燃烧与爆炸的物理基础-2课件.ppt
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- 燃烧 爆炸 物理 基础 课件
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1、第二章 燃烧与爆炸的物理基础燃烧与爆炸的物理基础 本章主要内容热传导热对流热辐射物质的传递2.12.22.32.4 燃烧与爆炸中另外一些过程就是传热和传质,这构成了燃烧与爆炸的物理基础。传热学的工程领域包括热力学和传热学,传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析,这些定律是以3种基本的传热方式为基础的,即导热、对流和辐射。由传热学可知,如果在物体内部存在着温度梯度,则热量就会从高温区向低温区转移,这就是热传导。热传导2.1热传导 导热主要是与固体相关的一种传热现象,虽然在液体中也有发生,然而却常常会被对流所掩盖。固体以两种形式传导热能:自由电子迁移和晶格振动。对于良好的
2、导电体 自由电子迁移 对于绝缘物质 晶格振动 在不均匀温度场中,由于导热所形成的某地点的热流密度正比于该时刻同一地点的温度梯度,在一维温度场中其数学表达式为:为热通量,在单位时间经单位面积传递的热量,又 称为热流密度,单位为W/m2。xqdxdTk=2.1.1 xq dT/dx为沿x方向的温度梯度,单位为k/m。负号表示热流 方向与温度增加方向相反 k为导热系数,单位为W/(mK)。傅里叶导热定律傅里叶定律 导热系数k表示物质的导热能力,即单位温度梯度时的热通量。不同导热物质其导热系数不同,同种物质的导热系数也会因材料的结构、密度、湿度、温度等因素的变化而变化。物体在被加热或冷却过程中,各点的
3、温度随时间而改变;在被周期性加热和冷却过程中,各点的温度变化也具有周期性。上述两种过程都属于非隐态导热过程。若使物体的侧被加热而另一侧被冷却,并使物体中各空间点的温度不随时间而变化,这就是稳态导热过程。2.1.2导热微分方程稳态导热过程 导热理论的任务是研究任意时刻物体中各点的温度变化规律,用数学表达式建立物体中的温度场并求解,即T=f(x,y,z,t)。导热微分方程就是描述物体中任一点的温度与其空间坐标和时间关系的方程。利用物体的边界条件和时间条件(一般为初始条件),对导热微分方程积分,便可求得该物体温度场的数学解。当物体的微元内有放热热源或吸热热源时,此微元体在dt时间内的放热量为:dQ=
4、qdxdydzdt 其中q单位时间内单位体积的放热量,J/(ms),放热时q为正,吸热时q为负。均匀且各方向同性的物体,具有内热源时三维温度场的非稳态导热微分方程为:式中,=k/(c),称为扩散系数,是一个物性参数;为密度;c为比热容 无内热源时,三维温度场的非稳态导热微分方程为:222222/TTTTqctxyz1222222zTyTxTatT2各种导热下的微分方程有内热源时,三维温度场的稳态导热微分方程为:222222/0TTTqcxyz34无内热源时,三维温度场的稳态导热微分方程为:2222220TTTxyz无内热源时,一维温度场的非稳态导热微分方程为 tT22Tx56无内热源时,一维温
5、度场的稳态导热微分方程为 22xT=0这是最简单的导热微分方程 扩散系数表征着物体在被加热或冷却时其内部各点温度趋于均匀一致的能力。大的物体被加热时,各处温度能较快的趋于均匀一致。为求解导热微分方程,对非稳态导热问题,定解有两个条件:一个是给出初始时刻温度分布的初始条件;另一个是给出导热物体边界上温度或换热情况的边界条件。导热微分方程及定解条件构成了一个具体导热问题的完整的数学描述。但对于稳态导热问题,定解条件没有初始条件,只有边界条件常见的边界条件分为三类:给定边界上的温度值,称为第一类边界条件;给定边界上的热流密度值,称为第二类边界条件;给定边界上物体与周围流体间的换热系数及周围流体的温度
6、,称为第三类边界条件。对于一般工程技术中发生的非稳态导热问题,热流密度一般不是很高,温度不是很低,并且过程持续时间又足够的长,所以傅立叶定律式和非稳态导热方程式是完全适用的。非稳态导热问题的求解远比稳态导热复杂,所以一般工程中,如果只是近似的估算导热量,可采用平均温度值,并按稳态导热问题来求解。通常情况下,如果没有特别指明为非稳态工况,一般皆为稳态工况的传热问题。221TTqxtk 2.1.3.火灾是一种瞬变过程。必须用非稳态的传热方程来描述。非稳态的导热基本方程是通过考虑热流经过一个微小体积元dxdydz,并对之应用热量平衡原理得到的。对于一维问题,其微分形式:式中 热扩散系数 q单位体积的
7、热释放速率非稳态导热上式可直接用于求解无限大平板和无限大固体的导热问题和一维非稳态导热问题的理论解。有些几何对称的问题可通过简单的坐标变换(如化为极坐标或柱坐标)而转化为一维问题来求解。如图2-1所示,考虑厚度为2L、内部初始温度为T0的无限大平板,两面暴露于T=T,令=T-T则上式可化为(无内热源的情况):初始条件:(t=0)221xt00TT 边界条件:(x=L,对流边界条件)其解为:式中,n为方程cot(kT)=kL/Bi中k的解,Bi是毕渥数(hL/k)。0/xhkx210sin2exp()cos(2 11)sin()nnnnnnLtxLL 从式2-11中可以看到,/0是毕渥数Bi、傅
8、立叶数F0和x/L三个无量纲数的函数。Bi表示物体内部的传导热阻与物体表面的对流热阻之比;F0表示在给定的时间t内,温度波近似穿透深度与物体特征尺寸之比;x/L表示距中心线的距离。如果Bi很小,即对于热导系数很大而又很薄的板,与表面对流热阻相比,其内部导热热阻小到可以忽略不计,这就意味着固体内的温度近似趋于一致,一般在Bi0.1时,固体内的温度梯度可以忽略,于是就可以用集总热容法近似地分析其导热过程。由dt时间内的能量平衡关系:L=2V/A 式中 L平板厚度(平板两面都有对流换热)A对流表面积 V体积 用这种方法也可用于分析一侧辐射加热和两侧对流冷却薄燃料层(如纸、纤维)等着火问题和蔓延过程。
9、0()(2 12)2exp()qAh TT dtV cdTTThtTTcL 流体在流动过程中与周围固体或流体之间发生的热量交换。流体在外力作用下连续不断地流过固体壁面,这种对流称之为强迫对流;靠近热固体的热气流由浮力驱动的流动称之为自然对流。热对流2.2对流换热 流体流过固体壁面,必定在壁面附近薄层内形成边界层,边界层内速度在垂直壁面方向存在很大的梯度。这是由于流体的黏性作用。层流边界层内各流体层互不掺混,流线大体上是平行于壁面的平行线,分子热运动在相邻层之间传递动量,表现为相邻层之间的黏性力,而流体的运动又携带了动量,是对流引起的动量变化。在流体内热量的传递过程和动量传递过程是非常相似的。运
10、动流体的温度与壁面温度不同时,在高Re情况下,流动边界层的范围内形成热边界层,热边界层的厚度与速度边界层的厚度数量级相同,成一定的关系。2.2.1边界层 紧靠壁面的流体其温度与壁面温度相同,符合壁面附着条件,而在边界层外边界流体温度是外部无黏流的温度,边界层内存在很大的横向温度梯度,由于分子热运动而在相邻层之间进行热传导,流体的宏观运动又携带了其蕴含的热量,这两部分换热的总和就是流体与固体壁面之间的对流换热。流体的运动状态固体壁面温度差流体的热物性对流换热的3基本因素 由于物体的形状复杂,流体流过固体的边界层通常难以确定,只有最简单形状的物体,如平板、圆管等可以通过微分方程确定边界层内温度剖面
11、,而计算壁面与流体热交换通量,在多数倩况下,只能通过实验确定,因此牛顿公式在工程计算上是非常方便的。牛顿提出流体与壁面热交换通量与流体与壁面的温度差成正比,记作:式中 h比例系数,W/(m2 K)称为对流放热系数或对流换热系数。2.2.2ThTThqfw牛顿公式和对流换热系数 决定对流换热的3个因素,全部复杂性都集中在对流换热系数h中。h与流场的几何形状、流动状态和流动的热物性k和Cp确定。对于自然对流,典型的h值介于525 W/(m2 K)之间;而对于强迫对流,h值则为10500 W/(m2 K)。换热过程发生于靠近固壁表面的边界层内,其结构决定了对流换热系数h的大小。首先考虑速度为u 的不
12、可压流体流过一个与其相平行的平板的这样一个等温系统。如图2-2所示,在壁面上流体的流速u(0)=0,垂直方向上速度分布设为u=u(y),离壁面无穷远处速度u()=u。流动边界层的厚度定义为从壁面到u(y)=0.99 u 点之间的距离,对于较小的x值,即靠近壁面边缘处,边界层内的流动为层流。随着x的增大,在经过一个转变区域后,流动充分发展为湍流。图2-2 平板上的绝热流动边界层系统 2.2.2对流换热过程的边界层分析求解对流换热过程的边界层分析求解 但靠近壁面处,却始终存在着一个“层流内层”。像管流一样,其性质取决于当地雷诺数Re=x u /。如果,则属于层流;如果,则属于湍流流动;在此之间,则
13、为过渡区,可能是层流,也可能是湍流流动。但在考虑方向问题时,通常取临界雷诺数为510 5。图2-2所示为一个等温的流动边界层系统,流动边界层的厚度h依赖于当地的雷诺数Re,且对于层流可近似表达为:式中,l对应于h的x值,Rel是x=1时的当地雷诺数。1/28()(214)RehllRex3106 如果流体和平板之间存在温差,就会形成“热边界层”,如图2-3所示。流体和固壁间的换热速率依赖于y=0处流体的温度梯度,应用傅里叶导热定律,于是有:图2-3平板上的非绝热流动边界层系统)152(0yyTkq式中 k流体导热系数式2-15可进一步表示为:(2 16)skqTT 式中 热边界层厚度sTT分别
14、为来流温度和固壁表面温度l 对于层流流动,热边界层厚度 与流动边界层厚度 的关系:h13PrhPr:动力粘度,:热扩散系数 ThTThqfw2/1Re8lhlsTTkq 35.0PrRe/83/12/1lkh3/12/1PrRe35.0khlNu 努塞尔数努塞尔数31Prhl 得平板层流对流换热系数为:l 得平板湍流对流换热系数为:其中:联立下面几个公式:3/15/4PrRe0296.0khlNu2323vTglvglGr葛拉晓夫葛拉晓夫数数l 自然对流自然对流中流动是由边界层和周围流体的温度差引起的,因此流动边界层和热边界层是不可分离的。引入:格拉晓夫数,(浮力和粘性阻力的比值)竖直平板:层
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