THE HEAT CONDUCTION EQUATION The Need for Temperature

Transkript

THE HEAT CONDUCTION EQUATION The Need for Temperature
THE HEAT CONDUCTION EQUATION
The Need for Temperature Distribution
Examine Fourier's law
∂T
q& = − λ
x
∂x
(2.1)
∂T
To determine q& we need
x
∂x
∂T
To determine
we need the temperature distribution
∂x
T(x, y, z, t)
1
Based on presentations by professor Latif M. Jiji, The City College of New York
Formulation of the Heat Conduction Equation in
Rectangular Cartesian Coordinates
General case:
• Three-dimensional
• Unsteady state
• Energy generation Eg, examples:
z
• Nuclear element
• Electric energy dissipation in devices
• Metabolic heat production in tissue
y
x
Fig . 2.1
Apply conservation of energy to element dx dy dz during
time dt:
2
Energy added + Energy generated - Energy removed =
Energy change wit hin element
E
in
+E −E
g
out
= ΔE
ak
[J] (2.2)
Express (2.2) in terms of T.
E
in
Energy in by conduction, Ein:
= q& dy dzdt + q& dx dzdt
x
+ q& z dx dydt
y
[J]
(a)
Energy generation, Eg:
E g = Q& zdr dx dy dz dt [J]
(b)
3
Energy out by conduction, Eout
E out = (q& x +
∂ q& x
∂x
+ ( q& +
z
dx)dydzdt + (q& y +
∂ q& z
∂z
∂ q& y
∂y
dy)dxdzdt
(c)
dz)dxdydt
Energy change within the element (accumulation), Δ E
∂U
ΔE =
dt
ak
∂t
(d)
Expressing E in terms of T. Neglecting changes in
kinetic and potential energy
U = mu = u ρ dxdydz
(e)
4
u
= internal energy per unit mass
ρ = density
[J/kg]
• Assume: incompressible material: cv = c p = c
u = cT
∂U
∂T
ΔE =
dt = ρc
dx dydz dt
∂t
∂t
(f)
(g)
Substitute (a), (b), (c) and (g) into (2.2) and dividing
through by dx dy dz dt
−
∂q&
x −
∂x
∂q& y
∂q& z
∂T
&
−
+ Qzdr = ρc
∂y
∂z
∂t
(h)
5
Fourier's law (1.5)
∂T
∂T
∂T
, q& = − λ
q& = − λ
, q& = − λ
x
∂x y
∂y z
∂z
(1.5)
(1.5) into (h)
∂ ∂T
∂ ∂T
∂ ∂T
∂T
&
(λ
) + (λ
) + (λ
) + Q = ρc
zdr
∂x ∂x
∂y ∂y
∂z ∂z
∂t
(2.4)
• (2.4) is the heat conduction equation
• Assume: constant λ
&
⎡ ∂ 2T
ρc ∂ T
∂ 2T
∂ 2 T ⎤ Q zdr
+
+
=
+
⎢
2
2
2 ⎥
λ
λ ∂t
∂y
∂z ⎦
⎣ ∂x
(2.5)
6
a = thermal diffusivity (součinitel teplotní vodivosti)
defined as
conduction
λ
(2.6)
a =
ρc
• NOTE:
storage - accumulation
(1) (2.5) is the differential formulation of the principle of
conservation of energy. Valid at every point in the
material
(2) Limited to isotropic and constant λ
(3) Physical significance of each term:
• The first three terms = net energy conducted in x,
y and z directions
Q& zdr
⎡ ∂ 2T
∂ 2T
∂ 2T ⎤
ρc ∂ T
+
+
+
=
⎢
2
2
2 ⎥
λ
λ ∂t
∂y
∂z ⎦
⎣ ∂x
• The fourth term = energy generation
• The fifth term = energy storage - accumulation7
(4) Simplifications for special cases:
∂T
=0
• Steady state: set
∂t
∂ 2T ∂ 2 T
=
=
0
• One-dimensional: set
∂ y2 ∂z2
• No energy generation: set
Q& zdr = 0
&
(5) Solutions are simplified for constant a, λ and Qzdr
8
The Heat Conduction Equation in
Cylindrical and Spherical Coordinates
• Cylindrical coordinates r , φ , z
⎡1 ∂
1 ∂ 2T ∂ 2T ⎤
∂T
q ′′′
∂T
(r
)+
α⎢
=
+
⎥+
2
2
2
r ∂φ
∂ z ⎦ ρ cp ∂ t
⎣r ∂ r ∂ r
(2.7)
• Spherical coordinates r ,θ , φ
⎡ 1 ∂ 2 ∂T
∂ T ⎤ q′′′ ∂ T
∂ 2T
∂
1
1
+
)⎥ +
α⎢
=
(r
)+
(sinθ
2∂r
2
2
2
2
∂ r r sin θ ∂ φ r sinθ ∂ θ
∂ θ ⎥⎦ ρ c p ∂ t
⎢⎣r
(2.8)
9
Boundary Conditions
Boundary conditions are mathematical equations
describing what takes place physically at a boundary.
To write boundary conditions we must
:
• Select an origin
• Select coordinate axes
• Identify the physical conditions at the boundaries
y
Fig. 2.3 shows four typical
boundary conditions:
(B.C. 1) Specified temperature.
Along boundary (0, y) the
temperature is Tο :
To
insulation
Qq& ′′
W
ox
L
0
convection α,h, T∞
Fig. 2.3
x
10
y
T (0, y ) = To
insulation
(2.9)
To
W
0
L
convection α,h, T∞
Fig. 2.3
(B.C. 2a) Specified flux. The heat flux at
boundary (L, y) is q& . Using
x
Fourier’s law
∂T
2]
q& = − λ
[W/m
(2.10)
x
∂x x = L
(B.C. 2b) Insulated boundary. The boundary at (x,W) is
thermally insulated, q& = 0. Fourier’s law gives
x
∂T
∂y
=0
(2.11)
y =W
11
Qq& ′′
ox
x
(B.C. 3) Convection. Heat is exchanged at the boundary (x,0)
by convection with a fluid at temperature T ∞ .
Equating Newton's law with Fourier's law
y
insulation
∂T
(2.12)
α T − T(x,0) = − λ
∞
∂y y =0
Qq& ′′
[
To
W
0
L
h,T∞
convection α,
]
ox
x
Fig. 2.3
(B.C. 4) Interface. Two different materials
with a perfect interface contact:
Two types of B.C.:
T1
T2
kλ1
λk22
1
x
0
(i) Equality of temperature:
T1 (0,y) = T2 (0,y)
(2.13)
Fig. 2.4
12
(ii) Equality of flux:
−λ
1
∂T1
∂x
= −λ
x =0
2
∂T2
∂x
(2.14)
x =0
Consider the heat equation (2.5)
T1
T2
kλ1
λk22
1
x
0
Fig. 2.4
⎡ ∂ 2 T ∂ 2 T ∂ 2 T ⎤ Q& zdr
1 ∂T
=
+
+
⎢ 2 +
2
2 ⎥
λ
a ∂t
∂y
∂z ⎦
⎣ ∂x
(2.15)
How many conditions are needed to solve this equation?
13

Podobné dokumenty

matematika iii - MATEMATIKA online

matematika iii - MATEMATIKA online integrálem a také zde bude plošný integrál 2. druhu záviset na orientaci plochy. Uvažujme plochu S danou explicitně rovnicí z = f (x, y) nebo parametricky. Definice 14.1. Plochu S danou explicitně ...

Více

Niels Bohr 1885–1962 Bohrův model atomu Max Born 1882–1970

Niels Bohr 1885–1962 Bohrův model atomu Max Born 1882–1970 tedy obecně nemůže měnit spojitě – odtud termín kvantový stav, kvantová mechanika

Více

MATEMATIKA I

MATEMATIKA I studovat tzv. afinní vlastnosti euklidovského prostoru E3 . Euklidovským prostorem E3 přitom budeme rozumět bodový prostor, v němž: • každému bodu A ∈ E3 je jednoznačně přiřazena uspořádaná trojice...

Více

Elektronická forma

Elektronická forma Tepelnou změnu vnitřní energie soustavy lze ukázat při procesu nazývaném tepelná výměna. Při tepelné výměně dochází také ke změně vnitřní energie. Uvažujme soustavu A s vnitřní energií UA a soustav...

Více

Stavové rovnice v teorii regulace

Stavové rovnice v teorii regulace můžeme rovnice (3.21) a (3.22) napsat pomocí maticových operátorů v této formě:

Více

Technický souhrn - Elmet spol. s r.o.

Technický souhrn - Elmet spol. s r.o. potrubí ochlazuje prostor, kterým prochází a může na něm kondenzovat vzdušná vlhkost. Přívodní potrubí se neizoluje. Lze využít přihřátí vstupního vzduchu „odpadním“ teplem z okolí přívodního potru...

Více

d e e f g

d e e f g Pravděpodobnost obsazení dané energetické hladiny E elektronem exponenciálně klesá s rostoucí hodnotou energie E této hladiny. Pravděpodobnost obsazení dané energetické hladiny E exponenciálně roste

Více