工程中的幾個(gè)傳熱傳質(zhì)專題

工程中的幾個(gè)傳熱傳質(zhì)專題第一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.1火災(zāi)及相應(yīng)的模型的初步分析1.1.1失控放熱反應(yīng)及爆炸延遲時(shí)間1.燃燒理論定義：燃燒一般指某些物質(zhì)在較高溫度時(shí)與氧氣化合而發(fā)生激烈氧化反應(yīng)并釋放出大量熱量的現(xiàn)象。包括熱量傳遞、動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和高速化學(xué)反應(yīng)的綜合物理化學(xué)過程。機(jī)理：燃燒是一種鏈鎖反應(yīng)，通過一系列中間反應(yīng)和活性中間產(chǎn)物的連續(xù)傳遞來實(shí)現(xiàn)。

條件：有可燃物質(zhì)存在有助燃物質(zhì)存在有可能導(dǎo)致燃燒的能源第二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日2.爆炸理論定義：從消防觀點(diǎn)來說，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)問題。

第三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D9-1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)間為第四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.1.2泄露造成的火災(zāi)以及相應(yīng)模型的初步分析泄漏造成的火災(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

第五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D9-2火球的發(fā)展過程第六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.1.3火災(zāi)模擬計(jì)算的簡(jiǎn)介圖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)算框圖第七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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：（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的毒性物質(zhì)。第八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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)。第九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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)偏差與滿足(9-25)計(jì)算z=0面上的濃度，即：(9-26)第十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日將式（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第十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.3余熱鍋爐及其關(guān)鍵部件的傳熱計(jì)算1.3.1余熱鍋爐熱力計(jì)算的大致步驟（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)域第十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.3.2管板溫度場(chǎng)的計(jì)算圖9-5余熱鍋爐爐管的兩種排列方式第十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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)第十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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)域第十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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。第十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D9-8DE邊界的傳熱分析簡(jiǎn)圖第十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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、穩(wěn)定導(dǎo)熱、無內(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（見圖9-7）：（1）BC邊界----為絕熱邊界，故有(9-31)第十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日（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)第十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日（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)第二十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日（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。第二十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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)的一種快速膨脹過程。爆炸可分為物理爆炸和化學(xué)爆炸，前者在爆炸過程中只發(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。第二十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

這類燃燒爆炸變化的范圍很寬廣，從速度量級(jí)來看，常見碳?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。第二十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.4.1氣相爆炸圖9-9爆燃波示意圖第二十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.4.2粉塵爆炸粉塵爆炸的實(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粉塵爆炸過程第二十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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左右第二十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日

高速飛行器的熱防護(hù)問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)化模型第二十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.5.1燒蝕問題中邊界層的傳質(zhì)計(jì)算圖9-12邊界層內(nèi)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布第二十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日(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，邊界條件為第二十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日（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)第三十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)火焰表面上發(fā)生完全燃燒過程的假定以及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。第三十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日引進(jìn)相似變量及無量綱質(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）第三十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日邊界條件為（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）。第三十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D9-13給出了噴注參量與無量綱邊界層厚度η0.99（即以0.99u∞為邊界層定義的η值）間的曲線以及與無量綱火焰表面位置ηf間的曲線，圖9-13與ηf間的變化曲線第三十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.5.2燒蝕問題中邊界層的傳熱計(jì)算以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）邊界條件為第三十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日（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。第三十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D9-14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，則通過壁面的熱流密度便可以由傅里葉定律確定，即（9-75）第三十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)值傳熱學(xué)初步及相關(guān)計(jì)算軟件簡(jiǎn)介第三十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日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，無論是穩(wěn)定的或非穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)問題，其分析問題的著眼點(diǎn)都放在能量方程上，而對(duì)于對(duì)流傳熱與傳質(zhì)問題，無論是強(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。第三十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日2流動(dòng)