Программа по теплопередаче 2005

6

Московский государственный университет инженерной экологии

Кафедра

"Термодинамика и теплопередача"

Программа по курсу

ТЕПЛООБМЕН

1. Предмет теплообмен (теплопередача). Виды тепловой энергии. Виды теплообмена. Сопоставление термодинамики и теплообмена. Связь между двумя дисциплинами.

2. Теплопроводность. Гипотеза Фурье. Коэффициент теплопроводности. Передача тепла через плоскую стенку.

3. Теплоотдача. Гипотеза Ньютона. Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку. Коэффициент теплопередачи через систему плоских стенок. Расчет температуры на поверхности стенки.

4. Тепловой поток. Связь теплового потока с градиентом температуры. Вывод уравнения баланса тепла. Уравнение теплопроводности.

5. Начальные и граничные условия для уравнения теплопроводности. Граничные условия I, II, III рода, их физический смысл. Граничное условие сопряжения.

6. Перенос тепла через цилиндрическую стенку. Распределение температуры внутри цилиндрической стенки. Тепловой поток на единицу длины цилиндрической стенки.

7. Вывод формулы для коэффициента теплопередачи через цилиндрическую стенку. Коэффициент теплопередачи через систему коаксиальных цилиндрических стенок.

8. Критическая толщина изоляции. Физический смысл критической толщины изоляции, вывод формулы. Зависимость толщины от параметров теплообмена.

9. Уравнение нестационарной теплопроводности. Начальные и граничные условия для расчета охлаждения плоской однородной пластины. Безразмерные критерии Фурье и Био, их физический смысл.

10. Решение задачи об остывании пластины. Формулировка задачи в безразмерном виде, уравнение, начальные и граничные условия. Система собственных функций задачи, характеристическое уравнение для расчета собственных значений задачи. Решение нестационарной задачи в виде ряда.

11. Определение конвективного потока тепла. Вывод уравнения для конвективного переноса энтальпии. Уравнение для расчета переноса температуры движущейся жидкости. Смысл различных слагаемых, входящих в уравнение конвективного теплопереноса.

12. Теплопередача при течении жидкости в трубах. Уравнение для расчета температуры движущейся жидкости при ламинарной и турбулентной форме течения. Понятие о турбулентном коэффициенте теплопроводности. Среднемассовое значение температуры. Распределение температуры и скорости по сечению канала в случае ламинарного и турбулентного движения. Случаи нагревания и охлаждения жидкости.

13. Сведение двумерного стационарного уравнения переноса тепла при течении в трубах к одномерному уравнению. Решение задачи об остывании и нагревании потока жидкости в трубах при постоянном по длине тепловом потоке.

14. Теплообменник типа "труба в трубе". Основная система уравнений для расчета температур теплоносителей по длине теплообменника. Прямоточное и противоточное течение теплоносителей. Качественное поведение температур теплоносителей по длине для случаев прямоточного и противоточного движения теплоносителей.

15. Теплообменник типа "труба в трубе". Решение системы дифференциальных уравнений для расчета изменения разности температур между теплоносителями по длине теплообменника.

16. Теплообменник типа "труба в трубе". Среднелогарифмическая разность температур. Сравнение и анализ эффективности переноса тепла при прямоточном и противоточном движении теплоносителей.

17. Виды теплообменников. Современные методы интенсификации теплоотдачи.

18. Гипотеза Стокса. Коэффициенты динамической и кинематической вязкости жидкости. Понятие тензора вязких напряжений. Выражение для полной силы, действующей на единицу поверхности, помещенной в жидкость.

19. Выражение для потока импульса движущейся жидкости. Конвективный перенос импульса. Ввод уравнения Навье-Стокса. Смысл различных слагаемых, входящих в уравнение Навье-Стокса.

20. Граничные и начальные условия для уравнения Навье-Стокса. Условие прилипания и условие на свободной поверхности. Полная система уравнений для расчета гидродинамики и теплопереноса движущейся жидкости.

21. Приведение уравнений гидродинамики (уравнения Навье-Стокса) к безразмерному виду, выбор масштабов. Основные критерии. Числа Рейнольдса, Фруда, их физический смысл. Безразмерная форма уравнения гидродинамики.

22. Ламинарная и турбулентная формы движения жидкости. Физика перехода от ламинарного течения к турбулентности. Качественные отличия ламинарной и турбулентной форм течения. Критическое число Рейнольдса. Коэффициенты сопротивления при ламинарном и турбулентном течении (формулы Блазиуса и Филоненко). Перепад давления при течении жидкости в трубе.

23. Приведение уравнения конвективного переноса тепла к безразмерной форме, выбор масштабов. Критерии Прандтля и Пекле, их физический смысл. Распределение температур при малых и больших значениях критерия Прандтля.

24. Турбулентная форма течения жидкости. Осредненная скорость и флуктуации скорости. Уравнение Рейнольдса для осредненной скорости. Проблема замыкания турбулентных уравнений. Турбулентные касательные напряжения. Гипотеза Буссинеска для вихревой вязкости. Гипотеза Прандтля для аппроксимации вихревой вязкости через длину смешения и турбулентную энергию жидкости. Распределение турбулентных параметров по сечению канала.

25. Осредненная температура и флуктуации температуры в турбулентном потоке. Уравнение для осредненной температуры турбулентного потока. Гипотеза о турбулентной теплопроводности. Аппроксимация коэффициента турбулентной теплопроводности через параметры турбулентности. Турбулентное число Прандтля. Распределение турбулентных тепловых параметров по сечению канала.

26. Число Нуссельта, определение, физический смысл. Характерный размер для расчета коэффициента теплоотдачи. Функциональная зависимость числа Нуссельта от чисел Рейнольдса и Прандтля. Числа Нуссельта для ламинарного и турбулентного течения в трубах. Формулы Диттуса-Болтера и Петухова-Кириллова.

27. Ламинарный пограничный слой. Уравнения гидродинамики в приближении пограничного слоя. Оценка толщины гидродинамического пограничного слоя. Понятие об автомодельном распределении скорости в пограничном слое.

28. Ламинарный пограничный слой. Уравнение для распределения те6мпературы в пограничном слое. Оценка толщины теплового пограничного слоя. Распределение температуры в пограничном слое при больших и малых числах Прандтля.

29. Оценка коэффициентов гидравлического сопротивления и числа Нуссельта ламинарного пограничного слоя. Турбулентный пограничный слой. Переход к турбулентности зона перемежаемости. Ширина турбулентного пограничного слоя. Зависимость числа Нуссельта турбулентного пограничного слоя от числа Рейнольдса и Прандтля.

30. Теплообмен при конденсации. Пленочная и капельная конденсация. Формулировка задачи Нуссельта о конденсации на плоской вертикальной пластине. Уравнение движения пленки конденсата.

31. Расчет распределения скорости в жидкой пленке. Средняя скорость течения и расход жидкости в пленке. Связь расхода конденсата с тепловым потоком, отводимым в охлаждаемую стенку.

32. Вывод уравнения для расчета толщины пленки конденсата. Решение уравнения и расчет изменения толщины пленки по высоте пластины. Коэффициент теплоотдачи при конденсации жидкости и течении ламинарной пленки. Формула Нуссельта. Ламинарное и волновое движения пленки, критерий изменения формы движения.

33. Свободная конвекция, причины возникновения свободной конвекции. Уравнение движения и теплообмена для свободной конвекции в приближении Буссинеска.

34. Критерии Грасгофа и Релея в свободной конвекции. Интерпретация критерия Грасгофа через характерные времена всплытия и диссипации теплового термика (теплового "пятна"). Определяющий размер для расчета критериев тепловой конвекции.

35. Уравнения движения и теплообмена при ламинарной конвекции вблизи плоской вертикальной пластины в приближении Буссинеска. Распределение скорости и температуры поперек пограничного слоя. Оценка толщины пограничного слоя. Оценка числа Нуссельта свободной ламинарной конвекции, связь с числами Грасгофа и Прандтля. Зависимость числа Нуссельта от числа Грасгофа при турбулентной конвекции.

36. Теплообмен при кипении. Физика явления кипения в большом объеме. Понятие критического размера пузырька при кипении. Расчет критического размера пузырька. Скорость парообразования. Связь коэффициента теплоотдачи с числом Нуссельта при кипении.

37. Современные теории теплообмена при пузырьковом кипении. Теория турбулизации микрослоя вблизи поверхности. Формула Кутателадзе для числа Нуссельта при кипении в большом объеме. Теория испаряющегося микрослоя. Зависимость коэффициента теплоотдачи кипящей жидкости от теплового потока.

38. Капиллярная длина и отрывной радиус пузырька. Кризисы кипения первого и второго рода при кипении в большом объеме, физика кризисов теплоотдачи. Зависимость коэффициента теплоотдачи от перегрева стенки и теплового потока с учетом пузырькового и пленочного кипения. Критический тепловой поток. Формула Кутателадзе для критического теплового потока. Оценка критического теплового потока на основе анализа характерных времен для пузырьков.

39. Картина течения и испарения при движении недогретой жидкости в вертикальном канале при подъемном течении. Зависимости температуры стенки, среды и паросодержания по высоте канала. Современные методы расчета теплообмена при кипении движущейся жидкости. Физика влияния конвекции и кипения на интенсивность турбулентности и парообразования.

40. Теплообмен излучением. Виды излучения. Распределение энергии излучения по частотам. Законы Вина и Рэлея-Джинса.

41. Зависимость полного потока излучения от температуры. Закон Стефана-Больцмана. Понятие абсолютно-черного тела. Приближение серого тела. Коэффициент серости.

42. Прохождение излучения через вещество. Коэффициенты пропускания, отражения и поглощения, вязь между ними. Понятие результируюшего излучения. Тепловой поток между двумя излучающими экранами.

43. Влияние переменности теплофизических свойств на интенсивность теплообмена. Изменение теплофизических свойств при сверхкритических давлениях (СКД). Теплообмен при вынужденной турбулентной конвекции в трубах при СКД. Изменение температур жидкости и стенки по длине. Режимы ухудшенного и улучшенного теплообмена. Физика улучшения и ухудшения теплопередачи. Поправки, учитывающие влияние переменности теплофизических свойств на интенсивность теплоотдачи.

44. Теплообмен в условия смешанной турбулентной конвекции в вертикальных каналах при СКД. Критерий необходимости учета влияния свободной конвекции на теплообмен. Подъемное и опускное течения. Ухудшенные и улучшенные режимы теплоотдачи. Изменение температур жидкости и стенки по высоте. Физика ухудшения и улучшения теплообмена в вертикальных каналах при СКД. Различные формы записи критерия Грасгофа при течении в трубах. Критерии, учитывающие влияние изменение теплофизических свойств на коэффициент Нуссельта при смешанной конвекции.

45. Понятие о численном решении уравнений конвективного теплообмена. Принципы построения разностных сеток. Разностная аппроксимация производных. Разностная аппроксимация теплового потока. Разностный вид одномерного уравнения теплопереноса. Явный алгоритм решения разностного уравнения. Проблемы численной реализации алгоритмов расчета уравнений гидродинамики и теплопереноса.

Derevich IV