工程中的幾個(gè)傳熱、傳質(zhì)專(zhuān)題文檔ppt第1頁(yè)，共41頁(yè)。2.爆炸理論定義：從消防觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，凡是發(fā)生瞬間的燃燒，同時(shí)生成大量的熱和氣體，并以很大的壓力向四周擴(kuò)散的現(xiàn)象，叫做爆炸。條件：a混合物的濃度處在爆炸濃度極限b火源的能量大于或等于最小點(diǎn)火能量類(lèi)型：a純粹的熱爆炸b鏈反應(yīng)或純粹的化學(xué)爆炸大多數(shù)高溫氣體爆炸主要屬于鏈反應(yīng)，而大部分工業(yè)環(huán)境中發(fā)生的爆炸問(wèn)題多可以用熱爆炸理論加以解釋。下面主要討論與熱爆炸相關(guān)問(wèn)題。

第2頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-1熱爆炸的爆炸行為任何有化學(xué)反應(yīng)的封閉系統(tǒng)都有爆炸延遲時(shí)間，爆炸延遲時(shí)間不僅是系統(tǒng)反應(yīng)溫度的指數(shù)函數(shù)，而且還是濃度的冪函數(shù)。（9-9）爆炸延遲時(shí)間為第3頁(yè)，共41頁(yè)。泄漏造成的火災(zāi)包括：閃燃火災(zāi)、油池火災(zāi)、火球、射流火災(zāi)等描述火災(zāi)完整模型包括以下參數(shù)：火焰形狀及尺寸熱釋放速率熱輻射火焰溫度火焰發(fā)射率表面發(fā)射功率形狀因子

第4頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-2火球的發(fā)展過(guò)程第5頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-3火球熱輻射的計(jì)算框圖圖9-4射流火災(zāi)熱輻射的計(jì)算框圖第6頁(yè)，共41頁(yè)。1.2毒物泄露的后果分析有毒物質(zhì)對(duì)人的作用的分類(lèi)有毒物質(zhì)對(duì)人的作用，按照接觸時(shí)間的長(zhǎng)短和毒物的濃度可以分為兩類(lèi)：（1）急性中毒----發(fā)生在短時(shí)間高濃度的情況下，例如一氧化碳中毒。（2）慢性中毒----發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間接觸低濃度的情況下，例如石棉和鉛中毒等。氯氣和氨氣是兩種最重要最常見(jiàn)的毒性物質(zhì)。第7頁(yè)，共41頁(yè)。2.毒性評(píng)價(jià)指標(biāo)通常，毒性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有四種：（1）絕對(duì)致死量（LD100或LC100)----指在該組量下全組的染毒動(dòng)物全部死亡時(shí)的最小劑量或濃度。（2）半數(shù)致死量或濃度（LD50或LC50)----指染毒動(dòng)物有半數(shù)死亡的劑量或濃度。（3）最小致死量或濃度（MLD或MLC)----指全組染毒動(dòng)物中有個(gè)別動(dòng)物死亡的劑量或濃度。（4）最大耐受量或濃度（LD0或LC0)----指全組染毒動(dòng)物全部存活的劑量或濃度。除了用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的死亡表示毒性之外，毒物又可分為劇毒，高毒，中等毒，低毒和微毒五個(gè)等級(jí)。第8頁(yè)，共41頁(yè)。3.有毒物質(zhì)后果分析計(jì)算假定泄露為連續(xù)泄露源，并假定泄露速度為常數(shù)，基于穩(wěn)態(tài)高斯分布模型，毒氣濃度分布為(9-24)離泄露點(diǎn)為x距離的濃度服從高斯分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差與滿(mǎn)足(9-25)計(jì)算z=0面上的濃度，即：(9-26)第9頁(yè)，共41頁(yè)。將式（9-25）代入式（9-26），有(9-27)由前面的假設(shè)可以認(rèn)為：傷害面積A內(nèi)各點(diǎn)的毒物濃度C(x,y)≥LC50；于是在x軸上濃度為L(zhǎng)C50的點(diǎn)的距離為(9-29)顯然當(dāng)距離大于xc時(shí)，地面上的濃度小于LD50第10頁(yè)，共41頁(yè)。1.3余熱鍋爐及其關(guān)鍵部件的傳熱計(jì)算（1）物性計(jì)算----根據(jù)熱氣體的組成和參數(shù)（溫度、壓力），進(jìn)行與混合氣體有關(guān)的物性（例如粘度、重度、熱導(dǎo)率、比熱容、焓等）計(jì)算。（2）換熱量計(jì)算----根據(jù)熱氣體的進(jìn)出口條件，由熱平衡方程求出換熱量，然后再確定余熱鍋爐的水蒸氣蒸發(fā)量。（3）選型----根據(jù)熱氣體和蒸氣的溫度、壓力以及熱氣體的物理、化學(xué)性質(zhì)，選擇余熱鍋爐的形式、結(jié)構(gòu)與材料。（4）傳熱面積的計(jì)算（5）校核傳熱危險(xiǎn)區(qū)域第11頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-5余熱鍋爐爐管的兩種排列方式第12頁(yè)，共41頁(yè)。1.爐頭管板的一般結(jié)構(gòu)圖9-6爐管單元的軸向結(jié)構(gòu)第13頁(yè)，共41頁(yè)。2.邊界條件的分析圖9-7給出了簡(jiǎn)化后的爐管單元導(dǎo)熱的區(qū)域圖圖9-7簡(jiǎn)化后爐單元的導(dǎo)熱區(qū)域第14頁(yè)，共41頁(yè)。其邊界條件分析如下：（1）BC邊界----為絕熱邊界。（2）AB邊界----爐內(nèi)輻射兼對(duì)流換熱，以輻射為主。（3）AE邊界----進(jìn)口段為對(duì)流換熱兼管內(nèi)氣體輻射。（4）CD邊界----為是沸騰換熱邊界，高溫?zé)煔鈱?duì)爐頭的傳熱經(jīng)此邊界傳給沸騰水。顯然當(dāng)考慮沸騰換熱與管板中的導(dǎo)熱耦合時(shí)，管板表面的溫度是未定的。（5）DE邊界----DE邊界以外是爐管和瓷套管伸出管板表面的部分，其結(jié)構(gòu)及傳熱分析如圖9-8所示。第15頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-8DE邊界的傳熱分析簡(jiǎn)圖第16頁(yè)，共41頁(yè)。3.管板的溫度場(chǎng)計(jì)算及邊界條件的確定管板的溫度場(chǎng)服從均勻介質(zhì)中、二維軸對(duì)稱(chēng)、穩(wěn)定導(dǎo)熱、無(wú)內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程，即：(9-30)相應(yīng)的邊界條件確定如下（見(jiàn)圖9-7）：（1）BC邊界----為絕熱邊界，故有(9-31)第17頁(yè)，共41頁(yè)。（2）AB邊界----高溫氣體層對(duì)邊界的輻射與對(duì)流放射。輻射放熱可由下式確定，即(9-33)對(duì)流換熱是由爐頭接管的出口噴射的垂直于端面的氣流所產(chǎn)生的對(duì)流換熱，其公式為(9-32)于是輻射與對(duì)流的綜合換熱系數(shù)為(9-34)第18頁(yè)，共41頁(yè)。（3）AE邊界----圓管入口段的對(duì)流換熱為(9-35)圓管內(nèi)AE邊的輻射與對(duì)流綜合換熱系數(shù)為(9-36)（4）CD邊界----此處為沸騰換熱面，并且屬于大容器沸騰，在p=0.2×105~98×105Pa飽和蒸汽壓力下，水的沸騰換熱系數(shù)為(9-37)第19頁(yè)，共41頁(yè)。（5）DE邊界----可當(dāng)作絕熱邊界處理，即(9-38)因此，主方程式（9-30）連同邊界條件（9-31）~（9-38）便構(gòu)成了管板溫度場(chǎng)問(wèn)題的完整方程組。顯然該方程組可用數(shù)值方法進(jìn)行求解。第20頁(yè)，共41頁(yè)。1.4氣相爆炸與粉塵爆炸所謂爆炸是大量能量（即物理能量或化學(xué)能量）在瞬間迅速釋放或急劇轉(zhuǎn)化為功、機(jī)械、光、熱等能量形態(tài)的現(xiàn)象，是物質(zhì)的一種快速膨脹過(guò)程。爆炸可分為物理爆炸和化學(xué)爆炸，前者在爆炸過(guò)程中只發(fā)生物理狀態(tài)的變化例如鍋爐爆炸、雷電、地震、高速碰撞等；后者在爆炸過(guò)程中即有物理變化，又有化學(xué)變化例如炸藥爆炸、瓦斯爆炸、粉塵爆炸等。氣體和粉塵爆炸是工業(yè)爆炸災(zāi)害的重要形式，它是一種非點(diǎn)源的爆炸，與炸藥爆炸有很大區(qū)別。第21頁(yè)，共41頁(yè)。這類(lèi)燃燒爆炸變化的范圍很寬廣，從速度量級(jí)來(lái)看，常見(jiàn)碳?xì)浠衔锏臍怏w燃料與空氣在化學(xué)當(dāng)量配比下得到的混合物其基本燃燒速度為0.5m/s的量級(jí)，而同樣燃料混合物轉(zhuǎn)變成爆轟時(shí)，其波陣面?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá)2000m/s的量級(jí)，速度變化跨4個(gè)數(shù)量級(jí)。從壓力量級(jí)來(lái)看，從氣體燃燒到固體含能材料的爆轟，這時(shí)壓力變化跨6個(gè)數(shù)量級(jí)。氣體和粉塵燃燒爆炸的模式大致可有四種：①定壓燃燒；②爆燃；③定容爆炸；④爆轟。第22頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-9爆燃波示意圖第23頁(yè)，共41頁(yè)。粉塵爆炸的實(shí)質(zhì)是氣體爆炸，而使粉塵表面升溫氣化的主要原因是熱輻射，氣體爆炸時(shí)，氣體燃燒熱的供給主要靠熱傳導(dǎo)。圖9-10粉塵爆炸過(guò)程第24頁(yè)，共41頁(yè)。1.5高速飛行器重返大氣層時(shí)的熱防護(hù)高速飛行器類(lèi)型再入速度地球軌道飛行器第一宇宙速度其他星球探測(cè)器(如月球探測(cè)器)第二宇宙速度洲際彈道導(dǎo)彈彈頭7km/s左右第25頁(yè)，共41頁(yè)。高速飛行器的熱防護(hù)問(wèn)題是高速飛行中面臨的重要難題之一，許多宇航飛行器重返大氣層時(shí)氣流的滯止溫度高達(dá)10000k，為了使飛行器免于燒毀，燒蝕防熱是常用的一種手段，本節(jié)從傳熱與傳質(zhì)的角度出發(fā)去分析這種防護(hù)措施的物理與化學(xué)方面的機(jī)理。圖9-11燒蝕冷卻的簡(jiǎn)化模型第26頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-12邊界層內(nèi)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布第27頁(yè)，共41頁(yè)。(9-51a)(9-51b)(9-51c)(9-51d)這里仍假定每一組分的擴(kuò)散系數(shù)均相等并且都等于D，式（9-51a）～（9-51d）適用于邊界層內(nèi)的內(nèi)、外層，邊界條件為第28頁(yè)，共41頁(yè)。（火焰表面）（9-52a）

（9-52b）

（9-52c）

在邊界層內(nèi)層中，碳是單向擴(kuò)散，而N2與CO對(duì)壁面是呆滯組分，于是有[84～98]：(9-53)(9-54)第29頁(yè)，共41頁(yè)。根據(jù)火焰表面上發(fā)生完全燃燒過(guò)程的假定以及C、O2與CO的分子量分別為12、32與28，于是碳與O2向火焰表面的擴(kuò)散速率之比為即（9-59）（9-60）因此（9-53）、（9-59）與（9-60）式就是所需要的三個(gè)補(bǔ)充附加關(guān)系式。于是便可由（9-51a）～（9-51d）式求出各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布。第30頁(yè)，共41頁(yè)。引進(jìn)相似變量及無(wú)量綱質(zhì)量分?jǐn)?shù)，（9-51a）～（9-51c）以及三個(gè)附加關(guān)系式變換為（j＝N，O，C）（9-62）（9-63）第31頁(yè)，共41頁(yè)。邊界條件為（9-65）因此由主方程組（9-62）與（9-63）式以及邊界條件（9-65）式便可得到ωC,W，ωN,W及yf的值；另外還可得到邊界層內(nèi)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即ωN，ωC與ωO）的分布（如圖9-12所示）。第32頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-13給出了噴注參量與無(wú)量綱邊界層厚度η0.99（即以0.99u∞為邊界層定義的η值）間的曲線(xiàn)以及與無(wú)量綱火焰表面位置ηf間的曲線(xiàn)，圖9-13與ηf間的變化曲線(xiàn)第33頁(yè)，共41頁(yè)。以T1與T2分別表示邊界層內(nèi)層與外層(以火焰表面為分界)的溫度，于是：（9-67b）（9-67a）（9-68）邊界條件為第34頁(yè)，共41頁(yè)。（9-70）邊界條件為（9-72）（9-74）式(9-70)、式(9-72)以及式(9-74)構(gòu)成了邊界層溫度場(chǎng)求解的基本方程組及邊界條件。第35頁(yè)，共41頁(yè)。圖9-14邊界層內(nèi)的溫度分布圖9-14給出了邊界層內(nèi)的溫度分布。顯然，在邊界層內(nèi)的溫度分布求出后，則通過(guò)壁面的熱流密度便可以由傅里葉定律確定，即（9-75）第36頁(yè)，共41頁(yè)。數(shù)值傳熱學(xué)初步及相關(guān)計(jì)算軟件簡(jiǎn)介第37頁(yè)，共41頁(yè)。1數(shù)值傳熱學(xué)與計(jì)算流體力學(xué)之間的關(guān)聯(lián)與區(qū)別在CFD（ComputationalFluidDynamics）中對(duì)于無(wú)粘流動(dòng)，人們十分重視改善激波的捕捉質(zhì)量與提高激波的分辨率；而對(duì)于粘性流動(dòng)，流場(chǎng)里渦系的分布規(guī)律以及熵增的分布和損失分布格外關(guān)注。在CHT（ComputationalHeatTransfer）中，無(wú)論是穩(wěn)定的或非穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，其分析問(wèn)題的著眼點(diǎn)都放在能量方程上，而對(duì)于對(duì)流傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題，無(wú)論是強(qiáng)迫對(duì)流傳熱與傳質(zhì)，還是自然對(duì)流換熱與傳質(zhì)，都必須從連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程以及質(zhì)量組分方程出發(fā)，對(duì)基本方程組進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)立求解。第38頁(yè)，共41頁(yè)。2流動(dòng)與傳熱控制方程組的統(tǒng)一形式及定解條件2.1基本控制方程組的統(tǒng)一形式2.2初始條件與邊界條件圖10-1突擴(kuò)區(qū)域內(nèi)流動(dòng)與換熱問(wèn)題的計(jì)算域第39頁(yè)，共41頁(yè)。3SIMPLE算法扼要簡(jiǎn)介SIMPLE