工程中的几个传热传质专题

1、工程中的几个(j )传热、传质专题共四十六页1.1 火灾(huzi)及相应的模型的初步分析1.1.1 失控(sh kn)放热反应及爆炸延迟时间1.燃烧理论定义： 燃烧一般指某些物质在较高温度时与氧气化合而发生激烈氧化反应并释放出大量热量的现象。包括热量传递、动量传递、质量传递和高速化学反应的综合物理化学过程。机理：燃烧是一种链锁反应，通过一系列中间反应和活性中间产物的连续传递来实现。 条件： 有可燃物质存在 有助燃物质存在 有可能导致燃烧的能源共四十六页2.爆炸理论定义：从消防观点来说，凡是发生瞬间的燃烧，同时生成大量(dling)的热和气体，并以很大的压力向四周扩散的现象，叫做爆炸。条件：a

2、 混合物的浓度处在爆炸浓度极限 b 火源的能量大于或等于最小点火能量 类型：a 纯粹的热爆炸 b 链反应或纯粹的化学爆炸大多数高温气体爆炸主要属于链反应，而大部分工业环境中发生的爆炸问题多可以用热爆炸理论加以解释。下面主要讨论与热爆炸相关问题。 共四十六页图9-1 热爆炸(bozh)的爆炸(bozh)行为任何有化学反应的封闭系统都有爆炸延迟时间，爆炸延迟时间不仅是系统反应温度的指数函数(zh sh hn sh)，而且还是浓度的幂函数。（9-9）爆炸延迟时间为共四十六页1.1.2 泄露造成的火灾以及(yj)相应模型的初步分析泄漏造成的火灾包括：闪燃火灾、油池火灾、火球、射流火灾等描述火灾完整模型

3、包括以下(yxi)参数： 火焰形状及尺寸 热释放速率 热辐射 火焰温度 火焰发射率 表面发射功率 形状因子 共四十六页图9-2 火球的发展(fzhn)过程共四十六页1.1.3 火灾(huzi)模拟计算的简介图9-3 火球热辐射的计算(j sun)框图图9-4 射流火灾热辐射的计算框图共四十六页1.2 毒物泄露的后果(hugu)分析有毒物质对人的作用的分类 有毒物质对人的作用，按照接触时间的长短和毒物的浓度可以(ky)分为两类：（1）急性中毒-发生在短时间高浓度的情况下，例如一氧化碳中毒。（2）慢性中毒-发生在长时间接触低浓度的情况下，例如石棉和铅中毒等。 氯气和氨气是两种最重要最常见的毒性物质

4、。共四十六页2. 毒性评价指标通常，毒性的评价指标有四种：（1）绝对致死量（LD100或LC100)-指在该组量下全组的染毒动物全部死亡时的最小剂量或浓度。（2）半数致死量或浓度（LD50或LC50)-指染毒动物有半数死亡的剂量或浓度。（3）最小致死量或浓度（MLD或MLC)-指全组染毒动物中有个别动物死亡的剂量或浓度。（4）最大耐受量或浓度（LD0或LC0)-指全组染毒动物全部存活的剂量或浓度。除了用实验动物的死亡表示毒性之外，毒物又可分为剧毒(j d)，高毒，中等毒，低毒和微毒五个等级。共四十六页3. 有毒物质后果分析计算假定泄露为连续泄露源，并假定泄露速度为常数，基于稳态高斯分布模型(m

5、xng)，毒气浓度分布为 (9-24)离泄露(xilu)点为x距离的浓度服从高斯分布，其标准偏差 与 满足(9-25)计算z=0面上的浓度，即：(9-26)共四十六页将式（9-25）代入式（9-26），有(9-27)由前面的假设可以认为：伤害面积A内各点的毒物浓度(nngd)C( x, y ) LC50；于是在x轴上浓度为LC50的点的距离为(9-29)显然(xinrn)当距离大于xc时，地面上的浓度小于LD50共四十六页1.3 余热锅炉及其关键部件的传热(chun r)计算1.3.1 余热锅炉热力计算(j sun)的大致步骤（1）物性计算-根据热气体的组成和参数（温度、压力），进行与混合气体

6、有关的物性（例如粘度、重度 、热导率、比热容 、焓等）计算。（2）换热量计算-根据热气体的进出口条件，由热平衡方程求出换热量，然后再确定余热锅炉的水蒸气蒸发量。（3）选型-根据热气体和蒸气的温度、压力以及热气体的物理、化学性质，选择余热锅炉的形式、结构与材料。（4）传热面积的计算（5）校核传热危险区域共四十六页1.3.2 管板温度场的计算(j sun)图9-5 余热(y r)锅炉炉管的两种排列方式共四十六页1. 炉头(l tu)管板的一般结构图9-6 炉管单元(dnyun)的轴向结构共四十六页2. 边界条件的分析(fnx)图9-7给出了简化后的炉管单元(dnyun)导热的区域图图9-7 简化后

7、炉单元的导热区域共四十六页其边界条件分析如下：（1） BC 边界-为绝热边界。（2）AB 边界-炉内辐射兼对流换热，以辐射为主。（3）AE边界-进口段为对流换热兼管内气体辐射。（4）CD边界-为是沸腾换热边界，高温烟气对炉头的传热经此边界传给沸腾水。显然当考虑沸腾换热与管板中的导热耦合时，管板表面的温度是未定的。（5）DE边界-DE边界以外是炉管和瓷套管(to un)伸出管板表面的部分，其结构及传热分析如图9-8所示。共四十六页图9-8 DE边界的传热(chun r)分析简图共四十六页3. 管板的温度场计算(j sun)及边界条件的确定管板的温度场服从均匀介质(jizh)中、二维轴对称 、稳定

8、导热 、无内热源的导热微分方程，即：(9-30)相应的边界条件确定如下（见图9-7）：（1）BC边界-为绝热边界，故有(9-31)共四十六页（2）AB边界-高温气体(qt)层对边界的辐射与对流放射。 辐射放热可由下式确定，即 (9-33)对流换热是由炉头接管的出口(ch ku)喷射的垂直于端面的气流所产生的对流换热，其公式为(9-32)于是辐射与对流的综合换热系数为(9-34)共四十六页（3）AE边界(binji)-圆管入口段的对流换热为(9-35)圆管内AE边的辐射与对流(duli)综合换热系数为(9-36)（4）CD边界-此处为沸腾换热面，并且属于大容器沸腾，在p=0.2105 98105

9、Pa饱和蒸汽压力下，水的沸腾换热系数为(9-37)共四十六页（5）DE边界-可当作(dn zu)绝热边界处理，即(9-38)因此，主方程式（9-30）连同(lintng)边界条件（9-31）（9-38）便构成了管板温度场问题的完整方程组。显然该方程组可用数值方法进行求解。共四十六页1.4 气相爆炸(bozh)与粉尘爆炸(bozh)所谓爆炸是大量能量（即物理能量或化学能量）在瞬间迅速释放或急剧转化(zhunhu)为功、机械、光、热等能量形态的现象，是物质的一种快速膨胀过程。爆炸可分为物理爆炸和化学爆炸，前者在爆炸过程中只发生物理状态的变化例如锅炉爆炸、雷电、地震、高速碰撞等；后者在爆炸过程中即有

10、物理变化，又有化学变化例如炸药爆炸、瓦斯爆炸、粉尘爆炸等。气体和粉尘爆炸是工业爆炸灾害的重要形式，它是一种非点源的爆炸，与炸药爆炸有很大区别。共四十六页 这类燃烧爆炸变化的范围很宽广，从速度量级来看，常见(chn jin)碳氢化合物的气体燃料与空气在化学当量配比下得到的混合物其基本燃烧速度为0.5m/s的量级，而同样燃料混合物转变成爆轰时，其波阵面传播速度可达2000m/s的量级，速度变化跨4个数量级。从压力量级来看，从气体燃烧到固体含能材料的爆轰，这时压力变化跨6个数量级。气体和粉尘燃烧爆炸的模式大致可有四种： 定压燃烧； 爆燃； 定容爆炸； 爆轰。共四十六页1.4.1 气相爆炸(bozh)

11、图9-9 爆燃(bo rn)波示意图共四十六页1.4.2 粉尘(fnchn)爆炸粉尘爆炸的实质是气体(qt)爆炸，而使粉尘表面升温气化的主要原因是热辐射，气体(qt)爆炸时，气体(qt)燃烧热的供给主要靠热传导。图9-10 粉尘爆炸过程共四十六页1.5 高速飞行器重返(zhn fn)大气层时的热防护高速飞行器类型再入速度地球轨道飞行器第一宇宙速度其他星球探测器(如月球探测器)第二宇宙速度洲际弹道导弹弹头7 km/s左右共四十六页 高速飞行(fixng)器的热防护问题是高速飞行(fixng)中面临的重要难题之一，许多宇航飞行(fixng)器重返大气层时气流的滞止温度高达10000k，为了使飞行(

12、fixng)器免于烧毁，烧蚀防热是常用的一种手段，本节从传热与传质的角度出发去分析这种防护措施的物理与化学方面的机理。图9-11 烧蚀冷却的简化(jinhu)模型共四十六页1.5.1 烧蚀问题(wnt)中边界层的传质计算图9-12 边界层内组分的质量分数(fnsh)分布共四十六页(9-51a)(9-51b)(9-51c)(9-51d)这里仍假定每一组分的扩散系数均相等并且都等于D，式（9-51a）（9-51d）适用(shyng)于边界层内的内、外层，边界条件为共四十六页（火焰(huyn)表面） （9-52a） （9-52b） （9-52c） 在边界层内层中，碳是单向扩散，而N2与CO对壁面是呆

13、滞组分(zfn)，于是有8498：(9-53)(9-54)共四十六页根据火焰(huyn)表面上发生完全燃烧过程的假定以及C、O2与CO的分子量分别为12、32与28，于是碳与O2向火焰表面的扩散速率之比为即（9-59）（9-60）因此（9-53）、（9-59）与（9-60）式就是(jish)所需要的三个补充附加关系式。于是便可由（9-51a）（9-51d）式求出各组分质量分数的分布。共四十六页引进相似变量 及无量纲质量分数 ，（9-51a）（9-51c）以及三个附加(fji)关系式变换为 （jN，O，C） （9-62）（9-63）共四十六页边界条件为（9-65）因此由主方程组（9-62）与（9

14、-63）式以及边界条件（9-65）式便可得到C,W，N,W及yf的值；另外还可得到边界层内各组分质量分数(fnsh)（即N，C与O）的分布（如图9-12所示）。共四十六页图9-13给出了喷注参量 与无量(wling)纲边界层厚度0.99（即以0.99u为边界层定义的值）间的曲线以及 与无量纲火焰表面位置f间的曲线，图9-13 与f间的变化(binhu)曲线共四十六页1.5.2 烧蚀问题中边界层的传热(chun r)计算以T1与T2分别表示边界层内层(ni cn)与外层(以火焰表面为分界)的温度，于是：（9-67b） （9-67a）（9-68） 边界条件为共四十六页（9-70）边界条件为（9-7

15、2）（9-74）式(9-70)、式(9-72)以及式(9-74) 构成了边界层温度场求解(qi ji)的基本方程组及边界条件。共四十六页图9-14 边界层内的温度(wnd)分布图9-14给出了边界层内的温度分布。显然，在边界层内的温度分布求出后，则通过(tnggu)壁面的热流密度便可以由傅里叶定律确定，即（9-75）共四十六页数值传热学初步及 相关计算软件(run jin)简介共四十六页1 数值传热学与计算(j sun)流体力学之间的关联与区别 在CFD（Computational Fluid Dynamics）中对于无粘流动，人们十分重视改善激波的捕捉质量与提高激波的分辨率；而对于粘性流动，

16、流场里涡系的分布规律以及熵增的分布和损失分布格外(gwi)关注。 在CHT（Computational Heat Transfer）中，无论是稳定的或非稳定的热传导问题，其分析问题的着眼点都放在能量方程上，而对于对流传热与传质问题，无论是强迫对流传热与传质，还是自然对流换热与传质，都必须从连续方程、动量方程、能量方程以及质量组分方程出发，对基本方程组进行统一联立求解。共四十六页2 流动与传热(chun r)控制方程组的统一形式及定解条件2.1 基本控制方程组的统一(tngy)形式2.2 初始条件与边界条件图10-1 突扩区域内流动与换热问题的计算域共四十六页3 SIMPLE算法扼要( yo)简

17、介SIMPLE(即Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations)算法(sun f)是本章参考文献7,38提出的一种计算不可压缩流场流动与换热问题的方法。4 计算传热学的有限元法、边界元法、有限分析法以及有限体积法4.1 有限元法有限元法（Finite Element Method）与有限差分法一样都是数值求解偏微分方程的有效方法，它不仅用于流体力学问题的数值计算，而且也用于传热学问题的求解。共四十六页4.2 边界(binji)元法 边界元法（Boundary Element Method）是继有限元法之后发展起来的一种新方法。这种方法的基

18、本思想是通过格林公式或权余法，将求解域上的偏微分方程转换成边界上的积分(jfn)方程。然后再经过离散，最终化为代数方程组进行求解。4.3 有限分析法 有限分析法（Finite Analytic Method）区别于有限体积法的基本之点式，离散方程式通过求解计算区域内的一个简化了的控制方程的分析解而建立的。共四十六页4.4 有限(yuxin)体积法 有限体积法（Finite Volume Method）是从描写流动与传热问题的守恒型控制方程组出发的。该方法在计算流体力学的领域里正向着高精度、高分辨率、非结构网格的方向发展。 同样，在计算传热学的领域里，不断地提高格式的精度(jn d)，发展高阶格式，发展非结构网格下的快速高效算法同样应该是努力的目标与方向。共四十六页5 计算(j sun)传热学中常用的商业软件简介(1) PHOENICS 软件(run jin) (2) STAR-CD软件(3) FLOW-3D软件 (4) FLUENT软件(5) CFX软件 (6) FIDAP软件共四十六页应当指出： 除了使用商用软件外，我们更主张编制具有自主(zzh)知识产权的源程序，以提高同学们的编程能力与独立进行科