第2章流体力学和传热学.ppt

1,第二讲 流体力学基础,2,气体,液体,流体,比固体更易变形与压缩,流体只能承受压力，几乎不能承受拉力,2.1 流体特性,连续介质假设,流体力学研究流体的宏观特性，忽略流体的分子构成，把它看作一种连续性的介质，认为其中没有任何间隙。,1mm3水中有3.34×1020个分子，平均经过10-11s，分子就会从一个平衡位置 转向另一平衡位置，而在一般工程问题中描述流体运动的空间尺度精确到0.01mm就满足精度要求。, 流体的粘性,流体与固体壁面相接触，会粘附于固壁表面。,相邻两层流体作相对运动时也会产生摩擦阻力。,动力粘性系数和运动粘性系数,3,实际流体都具有粘性，称为粘性流体或实际流体。为了简化，假想一种没有粘性的流体理想流体。,液体的粘性系数随温度升高而降低; 气体的粘性系数随温度升高而增大。,动力粘性系数 的大小与流体的种类、温度以及压力有关。但压力的影响很小，一般只考虑温度的影响。,2.2 流体静力学基本方程,单位质量流体的 压力势能。 与一段液柱高度相当， 又称之为压力高度或 压力水头。,流体静力学基本方程,单位质量流体的位势能； 是相对于基准面的高度， 又称位置高度或位置水头,位势能与压力势能之和称为总势能； 位置水头与压力水头之和称为静水头,4,流体静力学基本方程物理意义：,当均质不可压缩流体在重力场中处于静止时，在流体中的任意点上，单位重量流体的总势能是常数。也可叙述为：任意点的静水头均相等。,2.3 连续性方程,对于定常流动,流体质量守恒定律的数学表达形式。,2.4 流体的伯努利方程,1）理想流体伯努利方程,5,伯努利方程的物理意义,在流场中或沿流线，单位质量流体具有的位势能、压力 势能及动能之和是一个常数，或，总机械能是常数。,2） 粘性流体总流的伯努利方程,理想流体运动：总机械能守恒； 粘性流体运动：流层间的摩擦阻力会消耗机械能，因此， 总机械能将沿流程减小。,单位质量流体从断面 1-1到2-2消耗的机械 能流体能量损失。,近似为1,沿程损失摩擦阻力引起的能量损失与流程长度成正比,局部损失流体流经局部障碍（如：管接头、弯头、闸阀、管径突变）时，引起能量损失,与流体速度的平方成正比,6,2.5 层流和紊流,判别准则,无量纲数Re数,圆管内流动,层流,紊流,过度流,旺盛紊流,7,圆管层流的沿程损失系数与雷诺数成反比。,达西公式,2.6 管内流动沿程阻力损失,1） 层流,2） 紊流,8,2.7 局部阻力损失,9,10,11,12,13,1)沿程阻力,2) 局部阻力,A) 由进口接管至进口水室，通道截面 突然扩大的局部阻力；,B) 在进口水室内转弯的局部阻力；,C) 由进口水室至传热管束，通道截面 突然缩小的局部阻力；,D) 在U型管弯头内转弯180的局部阻力；,E) 由传热管束至出口水室，通道截面 突然扩大的局部阻力；,F) 在出口水室内转弯的局部阻力；,G) 由出口水室至出口接管，通道截面突然缩小的局部阻力。,2.8 蒸汽发生器一次侧阻力损失,14,第三讲 传热学ABC,15,3.1 热量传递的基本方式,热辐射,热对流,热传导,16,3. 2 热传导（导热）,物体温度不同的各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,注意：a 必须有温差； b 物体直接接触； c 可以在固体、液体、气体中发生。,1. 定义：,2. 导热的基本定律,Fourier定律,导热系数（热导率）W/( m K),17,物理意义：表征物质导热能力大小，由实验测定。,3. 导热系数(热导率),影响因素：物质种类、材料成分、温度、湿度、压力、密度等,一些材料在280K时的导热系数,18,4. 一维稳态导热,1) 单层平壁,2) n层平壁,3) 单层圆筒壁,4) n层圆筒壁,19,1. 对流换热定义:,流体与相互接触的固体表面之间的热量传递。,表面传热系数:W/(m2K)。,3.3 对流换热,2. 对流换热的牛顿冷却公式,对流换热的核心是如何确定h及增强或削弱换热,研究对流换热的方法： （1）分析法;（2）实验法;（3）比拟法;（4）数值法,20,3) 流动边界层和热边界层,边界层概念：当粘性流体流过物体表面时，会形成速度梯度很大的流动边界层；当壁面与流体间有温差时，也会产生温度梯度很大的温度边界层（或称热边界层）,边界层在壁面上形成和发展过程,由层流边界层过渡到湍流边界层， 但湍流边界层紧靠壁面处，粘滞力 占绝对优势，粘附于壁的一极薄 层仍然保持层流特征，具有最大的速度梯度层流底层。,21,2) 流动状态,层流：整个流场呈一簇互相平行的流线,湍流：流体质点做复杂无规则的运动,3. 对流换热的影响因素,1) 流动起因,自然对流：因流体各部分温度不同而引起的密度差异所产 生,强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生,3) 流体有无相变,单相换热：,相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等,22,珠状凝结换 热速率远大于 膜状凝结,大容器饱和沸腾共包 括4个换热规律不同的 阶段： 自然对流、 核态沸腾、 过渡沸腾、 稳定膜态沸腾,CHF, Critical Heat Flux,Departure from Nucleate Boiling,由于沸腾换热机理的变化 引起表面传热系数急剧下降 而导致壁面温度骤然升高的 现象称为沸腾危机。,23,4) 换热表面的几何因素和物理性质：,内部流动对流换热：管内或槽内,外部流动对流换热：外掠平板、圆管、管束,进口效应； 弯管效应； 非圆截面等,24,横管与竖管对流换热系数之比：,l/d = 50，,25,表面传热系数是众多因素的函数：,一些表面传热系数的数值范围,5) 流体的热物理性质：密度、导热系数、黏度、比热容等,26,1. 辐射：,物体对外发射电磁波的过程,3.4 辐射换热,2. 热辐射:,物体内部微观粒子热运动而使物体向外发射辐射能的现象。,3. 辐射换热：,以热辐射的方式进行的热量交换。,4. 辐射换热的主要影响因素：,（1）物体本身的温度、表面辐射特性；,（2）物体的大小、几何形状及相对位置。,27,如表面积为A1、表面温度为 、发射率为 的物体被包容 在一个很大的表面温度为 的空腔内，此时该物体发出的 热辐射全部到达空腔，物体与空腔表面间的辐射换热量,28,1. 传热过程两流体间通过固体壁面进行的换热,3.5 传热过程,传热方程,传热系数W/(m2·K) 表征传热过程强烈程度的标尺， 单位温差单位时间内通过单位面积转递的热量，与涉及物 体的物性、流体流速等与过程相关因素有关。,面积m2,关键k及t,29,2.传热的强化（削弱）,强化传热就是应用传热学的基本原理去增强传热效果： 增大传热面积； 增大传热温差； 最本质的是设法减小传热总热阻、增大传热系数。,传热过程的总热阻等于各局部热阻之和，为了减少总热阻 首先就应减小局部热阻中最大的。,例如两侧分别为蒸汽和空气的金属管壁，若空气侧的换热 系数h1=30W/(m2·K)，蒸汽冷凝侧的换热系数h2 =5000W/(m2·K)。 一般金属管壁的导热系数较大，管壁较薄，所以管壁热阻常可忽 略。传热系数,h2增大一倍，k的值仅由29.82增大到29.91， 只增大了0.3%；,h1的值由30提高到60，k值将从29.82增大到59.29，提高将近一倍。,30,在表面传热系数较小的一侧采用肋壁是一种行之有效的提高 传热效果的方法,31,3.6 换热器的基本概念,1. 换热器：用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规 定的工艺要求的装置,2. 三种类型换热器简介,间壁式 混合式 蓄热式,套管式 壳管式(管壳式) 交叉流换热器 板式 螺旋板式,管束式 管翅式 板翅式,32,3. 间壁式换热器的主要型式 套管式换热器：有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流 体流量不大的情形,33,(2) 管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程,34,进一步增加管程和壳程,增加管程,35,(3) 交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。,(c) 板翅式交叉流换热器,36,(4) 板式换热器： 由一组几何结构相同 的平行薄平板叠加所 组成，冷热流体间隔 地在每个通道中流动， 特点：拆卸清洗方便， 适用于含有易结垢物 的流体。,单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标，一般将大于700m2/m3的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。,37,(5) 螺旋板式换热器： 换热表面由两块金属板卷制而成。 优点：换热效果好； 缺点：密封比较困难。,4. 对数平均温差,38,1）核燃料元件内的热传导,裂变能主要产生于核燃料 元件内部，燃料元件的长径 比很大，因此可忽略轴向传 热，核燃料元件可看成是带 内热源的仅存在径向传热的柱状固体：,2）燃料芯块与包壳之间间隙的传热,没有内热源的薄层，热量通过这个充气的间隙主要是靠导热。,这个间隙虽然很薄，但它引起的温度一般可以达到几十甚至几百，要对间隙热导进行精确的计算是很困难的。,3）通过包壳（圆筒壁）的热传导,3.7 堆内传热过程,39,4) 堆芯冷却剂通道内的换热,燃料裂变所产生的热量，主要 通过元件的包壳传给冷却剂 对流换热。,牛顿冷却定律,燃料包壳外表面热流密度（Wm2）,表面传热系数,燃料包壳外表面温度,冷却剂主流温度,综合1）、2），可以计算出堆芯 内部温度的分布。以棒状燃料元件 为例，典型的温度分布示意图,40,谢 谢！,