工程中的几个传热传质专题

工程中的几个传热传质专题第一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.1火灾及相应的模型的初步分析1.1.1失控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第二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2.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。

第三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六图9-1热爆炸的爆炸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，而且还是浓度的幂函数。（9-9）爆炸延迟时间为第四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.1.2泄露造成的火灾以及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包括以下参数：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

第五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六图9-2火球的发展过程第六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.1.3火灾模拟计算的简介图9-3火球热辐射的计算框图图9-4射流火灾热辐射的计算框图第七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.2毒物泄露的后果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。第八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2.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，高毒，中等毒，低毒和微毒五个等级。第九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六3.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，毒气浓度分布为(9-24)离泄露点为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)第十页，共四十二页，编辑于2023年，星期六将式（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C(x,y)≥LC50；于是在x轴上浓度为LC50的点的距离为(9-29)显然当距离大于xc时，地面上的浓度小于LD50第十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3余热锅炉及其关键部件的传热计算1.3.1余热锅炉热力计算的大致步骤（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）校核传热危险区域第十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.3.2管板温度场的计算图9-5余热锅炉炉管的两种排列方式第十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.炉头管板的一般结构图9-6炉管单元的轴向结构第十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2.边界条件的分析图9-7给出了简化后的炉管单元导热的区域图图9-7简化后炉单元的导热区域第十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六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伸出管板表面的部分，其结构及传热分析如图9-8所示。第十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六图9-8DE边界的传热分析简图第十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六3.管板的温度场计算及边界条件的确定管板的温度场服从均匀介质中、二维轴对称、稳定导热、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)第十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六（2）AB边界----高温气体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)第十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六（3）AE边界----圆管入口段的对流换热为(9-35)圆管内AE边的辐射与对流综合换热系数为(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=0.2×105~98×105Pa饱和蒸汽压力下，水的沸腾换热系数为(9-37)第二十页，共四十二页，编辑于2023年，星期六（5）DE边界----可当作绝热边界处理，即(9-38)因此，主方程式（9-30）连同边界条件（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。第二十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.4气相爆炸与粉尘爆炸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。第二十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六

这类燃烧爆炸变化的范围很宽广，从速度量级来看，常见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：①定压燃烧；②爆燃；③定容爆炸；④爆轰。第二十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.4.1气相爆炸图9-9爆燃波示意图第二十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.4.2粉尘爆炸粉尘爆炸的实质是气体爆炸，而使粉尘表面升温气化的主要原因是热辐射，气体爆炸时，气体燃烧热的供给主要靠热传导。图9-10粉尘爆炸过程第二十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.5高速飞行器重返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7km/s左右第二十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六

高速飞行器的热防护问题是高速飞行中面临的重要难题之一，许多宇航飞行器重返大气层时气流的滞止温度高达10000k，为了使飞行器免于烧毁，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烧蚀冷却的简化模型第二十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.5.1烧蚀问题中边界层的传质计算图9-12边界层内组分的质量分数分布第二十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六(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）适用于边界层内的内、外层，边界条件为第二十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六（火焰表面）（9-52a）

（9-52b）

（9-52c）

在边界层内层中，碳是单向扩散，而N2与CO对壁面是呆滞组分，于是有[84～98]：(9-53)(9-54)第三十页，共四十二页，编辑于2023年，星期六根据火焰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。第三十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期六引进相似变量及无量纲质量分数，（9-51a）～（9-51c）以及三个附加关系式变换为

（j＝N，O，C）（9-62）（9-63）第三十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期六边界条件为（9-65）因此由主方程组（9-62）与（9-63）式以及边界条件（9-65）式便可得到ωC,W，ωN,W及yf的值；另外还可得到边界层内各组分质量分数（即ωN，ωC与ωO）的分布（如图9-12所示）。第三十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期六图9-13给出了喷注参量与无量纲边界层厚度η0.99（即以0.99u∞为边界层定义的η值）间的曲线以及与无量纲火焰表面位置ηf间的曲线，图9-13与ηf间的变化曲线第三十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1.5.2烧蚀问题中边界层的传热计算以T1与T2分别表示边界层内层与外层(以火焰表面为分界)的温度，于是：（9-67b）（9-67a）（9-68）边界条件为第三十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期六（9-70）边界条件为（9-72）（9-74）式(9-70)、式(9-72)以及式(9-74)构成了边界层温度场求解的基本方程组及边界条件。第三十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期六图9-14边界层内的温度分布图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，则通过壁面的热流密度便可以由傅里叶定律确定，即（9-75）第三十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期六数值传热学初步及相关计算软件简介第三十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期六1数值传热学与计算流体力学之间的关联与区别

在CFD（ComputationalFluidDynamics）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，流场里涡系的分布规律以及熵增的分布和损失分布格外关注。在CHT（ComputationalHeatTransfer）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。第三十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期六2