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文檔簡介
河海第二章穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第1頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二§2-3典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解§2-1導(dǎo)熱基本定律-傅里葉定律§2-5具有內(nèi)熱源的一維導(dǎo)熱問題§2-4通過肋片的導(dǎo)熱§2-2導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫§2-6多維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的求解★★★★第2頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二§2-1導(dǎo)熱基本定律——傅里葉定律回顧定義第3頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第4頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二一、溫度場第一章中
(1-2)
的適用條件為一維均勻?qū)釂栴},如圖
0xt第5頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二試問:如圖
,
式(1-2)可用嗎?(多維)
0yx不能!因?yàn)閠同時(shí)在x、y方向變化,
變化(在x方向上)
溫度場、等溫線概念
(2-1)
(2-2)
變化(在y方向上)
第6頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二溫度場Temperaturefield:各時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度所組成的集合----------溫度分布
物體中任一點(diǎn)溫度
若
,則為穩(wěn)態(tài)溫度場若
,則為非穩(wěn)態(tài)溫度場平行平面間的溫度場穩(wěn)態(tài)一維溫度場對應(yīng)
非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)溫度場
穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)溫度場
第7頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第8頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二引入溫度變化率:傅里葉定律為
,
,
(在x方向傳導(dǎo)的熱量,在y方向上亦類似
)
(2-3)
(2-4)
0yx第9頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二二、向量形式的傅里葉定律1、溫度梯度如圖,等溫面(
,
,
)
梯度指向量變化最劇烈方向,法向方向,則溫度梯度為在空間坐標(biāo),則q=?第10頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2、傅里葉定律的向量表達(dá)式
(2-5)
熱流密度矢量可見:(1)熱流方向同溫度梯度方向相反;(2)熱流線(方向)垂直于等溫線。見圖
第11頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二說明第12頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二三、導(dǎo)熱機(jī)理及導(dǎo)熱系數(shù)(一)導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)際值由專門實(shí)驗(yàn)測定(二)其定義式由傅里葉定律的數(shù)學(xué)式給出,
(2-6)
第13頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二
第14頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第15頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二分子熱運(yùn)動(dòng)第16頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第17頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第18頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第19頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第20頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第21頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(三)導(dǎo)熱系數(shù)同溫度的關(guān)系(1)與有關(guān)!為某溫度下的常用材料的見附錄2~11
(2)具有線性關(guān)系常用保溫、隔熱材料的值見附錄4
1992年國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:導(dǎo)熱系數(shù)小于0.12w/(m·k)20世紀(jì)50年代是0.23,80年代是0.14,↓第22頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第23頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(四)同空間方向的關(guān)系各向同性材料(恒同)
各向異性材料,
例:枕木,垂直木紋方向平行木紋方向P557附錄3松木第24頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二§
2-2導(dǎo)熱問題的數(shù)學(xué)描寫
(一)一維導(dǎo)熱積分λ為常數(shù)時(shí)一、導(dǎo)熱微分方程第25頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(二)多維導(dǎo)熱
,
,
,即t在x,y,z,方向均有變化,且隨時(shí)間變化如圖:在物體內(nèi)取一微元平行六面體,
設(shè)物體各向同性。
存在6為常數(shù)gradt?Φ或q?t=f(x,y,z,τ)?傅里葉定律+熱力學(xué)第一定律第26頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二非穩(wěn)態(tài)時(shí)熱力學(xué)能(內(nèi)能)增量:內(nèi)熱源生成熱:6內(nèi)熱源:例如電器及線圈中有電流通過時(shí)的發(fā)熱,化工中的放熱、吸熱反應(yīng)以及核能裝置中燃料元件的放射反應(yīng)等。w/m3第27頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二在x、y、z方向上,
流入熱流量:
(a)
第28頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二
流出熱流量:
同理:
(b)
非穩(wěn)態(tài)時(shí)熱力學(xué)能(內(nèi)能)增量:內(nèi)熱源生成熱:(d)
(e)
第29頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二根據(jù)熱平衡方程(熱力學(xué)第一定律)(2-7)
式(a)(b)(d)(e)代入(c)并整理流入的總熱流量+內(nèi)熱源生成的熱量
=內(nèi)能增量+流出的總熱流量(C)++=ΔU導(dǎo)入微元體的凈熱流內(nèi)熱源生成熱第30頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(2-8)
式中,定義
熱擴(kuò)散率(導(dǎo)溫系數(shù))
a的物理意義:反映物體導(dǎo)熱時(shí)使內(nèi)部溫度趨向均勻的能力大小a↑→內(nèi)部溫度變化得越快
式(2-8)為常物性、非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程式一般形式的導(dǎo)熱微分方程式(三)導(dǎo)熱微分方程式的幾種形式1、導(dǎo)熱系數(shù)λ=const第31頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第32頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù),無內(nèi)熱源:
3、常物性、穩(wěn)態(tài):
4、常物性、無內(nèi)熱源、穩(wěn)態(tài):(2-9)
(2-10)
(2-11)
第33頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(五)圓柱坐標(biāo)或球坐標(biāo)中的導(dǎo)熱微分方程式
針對式(2-7),轉(zhuǎn)換成圓柱坐標(biāo)(對于軸對稱物體):(2-12)
第34頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二球坐標(biāo)(適用于點(diǎn)對稱物體):(2-13)
注:(1)無內(nèi)熱源、穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,令,即可。(2)無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)一維、二維導(dǎo)熱,再令(或)第35頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二導(dǎo)熱微分方程式的理論基礎(chǔ):傅里葉定律+能量守恒。它描寫物體的溫度隨時(shí)間和空間變化的關(guān)系;沒有涉及具體、特定的導(dǎo)熱過程,是通用表達(dá)式。單值性條件:確定唯一解的附加補(bǔ)充說明條件。二、定解條件(2-7)
——通解定解?包括四項(xiàng):幾何、物理、初始、邊界第36頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二1、幾何條件:2、物理?xiàng)l件:3、初始條件:4、邊界條件:完整數(shù)學(xué)描述:導(dǎo)熱微分方程+單值性條件說明導(dǎo)熱體的幾何形狀和大小,如:平壁或圓筒壁;厚度、直徑等。說明導(dǎo)熱體的物理特征如:物性參數(shù)、c和的數(shù)值,是否隨溫度變化;有無內(nèi)熱源、大小和分布。又稱時(shí)間條件,反映導(dǎo)熱系統(tǒng)的初始狀態(tài)。
反映導(dǎo)熱系統(tǒng)在界面上的特征,也可理解為系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的關(guān)系。第37頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(Boundaryconditions)邊界條件常見的有三類(1)第一類邊界條件:該條件是給定系統(tǒng)邊界上的溫度分布,它可以是時(shí)間和空間的函數(shù),也可以為給定不變的常數(shù)值tw=常量
t=f(y,z,τ)
0x1x
(2)第二類邊界條件:該條件是給定系統(tǒng)邊界上的溫度梯度,即相當(dāng)于給定邊界上的熱流密度,它可以是時(shí)間和空間的函數(shù),也可以為給定不變的常數(shù)值qw=常量0x1x
第38頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(3)第三類邊界條件:該條件是第一類和第二類邊界條件的線性組合,常為給定系統(tǒng)邊界面與流體間的換熱系數(shù)和流體的溫度,這兩個(gè)量可以是時(shí)間和空間的函數(shù),也可以為給定不變的常數(shù)值0x1x
導(dǎo)熱微分方程+單值性條件+求解方法溫度場(2-17)第39頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(4)輻射邊界條件(2-19)(5)接觸邊界條件.
數(shù)學(xué)表達(dá)形式:第40頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二導(dǎo)熱微分方程式(λ為常數(shù))非穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源:
穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源:
穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源:(2-9)
(2-10)
(2-11)
一般形式:
(2-8)
§2-3典型一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的分析解(2-7)
導(dǎo)熱微分方程式(λ為變量)第41頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(一)單層平壁的導(dǎo)熱a幾何條件:單層平板;b物理?xiàng)l件:、c、(常數(shù))已知;無內(nèi)熱源c時(shí)間條件:d邊界條件:第一類一、通過平壁的導(dǎo)熱1、求溫度分布
dx第42頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二根據(jù)上面的條件可得:第一類邊條:微分方程邊界條件導(dǎo)熱微分方程+單值性條件+求解方法溫度場第43頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二直接積分,得其溫度分布通解:帶入邊界條件:求解方法第44頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二得溫度分布:
呈線性分布
若
由ot1tt2第45頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2、求熱流密度
根據(jù)傅里葉定律對式
求導(dǎo):∴
(2-21)
(2-20)第46頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二3、導(dǎo)熱熱阻定義面積熱阻:
(2-23)
——熱阻對于研究多層平壁導(dǎo)熱問題很有用第47頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(二)通過多層平壁的導(dǎo)熱(為常數(shù))1、以三層為例:
a)求導(dǎo)熱量:(,,材料,尺寸)
,
,
則
∴(2-24)
n層:(2-25)
δ1λ1δ2λ2δ3λ3第48頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二b)求界面溫度
,
又
注意:(a)每層線性分布,t—x
(b)每層線性分布之斜率不一定相同
(2-26)
第49頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2、對于多層平壁(設(shè)n層)則
問:現(xiàn)在已經(jīng)知道了q,如何計(jì)算其中第i層的右側(cè)壁溫?第一層:第二層:第i層:第50頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二導(dǎo)熱環(huán)節(jié)越多,串聯(lián)的熱阻就越多,總熱阻相對來說就越大,相同溫差下傳遞的熱量越少,越有利于隔熱。第51頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二在推導(dǎo)多層壁導(dǎo)熱的公式時(shí),假定了兩層壁面之間是保持了良好的接觸,要求層間保持同一溫度。而在工程實(shí)際中這個(gè)假定并不存在。因?yàn)槿魏喂腆w表面之間的接觸都不可能是緊密的。t1t2Δtxt在這種情況下,兩壁面之間只有接觸的地方才直接導(dǎo)熱,在不接觸處存在空隙。熱量是通過充滿空隙的流體的導(dǎo)熱、對流和輻射的方式傳遞的,因而存在傳熱阻力,稱為接觸熱阻。
第52頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二
接觸熱阻是普遍存在的,而目前對其研究又不充分,往往采用一些實(shí)際測定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通常,對于導(dǎo)熱系數(shù)較小的多層壁導(dǎo)熱問題接觸熱阻多不予考慮;但是對于金屬材料之間的接觸熱阻就是不容忽視的問題。第53頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二【例】鍋爐爐墻由三層材料組成:內(nèi)層為耐火磚,厚度為230mm,導(dǎo)熱系數(shù)為1.1W/(m·K);中間層為石棉隔熱層,厚度為60mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m·K);外層為紅磚,厚度位240mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.58W/(m·K)。已知爐墻內(nèi)外表面的溫度分別為500℃和50℃,試求通過爐墻的熱流密度與各層接觸面處的溫度。解:由q=Δt/Σ(RAi)=(t1-t4)/(δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3)又因:δ
1/λ1=0.21(m2·K)/Wδ
1/λ1=0.60(m2·K)/W
δ
1/λ1=0.41(m2·K)/W所以:q=368.9W/m2由ti=t1-qΣ(δ
i-1/λi-1)所以:t2=t1-qΣ(δ1/λ1)=422.5℃ t3=t2-qΣ(δ2/λ2)=t1-qΣ(δ1/λ1+δ2/λ2)=201.2℃第54頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二解:第55頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二為常數(shù)
如圖,認(rèn)為一維導(dǎo)熱
(,)二、通過圓筒壁的導(dǎo)熱1、條件:無內(nèi)熱源、穩(wěn)態(tài)、
第56頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2、基本方程:(2-25)
積分一次:
再積一次:
(i)
用圓柱坐標(biāo),有導(dǎo)熱微分方程式(2-12)
第57頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二3、定解條件
邊界條件
代入式(i)
于是,式(i)成為
第58頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二4、溫度分布(2-28)
5、熱流量變化(2-30)
對數(shù)分布由式(2-28),溫度梯度(2-29')
(2-29)
第59頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二6、熱阻
(2-31)
則:
第60頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二7、多層圓筒壁的導(dǎo)熱熱流量(由多層平壁擴(kuò)展來)
三層:
(2-32)第61頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二內(nèi)容回顧第62頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二平壁:一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題第63頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二圓管:第64頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二三、各向同性的變導(dǎo)熱系數(shù)變截面的處理方法1、一維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的情況
分離變量,積分:
=第65頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2無內(nèi)熱源,A為常數(shù),λ不為常數(shù)λ0、b為常數(shù)第66頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二最后可求得其溫度分布
二次曲線方程第67頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二其拋物線的凹向取決于系數(shù)b的正負(fù)。(1)當(dāng)b>0,λ=λ0(1+bt),隨著t增大,λ增大,即高溫區(qū)的λ大于低溫區(qū)。據(jù)φ=-λA(dt/dx),所以高溫區(qū)的溫度梯度dt/dx較小,而形成上凸的溫度分布。(2)當(dāng)b<0,λ=λ0(1+bt),隨著t增大,λ減小,高溫區(qū)的溫度梯度dt/dx較大。λ=λ0(1+bt)b>0b<0t1
t20δx第68頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二熱流密度計(jì)算式為:或式中
從中不難看出,為平壁兩表面溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)值的算術(shù)平均值,亦為平壁兩表面溫度算術(shù)平均值下的導(dǎo)熱系數(shù)值。
第69頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二3穩(wěn)態(tài)、一維有內(nèi)熱源,λ為常數(shù)如果平壁內(nèi)有均勻的內(nèi)熱源,且認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)λ為常數(shù)和平壁兩邊溫度相等。t1t2t1=t20xqv積分后:溫度分布:第70頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二討論第71頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二解第72頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第73頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二如圖所示:三種不同材料的平板a,b,c,左側(cè)處于相同的溫度t1,在穩(wěn)定狀態(tài)下,如果傳遞的熱量相同,三種材料平板內(nèi)部溫度分布如圖所示,則三種材料的導(dǎo)熱系數(shù)哪個(gè)最大?哪個(gè)最小?請排列。λaλbλc第74頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第75頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二冷流體水從冷水泵通過管道DA段上水至鍋爐,在AB段管道吸收熱量變成滿足熱用戶要求的熱水,通過BC段管道送給熱用戶,由于長期使用,在整個(gè)管道上管內(nèi)結(jié)了厚厚的一層水垢,管外落了一層厚厚的灰塵,試分析這些塵垢的利弊。第76頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二自學(xué):
三、通過球殼的導(dǎo)熱
四、其他變截面或變導(dǎo)熱系數(shù)問題作業(yè):P89-92
2-2,2-9,2-14,2-17
請認(rèn)真看懂P50:例題2-1
(單層壁)例題2-2(多層壁)例題2-3
(水垢)例題2-5
(圓管壁)第77頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二§2-4通過肋片的導(dǎo)熱基本概念
1、肋片:指依附于基礎(chǔ)表面上的擴(kuò)展表面
2、常見肋片的結(jié)構(gòu):針肋直肋環(huán)肋等3、肋片導(dǎo)熱的作用及特點(diǎn)1)作用:增大對流換熱面積及輻射散熱面積,以強(qiáng)化換熱;第78頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二方肋暖氣片第79頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2)特點(diǎn):在肋片伸展的方向上有表面的對流換熱及輻射散熱,肋片中沿導(dǎo)熱熱流傳遞的方向上熱流量是不斷變化的。即:Φ≠const。
4、分析肋片導(dǎo)熱需解決的問題
一是:確定肋片的溫度沿導(dǎo)熱熱流傳遞的方向是如何變化的?
二是:確定通過肋片的散熱熱流量有多少?
第80頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二一、通過等截面直肋片的導(dǎo)熱如圖:
,,,一維導(dǎo)熱
橫截面面積:
周長:
第81頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二分析:1、假設(shè)
1)肋片垂直于紙面方向(深度方向)很長,不考慮溫度沿該方向的變化,因此取單位長度分析;
2)材料導(dǎo)熱系數(shù)λ及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h均為常數(shù),沿肋高方向肋片橫截面積不變;
3)表面上的換熱熱阻1/h,遠(yuǎn)大于肋片的導(dǎo)熱熱阻δ/λ,即肋片上任意截面上溫度均勻不變;
4)肋片頂端視為絕熱,即dt/dx=0;
第82頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二2、微元導(dǎo)熱分析已經(jīng)學(xué)了導(dǎo)熱微分方程式,對流換熱與導(dǎo)熱的關(guān)系未學(xué)處理方法:將散熱量認(rèn)為有內(nèi)熱源(熱源是負(fù)的)則導(dǎo)熱類型為:一維、穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源類型的導(dǎo)熱問題由
(2-8)
第83頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二則
(a)
,代入(a)式:
(c)
,
(d)
(2-38a)
定義過余溫度第84頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二為一正常數(shù),表征肋片導(dǎo)熱性能、換熱性能及幾何結(jié)構(gòu)之間的相對關(guān)系。第85頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二即為等截面直肋片的導(dǎo)熱微分方程式
屬二階一次微分方程式,數(shù)學(xué)的通解
(e)
3、假設(shè)直肋端面絕熱時(shí)的特解(絕熱——端面同流體間無對流換熱,
亦導(dǎo)熱為0,
)邊界條件
(1)
(2)
第86頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二代入式(e),有
聯(lián)解,得注意雙曲函數(shù)
第87頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(2-39)
分析:
(1)肋端溫度
(2)通過肋根的熱流量(肋的散熱量)
=(2-41)
(2-40)
第88頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二4、討論(1)以上各式是假設(shè)
,
即端面
,絕熱條件下的
當(dāng)δ小、H長時(shí),以上假設(shè)可用,誤差?。?),即一維假設(shè),絕大部分肋片
引起誤差(3)實(shí)際影響大的是的不均勻性第89頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二(4)肋端換熱的Harper-Brown近似,當(dāng)必須考慮肋端面散熱時(shí),也可以采用近似修正方法,將通過肋端面的換熱量折算到側(cè)面上去,相當(dāng)于肋加高為(H+ΔH),其中對于矩形肋ΔH≈δ/2
第90頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二隨著mH的增大,肋片的散熱量隨之逐漸增加,一開始增加很迅速,但后來越來越緩慢,逐漸趨于一漸近值。這說明,增大mH雖然可以增加肋片的散熱量,但增加到一定程度后,再增大mH所產(chǎn)生的效果已不顯著,因此需要考慮經(jīng)濟(jì)性問題。第91頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二溫度計(jì)套管測溫誤差分析
壓氣機(jī)設(shè)備的儲氣筒里的空氣溫度,用一支插入裝油的套管中的玻璃水銀溫度計(jì)來測量。如圖所示。已知溫度計(jì)的讀數(shù)為t,儲氣筒與溫度計(jì)套管連接處的溫度,套管高H,壁厚δ管材的導(dǎo)熱系數(shù)為λ,套管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。第92頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二第93頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二例:一實(shí)心燃?xì)廨啓C(jī)葉片,高度h=6.25mm,橫截面積A=4.65cm2,周長P=12.2cm,導(dǎo)熱系數(shù)=22W/(m℃)。燃?xì)庥行囟萾ge=867K,葉根溫度tr=755K,燃?xì)鈱θ~片的總換熱系數(shù)h=390W/(m2℃)。假定葉片端面絕熱,求葉片的溫度分布和通過葉根的熱流。解:第94頁,共105頁,2023年,2月20日,星期二二、通過環(huán)肋及三角截面直肋的導(dǎo)熱對于等截面直肋:
,其中若
變,
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