消防工程-火災(zāi)中的傳熱過(guò)程ppt課件

1、一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射一、熱傳導(dǎo)(一) 導(dǎo)熱微分方程 利用傅里葉定律只能求解一維的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指物體內(nèi)的溫度分布不隨時(shí)間變化的導(dǎo)熱過(guò)程。對(duì)于多維溫度場(chǎng)和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，那么必需以能量守恒和傅里葉定律為根底，得出表示導(dǎo)熱景象根本定律的導(dǎo)熱微分方程，然后結(jié)合所給的詳細(xì)條件求得導(dǎo)熱體內(nèi)部的溫度分布。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指物體內(nèi)的溫度分布隨時(shí)間變化的導(dǎo)熱過(guò)程。 設(shè)有一同性且有三維溫度場(chǎng)的均質(zhì)導(dǎo)熱體，內(nèi)部存在熱源如自熱性物體，導(dǎo)熱系數(shù) K、比熱容 c 和密度 均為知的定值。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 在導(dǎo)熱體中取一微元體圖2-7，根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)，沿

2、x軸向從微元體左、右兩壁面導(dǎo)入和導(dǎo)出的熱量各為： 導(dǎo)入能量： 導(dǎo)出能量：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射圖2-7 微元體在直角坐標(biāo)中三維導(dǎo)熱第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 沿x軸向微元體凈得的熱量為： 同理，沿y、z軸向微元體凈得的熱量各為： 微元體凈得能量 為以上三者之和： 第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 設(shè)導(dǎo)熱體中具有均勻分布的內(nèi)熱源， 表示單位體積的導(dǎo)熱體在單位時(shí)間內(nèi)所放出的熱量，即內(nèi)熱源強(qiáng)度W/m3，那么微元體在單位時(shí)間內(nèi)又得熱量： 微元體獲得能量后，用于單位時(shí)間內(nèi)體系內(nèi)能的添加：式中：c為比熱容，kJ/

3、kgK；為資料的密度，kg/m3；t 時(shí)間，s。 由能量守恒方程：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 得出具有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：或： 式中： 是熱分散系數(shù)或稱(chēng)導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s。 假設(shè)不存在內(nèi)熱源，式2-39可簡(jiǎn)化為： 假設(shè)導(dǎo)熱是穩(wěn)態(tài)的，式2-39可簡(jiǎn)化為：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射(二) 舉例1、一維無(wú)限大平壁導(dǎo)熱 設(shè)無(wú)限大平壁兩面的溫度分別為T(mén)1和T2，T1 T2，平壁厚為L(zhǎng)，圖2-8所示。在理想模型中熱流是一維的。 根據(jù)傅里葉定律，在恣意坐標(biāo)x處，沿x方向的熱通量為： 從x=0到x=L積分得： 此式為單層平板的導(dǎo)熱公式

4、。假設(shè)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定T1和T2，及熱通量 ，那么可以確定被測(cè)板材的導(dǎo)熱系數(shù)。這就是常用的平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀。 假設(shè)平壁為多層復(fù)合平壁，如圖2-9所示，在穩(wěn)態(tài)條件下，經(jīng)過(guò)各層的熱通量是相等的。設(shè)hh和hc為內(nèi)層和外層外表的對(duì)流換熱系數(shù)，那么有：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 圖2-8 無(wú)限大平板 圖2-9 無(wú)限大復(fù)合平壁 第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 由上式可寫(xiě)出： 將上式相加，并整理得： 對(duì)n層復(fù)合壁，得導(dǎo)熱速率為： 第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射2、自熱性資料長(zhǎng)時(shí)間堆積，構(gòu)成穩(wěn)態(tài)溫度分布的導(dǎo)熱微分方程(1)

5、無(wú)限大平板 建立圖2-10所示的坐標(biāo)系，設(shè)內(nèi)熱源強(qiáng)度為 ，那么根據(jù)式2-39得微分導(dǎo)熱方程為： 圖2-10 無(wú)限大平板的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 圖2-11 無(wú)限長(zhǎng)圓柱體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射(2) 無(wú)限長(zhǎng)圓柱體 建立圖2-11所示的坐標(biāo)系，從內(nèi)半徑為x、厚為dx、高為l的圓筒壁內(nèi)側(cè)導(dǎo)入的熱量為： 從圓筒壁外側(cè)導(dǎo)出的熱量為： 圓筒自放熱能量為： 由能量守恒： 代入各項(xiàng)，整理得導(dǎo)熱微分方程為： 第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射(3) 球體 建立圖2-12所示坐標(biāo)系，對(duì)內(nèi)徑為x，厚為dx的球殼，從內(nèi)外表導(dǎo)入的熱量為：圖2-12 球體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

6、 第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 從外外表導(dǎo)出的熱量為： 球殼內(nèi)的自發(fā)熱量為： 由能量守恒定律： 將以上各項(xiàng)代入并整理得：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)*二、熱對(duì)流三、熱輻射 綜合式2-45、2-46、2-47得，一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的無(wú)限大平板、無(wú)限長(zhǎng)圓柱體和球體的導(dǎo)熱微分方程通式為： 式中，0，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)平板；1，對(duì)無(wú)限長(zhǎng)圓柱體；2，對(duì)球體。 作更進(jìn)一步的數(shù)學(xué)處置可以得出，以正方體堆積的自熱資料，當(dāng)內(nèi)部溫度分布到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，其導(dǎo)熱微分方程也可表示為式2-45的方式，其中3.28。 第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射(一) 邊境層 對(duì)流換熱發(fā)生在

7、緊靠壁外表的流體層中，這層流體被稱(chēng)為邊境層。邊境層的構(gòu)造確定h的大小。圖2-13為流速為u的不可緊縮流體流經(jīng)剛性平板的邊境層構(gòu)造圖。由于流體的粘性作用，邊境層內(nèi)速度在垂直壁面方向存在很大的梯度。假定緊靠平板的流體流速為零，即u(0)0，流速在y方向分布方程為uuu()。邊境層被定義為從平板外表到速度為u(y)0.99u的點(diǎn)之間的區(qū)域。對(duì)圖2-13中的絕熱系統(tǒng)，邊境層的厚度取決于雷諾數(shù)的大小，即：式中：l為邊境厚度為時(shí)對(duì)應(yīng)的x值；Rel是xl時(shí)的當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)。 對(duì)于圖2-13所示的流動(dòng)體系， ,為絕對(duì)粘性系數(shù)； 對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)， ，D為管徑。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射

8、圖2-13 絕熱平板的流動(dòng)邊境層第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射圖2-14 非絕熱平板的流動(dòng)邊境層和熱邊境層第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射(二) 強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)確實(shí)定 假設(shè)流體的流動(dòng)是外力推進(jìn)而構(gòu)成的，由此引起的對(duì)流換熱為強(qiáng)迫對(duì)流。 如圖2-14所示，假設(shè)流體和平板溫度不一樣，除流動(dòng)邊境層外，還將存在一個(gè)熱邊境層。熱邊境層內(nèi)流體與壁面間的換熱速率取決于緊靠壁面的流體內(nèi)的溫度梯度。 設(shè)熱邊境層厚度為，壁溫為T(mén)S 、環(huán)境溫度為 ，那么有： 將此式代入式2-46，結(jié)合能量守恒有：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射 (2-

9、53)、(2-49)兩式相除可得到熱邊境層厚度和流動(dòng)邊境層厚度之比 ，它與Pr有關(guān)，即：式中， ,稱(chēng)為動(dòng)力粘性系數(shù)； 是熱分散系數(shù)。 、 表達(dá)式，式(2-53)、(2-49)代入式(2-54)，并整理得出對(duì)流換熱系數(shù)：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射 (2-56)式可用無(wú)因次方式表示為：式中Nu稱(chēng)為努塞爾數(shù)。詳細(xì)數(shù)學(xué)解為： 對(duì)平板湍流流動(dòng)，努塞爾數(shù)為： 其他幾何條件下的平均努塞爾數(shù) 見(jiàn)表2-2。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射(三) 自然對(duì)流努塞爾數(shù)確實(shí)定 假設(shè)流體的流動(dòng)是由緊靠熱外表的受熱流體的浮力運(yùn)動(dòng)而引起，那么這種對(duì)流換熱稱(chēng)為自然對(duì)流。

10、自然對(duì)流中，流動(dòng)是由邊境層和周?chē)黧w的溫度差引起的。因此，流動(dòng)邊境層和熱邊境層是不可分別的。 在分析中引入了表示向上的浮力和粘性阻止力比值的格拉曉夫數(shù)為：式中：g為重力加速度，為容積膨脹系數(shù)。對(duì)于圖2-15中的豎直平板，假設(shè)對(duì)流為層流，那么有：其他幾何外形的努塞爾數(shù)可從傳熱學(xué)的有關(guān)文獻(xiàn)中查得。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流*三、熱輻射圖2-15 豎直平板附近自然對(duì)流邊境層第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射*三、熱輻射(一) 熱輻射和黑體 當(dāng)輻射能投射到一均勻物體上時(shí)，一部分被吸收，一部分被反射，一部分被透射。即：定義： a、r、d分別被稱(chēng)之為吸收率、反射率

11、和透射率，它們之間有如下關(guān)系：ard1。 當(dāng)a1時(shí)，表示投射到物體上的輻射能被全部吸收，這種物體被稱(chēng)之為黑體；r1和d1的分別被稱(chēng)之為白體和透明體。 黑體具有兩個(gè)重要特征。其一，作為吸收才干最強(qiáng)的物體，黑體的輻射力也最強(qiáng)；其二，黑體的吸收和輻射才干是溫度的函數(shù)。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射*(二) 普朗克分布定律 普朗克提出黑體單色輻射力與黑體溫度的關(guān)系，稱(chēng)為普朗克分布定律。 對(duì)黑體，輻射力以Eb表示。設(shè)在Eb中，波優(yōu)點(diǎn)于至d波段內(nèi)的輻射能為dEb，那么dEb與波段d之比稱(chēng)為黑體的單色輻射力Eb，即： 亦即單位時(shí)間內(nèi)單位面積向周?chē)肭蚩臻g所發(fā)射的某一特定波長(zhǎng)的能量。

12、 1900年，普朗克根據(jù)電磁波實(shí)際，提示了真空中黑體在不同溫度下的單色輻射力Eb與波長(zhǎng)的分布定律，即普朗克分布定律，即：式中，h為普朗克常數(shù)，取6.6241034，Js；c為光速，ms-1；K=1.38051023，JK-1；T為絕對(duì)溫度，K。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射* 將式(2-65)的Eb在0的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)進(jìn)展積分，可得黑體的輻射力為： 該式又稱(chēng)之為斯蒂芬玻爾茲曼定律。 真實(shí)物體外表的輻射力與黑體的輻射力是不同的，通常小于黑體的輻射力。定義 為反映真實(shí)物體外表的輻射力與黑體的輻射力之間差別的參數(shù)真實(shí)物體外表的輻射率或黑度，有： 對(duì)真實(shí)外表， 1，且隨波長(zhǎng)而變

13、化。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，引入灰度概念。對(duì)于灰體， 與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。這樣就可以將式(2-66)改寫(xiě)為適用于計(jì)算實(shí)踐物體外表輻射力的公式為：式中：E真實(shí)物體的輻射力，W/m2；斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.6710-8，W/m2K4；T物體外表絕對(duì)溫度，K。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射*(三) 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律提示了實(shí)踐物體的輻射力E、黑度和吸收率a之間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨蔀椋?它闡明由灰體和黑體所構(gòu)成的相互輻射和吸收的系統(tǒng)中，在處于熱穩(wěn)定的恣意溫度下，灰體的黑度等于它的吸收率。又因E/Eb ,故該定律也可表示為： 即在任一溫度下，灰體的輻射力和吸收率之比與物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)

14、，而且恒等于同溫度下黑體的輻射力。 由基爾霍夫定律分析可知，物體的輻射率愈大，其吸收率也愈大，即擅長(zhǎng)發(fā)射的物體必擅長(zhǎng)吸收。 工業(yè)高溫下作為灰體處置的工程資料在aa為物體外表對(duì)波長(zhǎng)為的輻射能的吸收率變化不大的紅外線(xiàn)范圍內(nèi)，可見(jiàn)光的份額甚小，a隨的變化不大。因此，在計(jì)算工業(yè)高溫下的普通資料，可以取a；對(duì)于太陽(yáng)輻射，由于各種顏色的外表對(duì)可見(jiàn)光的吸收具有劇烈的選擇性，即a隨的變化很大，那么不能作假定a。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射*(四) 氣體的輻射和吸收 純真的氣體幾乎是透明的，單原子或雙原子分子幾乎不輻射。多原子氣體，如火焰中的甲醛、乙烯，或熄滅產(chǎn)物中的二氧化碳和水蒸氣

15、，具有一定波段上的輻射吸收特性，稱(chēng)為氣體的選擇性吸收。與固體的延續(xù)發(fā)射譜不同，氣體的輻射吸收在整個(gè)容積內(nèi)進(jìn)展，稱(chēng)為容積輻射，與固體僅在外表上輻射不同，這是氣體輻射的兩個(gè)特點(diǎn)。 由于氣體是容積輻射，故輻射力與氣體厚度ll是垂直輻射面的厚度及壓力p有關(guān)。實(shí)驗(yàn)闡明，水蒸氣的輻射力與其絕對(duì)溫度的三次方成正比。公式為： 二氧化碳的輻射力與絕對(duì)溫度的3.5次方成正比，公式為：第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射* 工程上為了計(jì)算方便仍以斯蒂芬玻爾茲曼定律的方式計(jì)算氣體的輻射力，公式為： 比較上述三式可以看出氣體的黑度 是p、l和溫度的函數(shù)，即： 氣體黑度 可以查傳熱學(xué)手冊(cè)。透明火焰中主

16、要為CO2和H2O的氣體輻射，其黑度可按下式計(jì)算：式中： 是混合氣體的黑度； 、 分別是CO2和水蒸氣的黑度； 是水蒸氣分壓的修正系數(shù)。 溫度在2732273K之間，無(wú)限厚氣層的黑度 =0.750.4, =0.320.2第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射* 透明氣體火災(zāi)中通常為熱氣和不顯光火焰的輻射的黑度輻射率也可經(jīng)過(guò)分光光度法，利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)展確定。設(shè)波長(zhǎng)為的單色光束經(jīng)過(guò)氣體層，當(dāng)光束經(jīng)過(guò)的厚度為dx時(shí)，光強(qiáng)度的減少量為dIx與光強(qiáng)度Ix、氣體厚度dx和氣體內(nèi)吸收性粒子的濃度C成正比，即：式中K稱(chēng)為氣體的單色輻射力。從x0到xL積分得：式中I0為x0處的入射強(qiáng)度。該式稱(chēng)為蘭

17、貝特定律。單色吸收率為： 根據(jù)基爾霍夫定律，氣體的單色輻射率 。當(dāng)L， 。 普通情況下，熱氣的輻射率是很低的。第三節(jié) 火災(zāi)中的傳熱過(guò)程.一、熱傳導(dǎo)二、熱對(duì)流三、熱輻射* 熄滅時(shí)產(chǎn)生不顯光火焰的物質(zhì)并不多，大部分液體和固體可燃物熄滅時(shí)，伴隨有明顯的分散火焰。其特征黃光，是在火焰中構(gòu)成的直徑大約在10100m的含碳粒子輻射的凈效應(yīng)，這些微粒主要在反響區(qū)燃料一邊構(gòu)成，進(jìn)入火焰被氧化掉，但另一方面它們相互之間可以反響和進(jìn)一步作用構(gòu)成煙，因此它們處在火焰里，將到達(dá)高溫，每一個(gè)微粒都起到一個(gè)小黑體或灰體的作用，其發(fā)射光譜是延續(xù)的。 火焰中的煙粒子的存在提供了熱損失機(jī)理。普通說(shuō)來(lái)，火焰中的煙粒子越濃，輻射損失越大，其溫度就越低。例如，不顯光的甲醇火焰，其平均溫度為1200，而煤油和苯的顯光火焰，其平均溫度分別為990和921，比甲醇火焰溫度要低得多。 熱煙氣和顯光火焰的輻射率由下式給出：式中：K有效發(fā)射系數(shù)，它正比于煙粒子的濃度，見(jiàn)表2-2；L為思索了氣體空間輻射特性的火焰平均束長(zhǎng)，見(jiàn)表2