第2章 燃烧的物理基础

第二章燃烧的物理基础王海燕中国矿业大学（北京），2011.4热传导传热：热对流热辐射分子扩散斯蒂芬流传质：物质的扩散浮力引起的物质流动强迫对流湍流混合介绍传热传质方面的知识第一节热量传递概述第二节热传导第三节热对流第四节热辐射第五节物质的传递第一节热量传递概述一、热传导–又称导热，属于接触传热。–宏观上，连续介质就地传递热量而又没有各部分之间相对的宏观位移的传热方式。–微观上，由于微观粒子（分子、原子或他们的组成部分）的碰撞、转动和振动等热运动而引起的能量从高温部分传向低温部分。气体-碰撞；固体（非金属-振动和转动；金属-自由电子）；液体-介于两者之间，都有。–服从傅里叶定律：在不均匀的温度场中，由于导热所形成的某地点的热流密度正比于该时刻同一地点的温度梯度。–一维温度场：–热通量，单位时间内，经单位面积传递的热量，W/m2–沿x方向的温度梯度，℃/m–K导热系数，单位温度梯度的热通量，W/m.℃物性常数。–导热一般发生在固体中，流体中也能发生，但一般较弱，常予以忽视。dxdTKqxxqdxdT三、热对流–又称对流，指流体间各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的方式。–与流体流动关系密切。–也存在导热，但导热居其次，对流占主导。–工程上，相对位移流体与固体壁间的热传递称为对流换热，服从牛顿冷却公式：––单位时间内，单位壁面积上的对流换热量，W/m2–ΔT，流体与壁面间的平均温差，℃–h，对流换热系数，流体和壁面间温度差为1℃时，单位时间内壁面面积和流体之间的换热量，W/(m2.℃)–h不是物性常数，取决于系统特性、固体壁面形状与尺寸、流体特性及温度等。Thqq四、热辐射–物体通过电磁波来传递能量的方式。–因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射–由物体表面直接向外界发射可见和不可见射线，在空间传递能量的现象称为热辐射。–辐射换热是物体间以辐射方式进行的热量传递–热辐射是非接触式传热方式，辐射能力的大小用辐射力来表示，单位时间内，物体的单位面积向周围半球空间发射的所有波长范围内的总辐射能，用E表示，W/m2，与温度有关。–同温度下，辐射能力最大的是黑体，黑体辐射服从斯蒂芬-波尔兹曼定律：–Eb，黑体辐射力σ，斯蒂芬-波尔兹曼常数，5.67*10-8W/(m2.K4)T，表面的绝对温度4TEb！热量传递往往不是以导热、对流及热辐射这三个基本方式的任一单独形式出现，而是以这三种基本方式的复杂组合出现。–对火场来说，火焰附近热辐射的热量不能忽略，对离开火焰较远的烟气来说热量的传递以对流为主，热辐射可以忽略。第二节热传导分类：稳态导热-温度分布不随时间变化非稳态导热-温度分布随时间变化研究目的——确定导热体内部的温度分布，为实际应用服务。研究方式——建立导热（微分）方程。导热微分方程假设：导热体各向同性、三维温度场、均质。导热系数K、比热C、密度ρ已知。dxdydzzTzTKdQdxdyzTKdQdzdxdyyTyTKdQdzdxyTKdQdydzdxxTxTKdQdydzxTKdQdzzzdyyydxxx)()()(222222流出：流入：dxdydzzTKdQdQzdxdydzyTKdQdQydxdydzxTKdQdQxdzzzdyyydxxx222222方向：方向：方向：净热量：如导热体中具有均匀分布的内热源则有微元体内能改变：微元体满足能量守恒：dQK+dQg=dE具有内热源的三维非稳态导热微分方程：)()(222222adxdydzzTyTxTKdQK微元体净得热量：Q)(bdxdydzQQdg)(ctTdxdydzCdE)52()(1)42()(222222222222cKtTKQzTyTxTtTCQzTyTxTK不存在内热源：稳态导热：例2-1、2-2、2-3)62()(222222tTzTyTxT)72(0222222KQzTyTxT第三节热对流对流换热：用于描述固体表面与环境流体间的热传递，发生在紧靠固体表面的边界层内。分类：强迫对流-流体流动由外力推动；自然对流-流体流动由于浮力运动引起。（狭义的）对流换热系数：与流体性质（导热系数、密度和粘性系数），流动参数（速度和流动状态）以及表面几何参数（尺寸和流动角度）等的函数。)242(tqh一、边界层1、定义（速度边界层）：靠近壁面，在其法向上流速剧烈变化的薄层称为边界层，也称为速度边界层或流动边界层。通常用厚度表示。把流速u(y)/u∞=0.99作为判断边界层厚度的标准。0.99为边界层，0.99为主流区。（速度边界层）Xcr的值取决于临界雷诺数Rex（对于平板，取决于壁面粗糙度和主流扰动程度）。(见书上P64)边界层厚度很薄，在边界层内沿法线方向，流体的速度梯度最大，只有在边界层内才能观察到流体的粘性影响。地雷诺数。时的当值；时对应的为边界层厚度lxRxlRlelhelh2/1)8(2、热边界层当流体流经与流体温度不同的壁面时，流体与壁面之间就会发生热量传递现象。在紧贴着壁面的一层流体中，流体的温度由壁面温度变化到主流温度，这一流体层称为热边界层，也称为温度边界层。!热边界层是对流换热的主要区域。热边界层以外可视为等温流动区。！热边界层厚度不一定等于流动边界层厚度，其相互关系取决于流体的性质。–流体与壁面作相对运动时，若流体与壁面间没有温度差，则此时虽有边界层存在，但热边界层却不存在。–一般情况下，边界层厚度和热边界层厚度不等。–当Pr=1时，边界层厚度=热边界层厚度；–当Pr1时，边界层厚度热边界层厚度；–当Pr1时，边界层厚度热边界层厚度。边界层的状况与对流换热密切相关：–在层流边界层，沿壁面法线方向没有对流，在这方向上的热量传递，仅依靠流体的导热，此时对流换热较弱；–在湍流边界层，层流底层内的热量传递方式仍是导热，层流底层以外存在着对流，对流换热较强。对流换热实际上是由流体的导热和对流所组成的传热:–同一种流体在相同温差下，流体同一壁面时，层流底层的厚度愈薄，对流换热强度愈强。二、强迫对流流体与壁面间的换热速率：表2-4)262()(0yyTKqSyTTyT0)()272()(STTKq)282((Pr)3/1h)292(PrRe35.0PrRe35.0/3/12/13/12/1KhlNlKhu三、自然对流1、定义：在重力场、离心力场或其他场的作用下，由于流体的温度差或（和）浓度差形成密度差和浮升力，使流体产生流动的现象。2、分类：外流——半无限大介质中的壁面附近，因密度差引起的自然对流（也称自由对流）内流——由四周壁面围成的封闭空间中的自然对流。格拉晓夫数：表示浮力和粘性阻力比值。对图2-14，–若对流为层流，则有–若对流为湍流，则有)332(Pr).(13.03/1GrNu)322(Pr).(59.04/1GrNu第四节热辐射一、基本概念与基本定律1、热辐射：由物体表面直接向外界发射可见和不可见射线，在空间传递能量的现象称为热辐射。–热辐射波长0.1~1000μm，0.1~100μm的热效应最显著，大部分能量位于0.7~25μm区段中的红外线区段。–吸收率：α=Qα/Q–反射率：r=Qr/Q–透射率：d=Qd/Q–α+r+d=1–黑体：α=1特征：吸收能力最强，辐射能力也最强；黑体的吸收和辐射能力是温度的函数–白体：r=1–透明体：d=1–灰体：介于黑体和白体之间2、普朗克分布定律（辐射能按照波长分布的规律）–辐射力（辐射密度）：每单位时间内物体单位表面积向周围半球空间发射的一切波长射线（λ为0~∞）所携带的总能量。表示方法E(W/m2)，黑体辐射力Eb单色辐射力（物体的辐射能在各波长上分布不均匀）：在λ至λ+dλ的波长范围内物体放射出去的单位波长的辐射能量，表示方法，Eλ。–1900年，普朗克揭示黑体单色辐射力Ebλ与绝对温度T和波长λ有关：λλλdλEE，dλdEE0故)342(1)/exp(252KTchhcEb当黑体温度在2800K以下时，可见光波长范围（0.4~0.7μm）内的辐射能量仅占其全部辐射能量的很少部分随着温度的升高，在辐射总能量中属于可见光范围的那部分逐渐增多。1000K以下的物体发射的可见光很弱，呈暗红色。随着温度升高，物体辐射可见光部分变得越来越多，物体的发光亮度也越来越强,光的颜色也由暗红色转为亮红色、橙黄色、白色。在同一辐射温度下，在某一波长λmax时，存在着最大值。对应于单色辐射力最大值时的λmax随温度升高向短波范围移动.温度为5555K时（接近太阳表面温度），单色辐射力的最大值才位于可见光范围内。斯蒂芬-波尔兹曼定律（黑体辐射力）（辐射四次方定律）（曲线下面积）黑度（真实表面的辐射力）：Eλ——真实表面在λ到λ+dλ内的辐射力。ελ反映了真实表面的辐射力与黑体的辐射力之间的差别，ελ1。金属导电体的黑度非常小，基本上与绝对温度成正比。金属表面的黑度由于表面不平整和氧化作用，可能达到理论最小值的数倍。电解质导电体，温度↑黑度↓，耐火材料1500℃黑度1000℃约1/4~1/3，表面颜色和颗粒结构的影响化学成分。大多数非金属黑度低温0.8，壁炉温度0.3~0.8。钢铁的黑度随氧化程度与粗糙度的不同有很大变化。光洁表面低温0.05~0.45；高温0.4~0.7；氧化或粗糙表面低温0.6~0.95，高温0.9~0.95。绝对白体或透明体黑度为0)352(1)/exp(200452TKTchdhcdEEbbbEE灰体：对任一波长的热射线都具有相同吸收率的物体称为灰体。石板、焦油板及暗油毡都接近于灰体。绝大多数工程材料，在红外线波长范围内，都可近似的视为灰体。由（2-35）得计算实际物体表面辐射力公式：)362(4TE3、基尔霍夫定律（揭示了实际物体的辐射力E、黑度ε和吸收率α之间的关系。）由灰体和黑体所构成的相互辐射和吸收系统中，在处于热稳定的任一温度下，灰体的黑度等于它的吸收率。ε=α（2-37）或在任一温度下，灰体的辐射力和吸收率之比与物质表面的性质无关，而恒等于同温度下黑体的辐射力。)382(bEE证明：已知：A2——黑体空腔表面积A1——包围的凸面（黑体）表面积F——A2投射到A1上的百分比α,ε——灰体吸收率、黑度4、兰贝特定律（物体沿各不同方向上所发射能量的分布规律）：余弦定律定向辐射强度I:与发射方向垂直的单位可见面积于单位时间内在单位立体角内所发射的辐射能。dA1ddrsinrdrsinrd2dA黑体辐射强度与方向无关，即黑体在半球空间的各个方向上辐射强度相同。余弦定律：黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最大，切向最小（为零）。(公式2-41)注意：–1）对服从兰贝特定律的表面，辐射强度与辐射力的关系E=Iπ–2）定向辐射强度与方向无关的表面——漫射表面–3）对黑体辐射强度的理解：相当于“灯泡亮度”,即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。辐射力E与定向辐射强度I之间的关系：)422(bEI二、物体表面间的换热–已知：表面A1的辐射力E1，表面A2，求落在微元面dA2上的辐射热通量dA1传到dA2上的能量：dIdAdQ11cos222cosrdAdA1dA112A2dA2图2-22两表面间的相互辐射r22211coscosrdAdAIdQ热流辐射密度：12212coscosdArIdAdQQdA1向dA2的辐射热通量：式中：Φ——dA2相对于A1的角系数，或称微元面相对有限面的角系数。