热通量方程的CFD探索：温度传递的奥秘

关键要点

• 热通量定义为在单位时间内通过单位面积的表面传递的热能。
• 热通量密度以 SI 单位瓦特/平方米为单位测量。
• 系统中的热通量取决于温度梯度和传热系数。

对能源的需求鼓励我们探索可再生能源的机会。在非常规能源中，太阳能因其丰富而至关重要。太阳能用于公用事业发电和供暖。集中式太阳能发电厂满足当今的能源需求。在聚光太阳能发电厂，尤其是太阳能接收器的设计中，热通量和温度是两个主要的设计参数。了解热通量有助于确定太阳能接收器的效率。

在大多数热力学应用中，热通量是一个重要的基本量，因为它会影响效率和性能。理论上，热通量方程用于计算热通量。然而，在实践中，使用了一系列的热量计、量规和辐射计。

让我们探索热通量及其方程。

热流和传热机制

在给定系统中，只有当它们之间存在温差时，热量才会从一个点流向另一个点。热量从温暖的地方流向寒冷的地方。热流只有在不同温度点之间存在热量传播的介质时才会发生。

热流或热传递现象是复杂和多维的。根据存在温度梯度的介质或介质组，传热机制可分为：

1. 传导 -在传导过程中，热流通过固体材料发生。
2. 对流 -当热量流过气体和液体时，传热机制称为对流。
3. 辐射——电磁波携带热能时，形成热传递的辐射机制。

在上述传热机制中，热量通过介质从一点传递到另一点。热能传递的速率给出了传导、对流和辐射中热通量的概念。

什么是热通量？

热通量是单位时间内通过单位面积的表面传递的热能的量。热通量可以是从所考虑的表面传递或消散的热量。热通量也称为热通量、热流密度、热通量密度或热流率强度。

热通量根据两个基本量进行评估：

1. 单位面积传热量（Q）
2. 传热面积（A）

由于热通量基于这两个量，因此它被视为导出量。

热流密度单位

传递的热能量或传热速率可以用焦耳每秒或瓦特来衡量。热通量可以计算为单位面积的传热率，也称为热通量密度。热流密度的测量单位为 SI 单位瓦特每平方米 (W/m2)。

影响热通量的因素

系统中的热通量取决于：

1. 温差 -温差或梯度对于任何热传递的发生都是必要的。热通量与温度梯度有直接关系。随着温度梯度的增加，热通量大小增加。
2. Thermal transfer coefficient or heat transfer coefficient -传热系数是通过牛顿冷却定律引入的。根据该定律，与表面相关的热通量与温度梯度线性相关。连接热通量和温度梯度的比例常数称为传热系数。

热通量方程

热通量方程可以从热传导定律或热导率定律，俗称傅立叶定律。该定律也称为热传导定律。

根据傅里叶定律，热通量与热梯度或温度梯度成正比。在数学上，热通量方程可以表示为：

q 是热通量

Q是传热速率

A是表面的横截面面积

T 是温度梯度

K是传热系数

对流和辐射传热的热通量方程

传导传热的热通量方程可用于对流，前提是使用对流传热系数代替常数 K。要确定辐射传热中的热通量，该方程由 Stefan-Boltzmann 定律给出。

辐射传热的热通量方程为：

σ 是 Stefan-Boltzmann 常数

ε是发射率

T 是 (K) 中的温度

热通量的计算在化学过程、热力学系统和航空工业等领域至关重要。Cadence 的 CFD 求解器可以支持多维热通量问题。使用适当的 CFD 工具，解决涉及热通量方程的复杂问题是轻而易举的。

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