用傅里叶定律分析无限大平行平板中的准稳态

从傅里叶定律和比热容的定义出发,分析了第二类边界条件下,无限大平行平板中发生的准稳态过程.由此说明了当平板内热流密度函数为线性时,平板处于"稳定平衡"的传热状态.计算出的温度分布函数及导热系数公式与传统解偏微分方程的方法得到的结果一致.

液氮罐内低温氮气的温度场研究

对装有少量液氮的液氮罐内的温度分布进行了系统研究,提出了相应的温度分布模型。研究表明,在10 L容积的液氮罐内注入少量液氮时,罐内温度可保持低于-130℃持续约25天,适用于多种场合的超低温保存。通过调节距离液氮面的高度,可选择保存样品的温度范围并控制样品的升降温速度。理论计算的温度分布与测量的结果符合较好,证实了所建立模型的合理性和有效性。

稳态“冷源”法对冰的导热系数测量系统研究

本文基于稳态“冷源”法设计了一种实现在常温环境下测量冰的导热系数的实验装置.结果表明,该系统对冰的导热系数测量准确,重复性好,操作简单,成功率高,应用前景广阔.该研究也是大学物理实验教学中“物体导热系数的测定”实验的拓展,对促进实验教学以及冰这一物质的研究具有重要意义.

地埋管地源热泵水泥基回填材料导热系数预测模型

针对水泥基材料导热系数模型的研究较少的现状,为了给水泥基材料的开发与研究提供一种可应用的导热系数计算方法,根据水泥基材料的成分组成和物理结构,应用傅里叶导热定律,建立了固-液-气三相导热系数预测模型。并基于地埋管地源热泵水泥基回填材料进行了参数识别,得到了适用于水泥基回填材料的参数取值方法和取值组合。该模型可以预测骨料含量(砂灰比)、水灰比(孔隙率)、饱和度、单相成分导热性能等多因素对导热系数的影响。在常见配比范围内,不同孔隙率下的导热系数预测误差在1.49%~5.94%之间,饱和状态不同砂灰比(骨料含量)下的导热系数预测误差在1.49%~15.26%之间。总体上预测精度较高,涵盖了较大范围配比,满足工程应用和科研需求;同时,该模型预测精度显著高于两种经典的导热系数计算模型,且可通过参数识别得到不同用途水泥基材料的最优参数取值,具有更好的普适性。

四氧化二氮非稳态导热模型研究

四氧化二氮沸点和冰点的范围较窄,在低温状态下容易凝结为固体。本文根据傅里叶定律和牛顿冷却公式,对圆柱管道内四氧化二氮非稳态导热进行了研究,对低温状态下四氧化二氮的贮存有一定的参考价值。

金属纳米薄膜中稳态非傅里叶导热的实验

作为传热学理论的基本规律,傅里叶定律对于常规条件下的导热都是适用的.针对瞬态条件下的热波现象和非傅里叶导热已有不少理论和实验研究.近年来,热质理论指出在低温、极高热流密度的稳态条件下也会出现非傅里叶导热现象,其物理本质是热质惯性力作用不可忽略的体现.利用液氦制冷系统,在低温环境中对大电流加热条件下金属纳米薄膜中的导热过程进行实验研究,实验中可以产生高于1×1010Wm-2的热流密度.通过对不同金属纳米薄膜样品的重复测量,结果显示金属纳米薄膜平均温度明显高于傅里叶定律的预测值,并且温差随着热流密度的增加、环境温度的减小而逐渐增加,表明非傅里叶导热现象的存在,同热质理论的预测规律一致.

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理.

热质

热是介质分子无规运动的能量。按爱因斯坦的质能关系式可求得热能所当量的质量,称为热质。从参量热流密度中可导出热质速度,建立了声子气(热质气)的状态方程后可求得热质运动的驱动力。鉴于热量在介质中传递本质上是热质在介质中的运动,所以基于热质守恒与热质动量守恒的热质运动方程,能普适地描述热量传递过程,因此它就是普适导热定律。当热流密度不是很大时,普适导热定律退化为傅里叶导热定律;当瞬态热流很大但忽略空间惯性力时,普适导热定律退化为CV(Cattaneo-Vernotte,CV)模型;而当稳态热流密度很大时,普适导热定律退化为有空间惯性力项的稳态导热定律,它表明稳态导热情况下也会出现非傅里叶导热。

基于多层平面壁热传导模型的高温作业专用防护服优化设计研究

本文围绕高温作业专用防护服优化设计问题,建立了多层平面壁热传导模型,使用温度场的集中参数法,结合导热微分方程与傅里叶定律实现了对高温作业专用防护服优化设计问题的求解。首先我们将防护服受热过程分成非稳定热传递和稳定热传递两个过程,结合稳定状态时隔热服热传导率处处相等的物理规律求出稳态时各层温度。接着优化热传导模型,将人体看作是一层特殊的隔热系统,应用傅里叶定律以及已建立的多层平面壁热传导模型进行数据求解。该模型不仅适用于化工隔热服的设计问题,而且适用于其他具有热力学性质的多层平面壁热传导问题。

高温作业专用服装传热问题的研究

本文针对高温作业专用服装设计的问题进行探讨,运用了傅里叶热传导定律、拉普拉斯变换方法和穷举法,建立了半无限长细杆导热模型、基于MATLAB穷举法的厚度优化模型,得出了高温工作服四层材料(包括人体与服装间隙)在高温环境下的温度分布求法以及在给定的温度环境和工作时间限制下,确定满足实际科研目标的一层及多层可变材料最优厚度的有效方法,提出合理的厚度优化建议。

基于传热微分方程模型探究高温专用服装温度分布

针对高温专用服装的设计问题,在傅里叶导热定律的基础上,利用分离变量等方法,建立了传热微分方程模型,得到了指定条件下高温作业专用服装的温度分布。

高热流密度下悬架单壁碳管的热量传递特性

极高热流密度条件下导热机理的探索对于纳米器件的发展具有指导意义。本文在173.2 K至室温之间,利用拉曼光谱测量了高热流密度加热条件下悬架单根单壁碳纳米管的温度分布.实验中最大热流密度达到3.18×10^(11)W/m^2.利用傅里叶导热定律和理论公式估计得到碳管的最大热导率为3486.9 W·m^(-1)K^(-1),与文献值吻合,证明在实验中的极高热流密度条件下,傅里叶导热定律依然适用.