/红=表面集中区域(Bi>10)/黄竖线=当前 Bi。

理论与主要公式

在瞬态传热中,毕奥数决定固体内部是否可视为温度均匀。

毕奥数(内部 vs 表面阻力之比):

$$\mathrm{Bi} = \frac{h\,L_c}{k}$$

集中热容模型的时间常数(ρc_p = k / α):

$$\tau = \frac{\rho c_p\,V}{h\,A_s} = \frac{\rho c_p\,L_c}{h} = \frac{k\,L_c}{h\,\alpha}$$

傅里叶数(无量纲时间):

$$\mathrm{Fo} = \frac{\alpha\,t}{L_c^{\,2}}$$

集中热容模型的温度响应:

$$\frac{T(t)-T_\infty}{T_0-T_\infty}=\exp(-\mathrm{Bi}\cdot\mathrm{Fo})=\exp\!\left(-\frac{t}{\tau}\right)$$

$h$ 为对流换热系数 [W/m²·K]、$k$ 为固体导热系数 [W/m·K]、$L_c = V/A_s$ 为特征长度 [m]、$\alpha = k/(\rho c_p)$ 为热扩散率 [m²/s]。判据:Bi < 0.1 集中热容、0.1 ≤ Bi ≤ 10 分布解析、Bi > 10 表面集中近似。

关于毕奥数模拟器

🙋
传热课上学过「Bi < 0.1 就可以用集中热容模型」,但 Bi 到底是哪两个量的比值?
🎓
简单说,Bi = h L_c / k 是「固体内部导热阻力 L_c / k」与「表面对流换热阻力 1 / h」的比值。Bi 越小说明表面阻力占主导,传热被表面卡住,内部温度自然趋于均匀。本工具的默认值是钢块(k = 50, L_c = 25 mm)在自然对流(h = 100)下冷却,Bi = 0.05,安心地落在集中热容区域。
🙋
显示时间常数 τ = 16.0 min,是说零件 16 分钟就冷却完了吗?
🎓
不完全是。τ 是温差降到初始值 1/e ≈ 36.8% 所需的时间。t = τ 时 T/T_0 = exp(-1) = 0.368;t = 3τ 时约为 5%;t = 5τ 时小于 1%。工程上常用「3τ 实用冷却完成,5τ 完全冷却」。所以 25 mm 钢块在静止空气中需要约 1 小时才能冷却 95%。
🙋
区域图中 Bi 大时为何会进入红色「表面集中」区?
🎓
当 Bi > 10 时,表面对流阻力不到内部阻力的 10%,表面瞬时与流体温度平衡。例如油淬(h ≈ 1000)铜块(k = 400)Bi = 0.25 还好,但换成绝热陶瓷(k = 2),Bi 跳到 50 — 表面冷得很快但中心严重滞后。在本工具中设置 k = 2、h = 5000、L_c = 200 mm 时 Bi 达 500,深入红色表面集中区域。
🙋
L_c 滑块直接输入 mm,如何根据自己的零件确定?
🎓
标准用 L_c = V / A_s(体积/表面积)。无限大平板 L_c = 半厚 t/2;长圆柱 L_c = r/2;球 L_c = r/3。例如直径 30 mm 的球 L_c = 5 mm(= 30/2/3),30 mm 厚平板 L_c = 15 mm。同样材料和对流条件下,球的 Bi 只有平板的 1/3,集中热容近似可以撑得更久。本工具直接输入 L_c,请先按几何计算 V / A_s 再填入。

常见问题

Bi = h L_c / k 是「固体内部导热阻力」与「表面对流换热阻力」的比值。当 Bi < 0.1 时内部阻力不超过表面阻力的 10%,固体内部温差小于其与流体温差的 5%。这一阈值在 1950 年代由球体精确解推出,作为「中心与表面温差 ≤ 5%」的实用判据,已被 ASME 等传热手册采纳为标准。本工具改变 L_c 跨越 Bi = 0.1 时,固体断面的温度颜色梯度(中心与表面温差)会明显改变。
集中热容模型中 τ = ρc_p L_c / h 是「整体对流冷却的时间尺度」,即固体将热量整体释放给流体所需的时间。另一方面 L_c² / α 是「热量在内部扩散的时间尺度」,两者由 Bi 关联(τ_diff / τ = Bi)。当 Bi = 0.05 时扩散时间仅为对流时间的 5%,内部瞬时达到平衡,集中热容模型成立;当 Bi = 10 时扩散时间反而是 10 倍,中心温度严重滞后于表面,需要分布解析。默认钢块(L_c = 25 mm)的 τ 约为 16 分钟。
Bi > 10 时表面对流阻力不到内部阻力的 10%,表面温度瞬时与流体温度相等。剩下的冷却问题简化为以表面温度为边界条件的纯导热问题,对流系数 h 从方程中消失。油淬钢块(h ≈ 1000 W/m²·K)是典型例子:表面立即达到油温,之后内部冷却完全由 α 和 L_c² 决定。本工具中设置 h = 5000、L_c = 200 mm 时 Bi = 20,可在区域图上看到落入红色表面集中近似区域。
标准定义为 L_c = V / A_s(体积 / 表面积)。无限大平板的 L_c = t/2(半厚),长圆柱 L_c = r/2,球 L_c = r/3。这样的统一定义让 Bi 数值无视形状即可比较「内部 vs 表面阻力」。例如直径 30 mm 的球与厚度 30 mm 的平板,同样 h 和 k 下 Bi 相差约 3 倍,平板先离开集中热容区域。本工具不区分形状,请根据具体几何先计算 V / A_s 再填入滑块。

实际应用

金属热处理(淬火与回火)冷却设计:SUS304 圆柱(k = 15 W/m·K)油淬(h ≈ 1000 W/m²·K)时,L_c = 10 mm 给出 Bi = 0.67(需要分布解析);L_c = 2 mm 销钉 Bi = 0.13(临界);L_c = 0.5 mm 细丝 Bi = 0.033(集中热容可用)。在本工具输入实际零件尺寸即可立刻判断是否能用简易模型,或必须做 CAE 瞬态仿真。若 Bi = 1 仍误用集中热容,中心温度误差超过 30%,直接导致淬火硬度不均。

电子元件与 LED 热分析:硅芯片(k = 130 W/m·K)1 × 1 × 0.5 mm 的 die 有 L_c ≈ 0.17 mm,静止空气(h = 10)下 Bi = 1.3 × 10⁻⁵,强制风冷(h = 100)下 Bi = 1.3 × 10⁻⁴,完美适用集中热容。一般铝制散热器(k = 200、L_c = 10 mm)在风扇冷却(h = 50)下 Bi = 0.0025,依然适用。但若换成廉价塑料外壳(k = 0.3、L_c = 20 mm),同样对流条件下 Bi 跳到 3.3,外壳内部温度梯度变得不可忽略。

食品与药品热处理:豆腐(k ≈ 0.5、L_c = 20 mm)在 100°C 沸水(h = 300)中加热杀菌时 Bi = 12,落在表面集中区域 — 中心达到杀菌温度所需时间远远长于表面加热时间,这正是软罐头食品需要长时间蒸煮的原因。薄火腿(L_c = 2 mm)Bi = 1.2(分布解析);切片培根(L_c = 0.5 mm)Bi = 0.3(临界)。HACCP 杀菌温度与时间表正是建立在这种传热分析之上。

地球科学与建筑传热:岩盘(k = 2.5、α = 1e-6)受日照升温,夜间辐射冷却时表层(L_c = 10 cm,h = 10)Bi = 0.4,属于分布解析区域。表面与 10 cm 下方温度差可达日变化的 30-50%,与野外实测吻合。建筑中保温层(k = 0.04)厚 100 mm、室内侧 h = 8 时 Bi = 20,完全的表面集中近似 — 保温层内部的温度梯度线性地分配室外与室内温差(经典定常状态的典型场景)。

常见误解与注意事项

最常见的误解是「Bi 小就冷却得快」。Bi 只代表内部均匀性指标,不是冷却速度。冷却速度由时间常数 τ = ρc_p L_c / h 决定,h 越大 τ 越小(冷得越快),但 Bi 反而变大。本工具中把 h 从 100 提到 1000,τ 从 16 分钟降到 1.6 分钟(快 10 倍),但 Bi 同时从 0.05 跳到 0.5,由集中热容跨进分布解析区域。两者必须分别看待。

第二个常见错误是「Bi 公式中的 k 是流体的导热系数」。其实 k 是固体的导热系数,h 是表面的对流换热系数,二者属于完全不同的物性。如果误把水的 k = 0.6 代入,Bi 会差很多。滑块标记为「固体导热系数 k」,请务必输入对象固体(钢、铜、保温材料等)的值,而不是周围流体的值。

最后要提醒:不要把 Bi = 0.1 当作硬性边界值。实际在 Bi = 0.1 时表面与中心温差约 5%,对于精密热处理(要求 1% 以内)依然不够。本工具的颜色断面图在 Bi = 0.1 时已能看到轻微梯度。更安全的心智模型是:Bi = 0.01-0.05「安心使用集中热容」、Bi = 0.05-0.2「视精度要求而定」、Bi > 0.2「强烈建议分布解析」。