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热工基础 第一章:基本概念 热力学基本概念 第二章:热力学基本定律(第一定律,第二定律) 第三章:几种工质(理想气体 与 水蒸气) 第四章:热力过程 定容过程、定压过程、定温过程、...
编辑于2022-11-07 16:30:52 北京市热工基础 第一章:基本概念 热力学基本概念 第二章:热力学基本定律(第一定律,第二定律) 第三章:几种工质(理想气体 与 水蒸气) 第四章:热力过程 定容过程、定压过程、定温过程、...
“均热板是一个内壁具微结构的真空腔体当热由热源传导至蒸发区时腔体裡面的工质会在低真空度的环境中便会开始產生液相气化的现象此时工质吸收热能并且体积迅速膨胀气相的工质会很快充满整个腔体当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会產生凝结的现象藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热凝结后的液相工质会藉由微结构的毛细现象再回到蒸发热源处此运作将在腔体内週而復始进行这就是均热板的运作方式 均热板(Vapor Chamber)介绍 均热板(
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热工基础 第一章:基本概念 热力学基本概念 第二章:热力学基本定律(第一定律,第二定律) 第三章:几种工质(理想气体 与 水蒸气) 第四章:热力过程 定容过程、定压过程、定温过程、...
“均热板是一个内壁具微结构的真空腔体当热由热源传导至蒸发区时腔体裡面的工质会在低真空度的环境中便会开始產生液相气化的现象此时工质吸收热能并且体积迅速膨胀气相的工质会很快充满整个腔体当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会產生凝结的现象藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热凝结后的液相工质会藉由微结构的毛细现象再回到蒸发热源处此运作将在腔体内週而復始进行这就是均热板的运作方式 均热板(Vapor Chamber)介绍 均热板(
热工基础与流体力学
1. 工程热力学基础
一、基本概念
热力系统
定义:根据研究工作的需要人为划定的 热力学研究对象,简称“系统”或“热力系”。
外界:热力系以外的物质称为外界。
边界:热力系与外界的分界面称为边界。
可以是假想的,变动的
热源
能源无限温度不变
分类
物质交换
闭口系统
开口系统
能量交换
热量交换
绝热系统
非绝热系统
功量交换(理想情况)
孤立系统
既是闭口系统也是绝热系统
非孤立系统
状态和基本参数
状态与平衡状态
状态:热力系统某一瞬间的宏观物理状况
平衡状态:在不受外界影响条件下系统宏观性质不随时间改变
状态参数
状态的物理量
单值函数
与初态终态参数有关,与状态路径无关
常见的参数状态
压力
P
温度
T=t+273.15
比体积
V/m
三个基本状态参数
熵焓
状态参数及参数坐标图
状态方程
两个相互独立的参数可确定平衡状态
参数坐标图
P-V
T-S
H-S
热力过程、准平衡过程
热力过程:由一个状态到另外一个状态
可逆过程
准平衡过程
无限接近平衡状态
经历一个过程之后,热力系统与外界同时恢复到初始状态(可能性)
功和热量
体积变化功
体积变化通过边界与外界交换的功
比功
单位质量的体积变化功
规定
正功
热力系统对外界做的功
外界对热力系统做的功
可逆过程的热量
热量:可逆过程与外界依靠温差传递热量
比热量:单位工质所传递的热量
循环
定义:从初态出发,经过一系列热力变化又回到初始状态的封闭热力过程
分类
可逆循环
全部由可逆过程组成
不可逆循环
部分或全部是不可逆过程
正向循环
热变功
逆向循环
功变热
二、热力学基本定律
热力学第一定律
定义:能量既不能创造也不能消灭,只能由一种形式向另一种形式转化,能量总量不变
储存能
E=U+mc^2/2+mgz
外储存能
宏观动能
mc^2/2
宏观位能
mgz
内部储存能U
热力学能
内动能
内位能
闭口系统热力学第一定律解析式
△E=△U=Q-W
开口系统稳定流动的能量方程
稳定流动
开口系统工质不随时间变化而变化的流动
推动功
开口系统与外界因为工质的流动而传递的机械功=mpv
q=△h+△c^2/2+g△z+ws 焓值+动能+位能+推动功
换热设备
实现冷热交换的设备q=h2-h1
喷管
降压加速
扩压管
降速升压
热力学第二定律
表述
不能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响
不能从单一热源取热使之完全转变为功而不产生其他影响
意义:能量的贬值
卡诺循环
两个等温过程,两个绝热过程
卡洛定理
效率只取决于t2-t1,与工质无关。
熵增原理
孤立系统中,一切实际过程都是朝着熵增大的方向进行,而任何使系统熵减小的过程都是不可能发生的
三、几种工质
理想气体
概念
分子是有弹性的,没有体积的质点。
分子间没有相互作用力
压力为零,体积无限 氧气,氮气,二氧化碳
简化计算
实际气体
不能忽略分子间的相互作用力
计算
PV/T=P1V1/T1
绝对压力
温度K
统一单位
理想气体的比热容
升高/降低一度所释放/吸收的能量
混和气体
水蒸气
两个状态
凝结
气化
三个参数
饱和状态
气液共存
饱和压力
饱和状态的压力
饱和温度
饱和状态的温度
五种状态
未饱和水
饱和水
湿蒸汽
干饱和蒸汽
饱和状态
过热蒸汽
三个阶段
预热阶段
气化阶段
过热阶段
一点两线三区五态
四、理想气体热力过程
分析的目标与方法
理想气体的热力过程
2. 传热学
第四版,杨世铭,陶文铨
热传导
定义:电子(固)、分子热运动(气)、晶格振动(非固)产生的热量传递
特点
无相对位移
都是热能
固液气
导热机理: 气体:分子不规则运动,从高能量到低能量 固体:自由电子运动 非固体: 晶格的结构振动产生,原子分子在其平衡位置附近的振动。 晶格结构振动的传递在文献中成为弹性声波, 弹性波能量的量子化为声子 液体:分子不规则运动(可能更为复杂), 或者晶格运动产生
傅里叶计算公式
导热系数
导热系数的影响因素,有物质的种类,物态以及温度密度,含水率
单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比,
导热微分方程式
定解条件
几何条件
物理条件
时间条件
边界条件
第1类边界条件:给出导热物体边界面上的温度分布及其时间的变化规律
第2类边界条件:给出导热物体边界面上的热流密度分布及其随时间的变化规律
第3类边界条件:给出导热体边界面上与周围流体进行对流换热的流体温度 及表面传热系数
稳态导热
通过平壁的导热
单层平壁
热阻概念:采用热阻的概念相应热度单元,
适用情况:一维、稳态,无热源情况
多层平壁
通过圆筒壁
单层圆筒壁
多层圆筒壁
通过球壳的导热
带第二类、第三类边界条件的导热
变截面或变导热系数的一维问题
通过肋片导热
加工方法:焊接、浸镀、胀管 接触热阻取决因素: 两种材料性质、表面粗糙度、界面上所受正压力
通过等截面直肋的导热
肋效率与肋面总效率
肋片的选用与最小重量肋片
接触热阻
具有内热源的一维导热
具有内热源的平板导热
具有内热源的圆柱导热
多维稳态导热求解
稳态导热问题方法简述
1. 分析解法 2. 数值解法 3. 模拟方法
计算导热量形状因子法
求解稳态导热分离变量法举例
非稳态导热
周期性
非周期性
导热微分方程解的唯一性定律
零维问题的分析方法:集中参数法
典型一维物体非稳态导热的分析解
半无限大物体的非稳态导热
简单几何形状物体多维非稳态导热分析解
热对流
1.存在流体的宏观流动和温差 2.流体和壁面有接触 3.同时存在热传导和热对流 4.无能量形式之间的转换
不同流体发生相对位移而产生的热量传递
分类:自然对流和强制对流 自然对流:由于流体各部分密度不同而引起 (暖气片附近,空气受热向上流动) 强制对流:由于水泵、风机、和其他压差作用造成的 (冷油气、冷凝器管道内冷却水流动由水泵驱动)
对流传热概述
影响因素
影响因素: 1.流体流动起因:自然对流 还是强制对流 2.流体有无相变: 没有相变:靠流体显热变化而实现 有相变:靠 相变热(潜热)来吸收或释放 3.流体流动状态: 层流 和 湍流 4.换热表面几何因素: 换热表面形状、大小、换热表面和流体运动方向的相对位置以及 换热表面的状态(光滑或粗糙) 5.流体的物理性质: 流速 特征长度 密度 年度 导热系数 比热容
对流传热现象分类
层流和湍流
对流传热研究方法
分析 实验 数值 比拟
从解得的温度场获得表面传热系数
牛顿冷却公式
对流传热问题数学描写
质量、动量、能量守恒方程
运动流体能量方程推导
对流传热问题完整数学描写
边界层型对流传热问题数学描写
流动边界层及边界层动量方程
边界层及热边界层能量方程
二维、稳态边界层型对流传热问题的数学描述
流体外掠平板传热层流分析及比拟理论
流体外掠等温平板传热的层流分析解
特征数方程
表示 动量扩散能力 和 热扩散能力 的相对大小
普朗特数物理意义
流动边界层 和 热边界层 的相对大小
比拟论的基本思想
比拟论的基本运用
单相对流传热
相似原理与量纲分析
物理现象相似的定义
相似原理的基本内容
导出相似特征数的两种方法
相似原理应用
指导实验的安排和数据的处理
指导模化实验
应用特征方程需要注意的点
对实验关联准确性的认识
内部强制对流传热的实验关联式
管槽内强制对流流动与换热的一些特点
管槽内湍流强制对流传热关联式
管槽内层流强制对流传热关联式
微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热简介
外部强制对流传热-流体恒掠单管、球体及管束的实验关联式
流体横掠单管的实验结果
流体外掠球体的实验结果
流体外掠管束的实验结果
大空间与有限空间内自然对流传热的实验关联式
自然对流传热现象的特点
自然对流传热的控制方程与相似特征数
大空间自然对流传热的实验关联式
有限空间自然对流传热的实验关联式
混合对流简介
射流冲击传热的实验关联式
单个圆喷嘴射流的流场结构及局部换热强度的分布特点
单个圆喷嘴射流平均传热实验特性的实验关联式
单个狭缝喷嘴射流平均传热特性的实验关联式
相变对流传热
凝结传热的模式
沸腾和凝结传热(膜状凝结)的 表面传热系数 成千上万 珠状凝结 表面传热系数 几十万
珠状凝结和膜状凝结
凝结液构成了蒸汽与壁面间的主要热阻
珠状凝结,高温空气和冷却液体的接触面积更大,利于提高换热效率
膜状凝结是工程设计的依据
实际情况下,大多都是膜状凝结
膜状态凝结分析解及计算关联式
努赛尔的蒸汽层流膜状凝结分析解
竖直与水平管的比较及实验验证
湍流膜状凝结
膜层凝结液中有层流也有湍流
膜状凝结的影响因素及其强化传热
膜状凝结的影响因素
不凝结气体:不凝结气体层增加了传热阻力。 蒸汽分压力下降,相应饱和温度下降,凝结动力减小。 管子排数:飞溅和扰动程度 取决于 管束的几何位置、流体物性等,情况较为复杂,设计实参考 动力冷凝器的总结性资料。 管内冷凝:受蒸汽流速影响。 ~蒸汽流速较低时,凝结液主要聚集在管子底部,凝结蒸汽主要聚集在管子上部。 ~蒸汽流速较高时,形成环状流动,凝结液在管子周围,中间为蒸汽核心。 蒸汽流速: 蒸汽过热度: 液膜过冷度及温度分布的非线性
膜状凝结的强化原则和技术
1. 减薄液膜厚度:肋片强化传热 2. 及时地将传热表面的凝结液体排走:排液圈、泄流板
液体汽化
蒸发(液体表面)
沸腾(液体内部)
池沸腾(温差及汽泡扰动形成)
管内沸腾(存在持续压差)
沸腾传热的模式
沸腾: 大容器沸腾,池沸腾 (流体运动是由于气泡扰动和温差导致) 管内沸腾(需要外加作用压差才可稳定维持)
大容器饱和沸腾的三个区域
核态沸腾: (温压小,传热强,工业设计一般在此范围), 受到 过热度 和 汽化核心数 影响 过度沸腾: 膜态沸腾: 热流密度随 过热度 变化规律: 先增大,再减小(汽泡汇聚在加热表面上,蒸汽排除过程恶化),后增大。
临界热流密度及其工程意义
气泡动力学简介
1. 为什么沸腾传热的传热强度极高? 水沸腾时的热流密度:10^5~10^6, 强制对流传热:10^4 形成原因:气泡的形成、成长及脱离加热壁面所引起的各种扰动造成的 2. 加热表面上什么地点容易成为汽化核心? 壁面上的凹坑、细缝、裂穴容易成为汽化核心 3. 加热表面上要产生汽泡必须过热
大容器沸腾传热的实验关联式
1. 针对一种液体的,准确度较高 2. 广泛适用于多种液体的,准确度较低,误差较大
大容器饱和核态沸腾的无量纲关联式
大容器饱和沸腾临界热负荷计算公式
大容器饱和液体膜态沸腾传热计算式
沸腾传热的影响因素及其强化
影响沸腾传热的因素
不凝结气体:溶解于液体中的不凝结气体会使得沸腾传热得到某种强化,增加了汽化核心数目 过冷度:除了在和核态沸腾起始点附近区域外,过冷度对沸腾传热强度无影响 液位高度:在大容器沸腾中,当传热表面上的液位高度足够时,沸腾传热表面传热系数和液位高度无关。 重力加速度:在重力加速度 0.1m/s^2~100x9.8m/s^2 的范围内,核态沸腾的传热规律基本不受影响。 重力加速度对流体自然对流有显著影响。缺乏在零重力场,沸腾传热的影响规律。 管内沸腾:最主要的影响参数:含气量、质量流速和压力
强化沸腾传热的技术和原则
核心:增加热表面的汽化核心 1.强化大容器沸腾的表面结构 a. 使用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学的方法在传热表面上造成一层多孔介质 b. 使用机械加工方法在传热表面上造成多孔结构 2.强化管内沸腾表面结构 a.内螺纹管 b.三维微肋管
热管简介
热辐射
热辐射的本质
定义:热辐射是物体由于热的原因使微观粒子受积或震动,而将部分热力学能转换成电磁波的形式向外发射能量的现象。
辐射:通过 电磁波 发射 能量 的方式 热辐射:因为 热 的原因发出 辐射能 的现象称为 热辐射
电磁波
辐射换热
不需要存在任何的中间介质,
不仅有能量的传递,还有能量形式的转化
发射时,热能 转换成 辐射能 吸收时,辐射能 转换成 热能 黑体:能吸收 投入 到其表面上 所有 辐射能 的物体 ( 黑体的 吸收本领 和 辐射本领 是在 同温度的物体 中 最大的)
辐射传热量与两个物体热力学温度的4次方程成正比
辐射能的吸收,反射和透射
黑体能全部吸收外来射线的物体
白体: 能全部反射外来射线,
透射:全部透射外来射线的物体,
辐射力和有效辐射
单位时间内单位表面积向半球发射全波长辐射总和
有效辐射离开物体表面上的投射辐射,除了自身辐射之外,还包括被反射的辐射能
黑体辐射基本定律
实地物体的辐射特性
气体辐射
气体不具有连续的辐射光伏二者在某些波段内才有吸收能力。
辐射和吸收处于本身特性有关还有气体的容积形状,大小压力有关
3. 流体力学
(张爱民,王长永) 主编 科学出版社
流体及其物理性质
流体的定义和连续介质模型
定义
不能抵御任何剪切力作用下的剪切变形趋势
连续模型
忽略分子间间隙,由无数连续分布流体微元
流体的主要物理性质
惯性
流体的密度
单位流体的质量
容重
流体的黏性与牛顿内摩擦定律
粘性的概念
液体内部摩擦
牛顿内摩擦定律
内摩擦力F——各层流速不一样,流层间产生相对运动,从而产生内摩擦力。
τ=F/A=μdu/dt
粘度的影响因素
液体随温度升高而减小(分子引力减小)
气体随温度升高而增大(分子运动加剧)
粘滞性
牛顿内摩擦定律
牛顿流体和非牛顿流体
理想流体的假设
先不记粘性进行分析,然后引入修正系数
膨胀性与压缩性
膨胀性
压缩性
压缩性和密度有关 常见的工程中的流体流速较小,密度变化不大,可以当做常数,称为不可压缩流体 反之,速度较高的,超过或接近音速的气体,在流动过程中,密度变化较大,不可当做常数,称为可压缩流体
任何流体都可以压缩,但是气体要明显的多
不可压缩流体
密度为常数流体
液体的表面张力与毛细现象
毛细现象
附着力(液体和固体之间) 内聚力(液体和液体之间) 附着力>内聚力,毛细作用 导致 液面 上升 附着力<内聚力,毛细作用 导致 液面 下降
附着力大于/小于重力
表面张力
在 不混合的液体间 固体和液体间 液体和气体 分界面上的分子受到 两种介质 的 分子作用力
气体引力小于液体内部引力
作用在流体上的力
表面力
压力
表面法向方向
剪力
平行与表面
质量力
重心方向
流体静力学
主要研究在外力下保持静力平衡的规律。
静止流体的应力特性
静水压强的定义
静水压强的特性
流体平衡方程式
2.2
静止流体的平衡微分方程
压力差公式
重力作用下的流体平衡
静力学基本方程式
位置水头
压强水头
压强分布规律
三个压强
绝对压强
相对压强
真空度
液柱式测压计
单管测压计
水银测压计
U型管差压计
真空计
金属式测压计
平面上和曲面上和曲面上的液体压力
解析法 图解法
平面上的力ρghA—(平面形心的淹没深度)
曲面上的力
水平分力
等于作用域该曲面的垂直投影面上的静水总压力,方向垂直指向投影面
投影ρghcxAx
垂直分力
等于压力体内液体的重力,也等于其压力体的重量。
Vp
流体和潜体的平衡和稳定
潜体和浮体的判定: 重力 和 浮力 比较 稳定性的判定: 重心在浮心下面,稳定 重心在浮心之上,不稳定 对于均质潜体,其重心和浮心是一直重合的。 对于均质浮体,其重心在浮心之上。 对于非均质的潜体和浮体,它们重心和浮心一般不重合。
流体静力学
几个基本概念
拉格朗日法
流体中各个质点的运动情况,跟踪每一个质点,观察与分析每一个质点的运动历程
欧拉法
流场中的空间点,把流体当作连续介质
流动分类
恒定流、非恒定流
流动要素是否随时间变化
一维、二维、三维流动
流场中各运动要素和空间坐标的关系
均匀流、非均匀流
位于同一 流线上的 流速矢量 是否随着 流程 变化
渐变流、急变流
按照 流速大小 和 方向沿程变化的缓急, 将 非均匀流 分为 渐变流 和急变流
有压流、无压流
流体 流过的 流断面 周界 是否 全部 被固体边界 所限定
流线与迹线
流线:曲线上的各质点的速度方向都与该曲线相切
迹线:流体质点的运动的轨迹线
流管、过流断面、元流、总流
流量和断面平均速度
流量
体积流量
质量流量
重量流量
平均流速
体积流量除以截面积
系统与控制体
恒定流连续方程(质量守恒)
质量守恒定律原理 流体力学表达式
连续性基本微分方程
恒定不可压缩元流的连续性方程
恒定不可压缩总流的连续性方程
流体微团运动分析
微团运动分解
微团运动的组成分析
有旋运动和无旋运动
流体动力学基础
流体运动微分方程
理想流体运动微分方程(欧拉运动微分方程)
欧拉运动微分方程 牛顿第二定律流体力学表达式 适用范围:恒定流、非恒定流,可压缩、不可压缩流体
实际黏性流体运动微分方程(维纳-斯托克斯方程)
维纳-斯托克斯方程
恒定元流伯努利方程(能量守恒)
理想流体运动的伯努利积分
元流伯努利方程的几何意义和物理意义
几何意义:z是位置高度,称作 高度水头 或 位置水头 p/ρg是测压管高度, 称作 压强 水头 u^2/2g 是流速高度, 称作 速度水头 物理意义: 元流的能量方程,表示单位重量流体三种不同能量形式。
实际黏性流体中的伯努利方程
恒定总流伯努利方程(能量守恒)
总流的伯努利方程
总流伯努利方程的几何意义和物理意义
几何意义:z 是 位能,称作 高度水头 或 位置水头 p/ρg 是 压强能, 称作 压强 水头 a2v2^2/2g 是平均动能, 称作 速度水头 hw 是平均机械损失能 物理意义: 元流的能量方程,表示单位重量流体三种不同能量形式。
恒定总流动量方程(动量守恒)
无黏性流体的无旋运动
管内流动的能量损失
沿程水头损失
局部水头损失
粘性流体的两种流动状态
层流
剪切力组成: 黏性剪切力
湍流
湍流剪切力组成: 黏性剪切力 + 紊流附加剪切力,也称作,惯性剪切力
2300
层流: 粘性力占 主导作用 紊流: 惯性力占 主导作用
圆管层流和紊流的流动规律
圆管层流
流动特征
流速分布
层流的沿程水头损失计算
圆管紊流
流速分布
水头损失
紊流壁面划分
根据粘性底层厚度δ1与管壁的粗糙度△的关系,在不同的Re流动状态下,任一圆管的壁面均可能呈现下列三种水力状态: △/δ1<0.25:紊流水力光滑区 0.25<△/δ1<0.6:紊流过度粗糙区 0.6<△/δ1:紊流粗糙区 δ=132.8d/Re√λ
尼古拉兹实验
人工粗糙管沿程阻力系数半经验公式
工业管道λ值的计算公式
计算沿程阻力系数的经验公式
局部水头损失
过水断面突然扩大的局部水头损失
各种管路配件及明渠的局部损失系数
边界层概念与绕流阻力
边界层概念
边界层分离
扰流阻力