Разделы презентаций


Лекция №10 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УЧЕНИЯ О КОНВЕКТИВНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ Основные презентация, доклад

Содержание

Основные понятия и определения Конвективным теплообменом называется передача теплоты при движении жидкости. В реальных условиях конвекция теплоты всегда сопровождается молекулярным переносом теплоты, а иногда и лучистым теплообменом. Конвективный теплообмен

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1

Лекция №10
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УЧЕНИЯ

О КОНВЕКТИВНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ

Основные понятия и определения
Дифференциальное уравнение теории конвективного теплообмена
Условия однозначности для процессов конвективного теплообмена

Э

нергомашиностроение.

6

Лекции по ТТМО
доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.

Лекция №10ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УЧЕНИЯ

Слайд 2Основные понятия и определения
Конвективным теплообменом называется передача теплоты

при движении жидкости. В реальных
условиях конвекция теплоты всегда сопровождается

молекулярным переносом теплоты, а иногда и
лучистым теплообменом.
Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой
(твердым телом, жидкостью или газом) называется теплоотдачей.
Конвективный теплообмен при движении жидкости под действием неоднородного поля массовых
сил (гравитационного, магнитного, электрического) называется свободной конвекцией.
Конвективный теплообмен при движении жидкости под действием внешних сил, приложенных на
границах системы, или однородного поля массовых сил, приложенных к жидкости внутри системы,
или за счет кинетической энергии, сообщенной жидкости вне системы, называется вынужденной
конвекцией.
Процесс теплоотдачи называется стационарным, если поле температур в жидкости не зависит от
времени, и нестационарным, если распределение температур в потоке зависит от времени.

(1)

где – коэффициент теплоотдачи.

(2)

(3)

Основные понятия и определения  Конвективным теплообменом называется передача теплоты при движении жидкости. В реальных условиях конвекция

Слайд 3Ниже приведен порядок значений коэффициента теплоотдачи для различных
условий конвективного

теплообмена, Вт/(м2К):

Свободная гравитационная конвекция в газах 5 — 30
Свободная конвекция

воды 102 — 103
Вынужденная конвекция газов 10 — 500
Вынужденная конвекция воды 500 — 2•104
Кипение воды 2•103 — 5•105
Жидкие металлы 102 — 3•104
Пленочная конденсация водяных паров 4•103 — 1,5•104
Капельная конденсация водяных наров 4•104 —1,2•105

Обычно температура жидкости в условиях теплоотдачи изменяется от Тж до Тст в некоторой области,
называемой пограничным слоем.

(4)

где δT – толщина теплового пограничного слоя.

(5)

Значение коэффициента теплоотдачи зависит от:
1) причины движения жидкости (естественная или вынужденная конвекция)
2) режима течения жидкости(ламинарный или турбулентный)
3) скорости жидкости, теплофизических параметры жидкости, геометрической формы и размеров тела,
наличия фазовых переходов.

Ниже приведен порядок значений коэффициента теплоотдачи для различных условий конвективного теплообмена, Вт/(м2К):Свободная гравитационная конвекция в газах 		5

Слайд 4
Удельные плотности тепловых потоков различных источников теплоты, с которыми приходится

иметь дело
в современной технике, приведены ниже, Вт/м2:
Тепловое излучение Солнца

перпендикулярно поверхности Земли в полдень 1,4 • 103
Теплообменники на электростанциях 5 • 106
Реактивные двигатели на химическом топливе 7 • 107
Излучение поверхности Солнца 7,4 • 107
Тепловой поток к головной части спускаемых космических
аппаратов (скорость 11 км/с, масса 10т) 2 • 108
Реактивные двигатели на ядерном горючем 6 • 108
Термоядерные реактивные двигатели 109
Лазерное излучение 1012 -1020

Рис. 1. Схема охлаждения лопатки газовой турбины
авиационного двигателя

Современная теория конвективного теплообмена базируется на
следующих основных предпосылках:
движущая среда, используемая для переноса теплоты, рассматривается как сплошная среда;
система дифференциальных уравнений, описывающая процессы конвективного теплообмена, выводится на основе ба­ лансовых уравнений сохранения энергии, вещества и количества движения;
для замыкания исходной системы дифференциальных уравнений используются гипотезы, устанавливающие связь меж­ ду тепловым потоком и градиентом температур, а также между трением и градиентом скоростей;
физические параметры жидкости (вязкость µж, плотность теплоемкость срж и теплопроводность λж) считаются извест­ ными функциями параметров состояния.

Удельные плотности тепловых потоков различных источников теплоты, с которыми приходится иметь дело в современной технике, приведены ниже,

Слайд 5Дифференциальные уравнения теории конвективного теплообмена
Закон сохранения для движущейся среды
Первое начало

термодинамики для элементарного объема движущейся среды можно записать в виде
где

QV - количество теплоты, поступающей в единицу объема в единицу времени, Вт/м3; LV - работа,
совершаемая внешними силами над единицей объема среды в единицу времени, Вт/м3; τ - время, с;
р - плотность среды, кг/м3; и - удельная внутренняя энергия, Дж/кг; w - скорость движения среды, м/с.

где h - энтальпия, Дж/кг; р - давление, Па; v - удельный объем, м3/кг.

где qV - интенсивность внутренних источников теплоты (таких, как объемные химические реакции,
радиоактивный распад, работа трения и т.п.), Вт/м3.

(12)

(11)

(10)

(9)

(8)

(7)

(6)

Дифференциальные уравнения теории конвективного теплообменаЗакон сохранения для движущейся средыПервое начало термодинамики для элементарного объема движущейся среды можно

Слайд 6где Dh/Dτ - субстанциональная производная
Для неподвижной среды
При отсутствии

внутренних источников теплоты из уравнения (16) имеем
(19)
(18)
(17)
(16)
(15)
(14)
(13)

где Dh/Dτ - субстанциональная производная Для неподвижной среды При отсутствии внутренних источников теплоты из уравнения (16) имеем(19)(18)(17)(16)(15)(14)(13)

Слайд 7Закон сохранения вещества для потока жидкости

Закон сохранения массы жидкости М

в произвольном объеме V, ограниченном поверхностью F,
можно записать в

виде

Введем вектор плотности потока массы

Уравнение неразрывности

(26)

(25)

(24)

(23)

(22)

(21)

(20)

Закон сохранения вещества для потока жидкостиЗакон сохранения массы жидкости М в произвольном объеме V, ограниченном поверхностью F,

Слайд 8В прямоугольных координатах
Для плоского течения
Для осесимметричного течения
Для несжимаемой жидкости ρ

= const и уравнение неразрывности имеет вид
(31)
(30)
(29)
(28)
(27)

В прямоугольных координатахДля плоского теченияДля осесимметричного теченияДля несжимаемой жидкости ρ = const и уравнение неразрывности имеет вид(31)(30)(29)(28)(27)

Слайд 9Закон сохранения количества движения вязкой жидкости

Главный вектор количества движения жидкости,

находящейся в объеме V
(38)
(37)
(36)
(35)
(34)
(33)
(32)

Закон сохранения количества движения вязкой жидкостиГлавный вектор количества движения жидкости, находящейся в объеме V (38)(37)(36)(35)(34)(33)(32)

Слайд 10В соответствии с гипотезой Ньютона касательное напряжение (напряжение сдвига) в

плоском потоке вязкой
жидкости связано с производной от скорости по

нормали к направлению потока простым соотношением

Динамическая вязкость газа в зависимости от температуры достаточно удовлетворительно описывается
формулой Сазерленда

(42)

(41)

(40)

(39)

В соответствии с гипотезой Ньютона касательное напряжение (напряжение сдвига) в плоском потоке вязкой жидкости связано с производной

Слайд 11Для воздуха
Для практических расчетов можно использовать степенную зависимость
Обобщенный закон

Ньютона представляет линейную зависимость напряжений от скорости деформации
Здесь р

- давление жидкости в любой точке потока; координаты х, у, z обозначены через хi , (i = 1, 2, 3)
соответственно.
Жидкость, подчиняющаяся закону Ньютона, называется ньютоновской жидкостью.
Уравнение движения ньютоновской жидкости в векторной форме имеет вид

(46)

(45)

(44)

(43)

при

при

Для воздуха Для практических расчетов можно использовать степенную зависимостьОбобщенный закон Ньютона представляет линейную зависимость напряжений от скорости

Слайд 12Здесь Dw/Dτ - вектор с проекциями Dwx/Dτ , Dwv/Dτ ,

Dwz/Dτ ; S - тензор скоростей деформаций,
компонентами которого являются
В

проекциях на прямоугольную систему координат векторное уравнение (46) запишется в виде трех
уравнений, которые называются уравнениями Навье-Стокса:

Для изотермического течения несжимаемой жидкости ( = const) и (µ = const)

(49)

(48)

(47)

Здесь Dw/Dτ - вектор с проекциями Dwx/Dτ , Dwv/Dτ , Dwz/Dτ ; S - тензор скоростей деформаций,

Слайд 13В проекциях на прямоугольные оси координат будем иметь
Проекция уравнения

движения на ось Ох в цилиндрических координатах запишется в виде
(51)
(50)

В проекциях на прямоугольные оси координат будем иметь Проекция уравнения движения на ось Ох в цилиндрических координатах

Слайд 14Дифференциальное уравнение переноса массы

Рассмотрим перенос массы данного вещества с плотностью

ρк в движущейся среде.
Тогда во всем объеме V в единицу

времени будет образовываться количество вещества, равное

где К1 и К2 - постоянные коэффициенты

(58)

(57)

(56)

(55)

(53)

(52)

(54)

где

Дифференциальное уравнение переноса массыРассмотрим перенос массы данного вещества с плотностью ρк в движущейся среде.Тогда во всем объеме

Слайд 15Введем следующие обозначения для коэффициента диффузии, термодиффузионного коэффициента и
бародиффузионного

отношения соответственно:
Первый член в правой части этого уравнения характеризует молекулярный

перенос массы k-ой компоненты
под действием градиента концентраций (закон диффузии Фика), второй определяет перенос массы
вследствие термодиффузии (эффект Соре), а третий характеризует бародиффузию (диффузию массы под
влиянием градиента общего давления). В большинстве случаев термодиффузией и бародиффузией можно
пренебречь и ограничиться законом Фика

(60)

(59)

Введем следующие обозначения для коэффициента диффузии, термодиффузионного коэффициента и бародиффузионного отношения соответственно:Первый член в правой части этого

Слайд 16В декартовых и в цилиндрических координатах уравнения имеет вид соответственно:
Уравнение

диффузии типа (61) следует записать для каждой компоненты смеси. Общее

количество
уравнений диффузии на единицу меньше числа компонент смеси, так как для массовых долей компонент
смеси имеется еще одно дополнительное условие

(64)

(63)

(62)

(61)

В декартовых и в цилиндрических координатах уравнения имеет вид соответственно:Уравнение диффузии типа (61) следует записать для каждой

Слайд 17Система уравнений для турбулентного движения жидкости
Из гидродинамики известно, что существуют

два режима течения жидкости: ламинарный и
турбулентный. При ламинарном течении

частицы жидкости следуют в потоке по вполне
определенным главным траекториям, все время сохраняя движение в направлении вектора средней
скорости потока, а возникающие в потоке случайные нерегулярности не развиваются, а гаснут. При
турбулентном течении в потоке возникают пульсации скорости, отдельные объемы жидкости
начинают двигаться поперек потока, причем эти объемы существенно больше тех, к которым можно
применить понятие дифференциального объема сплошной среды. Следовательно, общие уравнения
гидродинамики применимы и к турбулентному течению.
Турбулентное течение, строго говоря, является нестационарным, однако если осредненные по
времени скорости не изменяются или изменяются медленно, то действительную скорость можно
представить в виде суммы

(67)

(66)

(65)

Система уравнений для турбулентного движения жидкостиИз гидродинамики известно, что существуют два режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Слайд 18Для вывода уравнений осредненного движения турбулентного потока, следуя Рейнольдсу, примем


следующие правила осреднения:
где Ф - пульсационная составляющая φ
(68)
если

Для вывода уравнений осредненного движения турбулентного потока, следуя Рейнольдсу, примем следующие правила осреднения:где Ф - пульсационная составляющая

Слайд 19Из уравнений видно, что пульсации скорости вызывают появление новых членов,

стоящих в квадратных
скобках, аналогичных по смыслу членам вязкого трения.

Эти члены называются турбулентными
напряжениями и характеризуют дополнительный перенос количества движения молярными объемами
жидкости, перемещающимися вследствие пульсаций скорости.
В частности, для плоского установившегося турбулентного потока, когда скорость w - функция только
поперечной координаты у, из уравнений (68) имеем

Введем понятие турбулентного касательного напряжения

выражение для суммарных касательных напряжений

Турбулентная теплопроводность

(73)

(72)

(71)

(70)

(69)

Из уравнений видно, что пульсации скорости вызывают появление новых членов, стоящих в квадратных скобках, аналогичных по смыслу

Слайд 20где DT - коэффициент турбулентной диффузии.
Условия однозначности для процессов конвективного

теплообмена
Геометрические условия определяют форму и размеры твердого тела, на

поверхности которого
следует определить q или T, расположение поверхности нагрева в потоке жидкости.
Физические условия определяют численные значения физических условий жидкости ,
а также внутренние источники теплоты в потоке жидкости.
Временные условия учитывают особенности протекания процесса по времени и задаются в виде
начального распределения температур и скоростей.
Граничные условия определяют условия на поверхностях теплообмена и на границах потока.
Горизонтальную составляющую скорости на поверхности нагрева обычно принимают равной нулю
(условие прилипания жидкости к стенке). Вертикальная составляющая скорости на поверхности
нагрева в общем случае может быть отличной от нуля заданной или искомой величиной.
Тепловые граничные условия обычно включают задание температуры на поверхности нагрева или
тепловых потоков.
Так же как и в теории теплопроводности, различают три способа задания тепловых граничных условий.
При граничном условии I рода заданным является распределение температуры на поверхности
теплообмена. При граничном условии II рода известным является распределение удельного
теплового потока на поверхности теплообмена.
Граничное условие III рода связывает температуру поверхности теплообмена с температурой
окружающей среды через заданное значение коэффициента теплоотдачи. Обычно это условие
записывается в виде

(76)

(75)

(74)

где DT - коэффициент турбулентной диффузии.Условия однозначности для процессов конвективного теплообмена Геометрические условия определяют форму и размеры

Слайд 21Контрольные вопросы
Основные понятия и определения
Закон сохранения для движущейся среды
Закон сохранения

вещества для потока жидкости
Закон сохранения количества движения вязкой жидкости
Дифференциальное уравнение

переноса массы
Система уравнений для турбулентного движения жидкости
Условия однозначности для процессов конвективного теплообмена
Ньютоновская жидкость
Формула Сазерленда
Контрольные вопросыОсновные понятия и определенияЗакон сохранения для движущейся средыЗакон сохранения вещества для потока жидкостиЗакон сохранения количества движения

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика