根据以上分析,有效热导率的计算可分为以下几种情况。
(1)无热源的情形
如图1,为无热源平板,两壁面温度分别为T1与T2,热导率为λ,板内温度分布为:
(2)热源强度为常数q''的情形
此情形下,板内温度分布呈抛物线:
通过平板的热流密度在不同处不再相同。
在x=0处,
在x=L处,
在x=L/2处,
当
显然,λ'<λ,对应图2中比较平坦的一条虚线。在计算q2时,有效热导率为:
在实际工程材料中,热导率大都是温度的函数,它随温度而变化的规律不尽相同。作为一阶近似,假如它随温度的变化规律满足下式,其中λ0和a为常数:
(1)温度变化的无热源平板
板内温度分布满足下列导热微分方程:
在已知板的两壁面温度为T1与T2的条件下,板内温度分布如图3所示,其函数形式为:
相应的热流密度为
由此计算得到有效热导率λ'为
该结论也可用于圆筒壁与球壁的计算,只是在圆筒壁与球壁中不用热流密度而用单位长度热流量qt与总热流量Q来代替。
(2)温度变化的有热源平板
对照无热源平板公式,此时板内温度分布满足下列导热微分方程:
在已知板的两壁面温度为T1与T2的条件下,板内温度分布图4所示,其函数形式为:
板内的热流密度在不同x处是不同的,在x=0,x=L与x=L/2处的q0、qL与qL/2与热导率为常数的有热源平板计算公式相同。
(1)热导率分别为常数λ1与λ2的情形
两层板内的热流密度为:
把两层材料视为一种材料,可表示为:
其中λ'为有效热导率:
(2)热导率分别为常数λ1=λ01 a1与λ2=λ01 a2的情形
由前面分析可知,当a1>0与a2<0时,板内的温度分布曲线如图5所示,板内的热流密度为:
当把双层材料复合平板视为一块平板时,则有:
其中λ1'、λ2'与λ'分别为: