Теория тепломассообмена - Теплофизика

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
Дисциплина
Теория тепломассообмена
(учебная программа)
Выделено на дисциплину
Выделено часов
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Курсовой проект
Самостоятельная проработка курса,
подготовка к контрольным мероприятиям
Выполнение домашних заданий
ДЗ № 1
ДЗ № 2
ДЗ № 3
ДЗ № 4
Виды отчетности по дисциплине
Зачеты по курсовому проекту
Зачет по курсу
Экзамены
ВСЕГО
136 час.
85 час.
51 час.
17 час.
17 час.
51 час.
19 час.
VI семестр
136 час.
85 час.
51 час.
17 час.
17 час.
51 час.
19 час.
32 час.
8
8
8
8
32 час.
час.
9 нед.
час.
11 нед.
час.
13 нед.
час.
15 нед.
Э
2
ПРОГРАММА
по курсу " ТЕОРИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА "
для специальности "Теплофизика" Э6
Основные цели и задачи дисциплины - освоение студентами законов переноса
теплоты и массы, методов теории тепломассообмена, сведений о современном состоянии научных исследований в данной области и наиболее актуальных для практики
нерешенных проблемах; привитие студентам практических навыков решения типичных задач, в том числе - с использованием средств компьютерной алгебры; привитие
студентам практических навыков исследования процессов тепломассообмена. Процессы тепломассообмена охватывают все сферы человеческой деятельности, поэтому в задачи курса входит ознакомление студентов с наиболее типичными задачами
тепломассообмена в различных отраслях техники и в природе.
Курс тепломассообмена является одним из основных в программе подготовки
инженеров-теплофизиков и освещает основные вопросы, связанные с переносом
теплоты и массы в пространстве и времени. Основное внимание в курсе уделено
фундаментальным понятиям переноса теплоты. Методы теории тепломассообмена
рассматриваются как в общем виде, так и на конкретных примерах, представляющих
собой наиболее распространенные задачи, встречающиеся в природе и технике.
При освоении курса студенты должны уметь использовать аппарат математического анализа, термодинамики, методы решения задач механики твердого тела,
жидкости и газа, программные среды компьютерной алгебры, навыки работы с графическими материалами.
Теория тепломассообмена определяет основные методы решения задач,
большинство из которых носит приближенный характер. Поэтому большое внимание
в курсе уделено анализу принимаемых упрощений и допущений и их мотивировке.
Лабораторный практикум предусматривает исследование процессов тепломассопереноса на лабораторной базе кафедры Э6, включая изучение как совместно протекающих процессов, так и выявление отдельных составляющих (теплопроводность,
конвекция, излучение).
ВВЕДЕНИЕ:
1 час.
3
Основные гипотезы и концепции теории тепломассообмена: элементы линейной неравновесной термодинамики; понятие потока; соотношения взаимности; кинетические (феноменологические) коэффициенты. Понятие сплошной среды. Понятие
о полях температур, тепловых потоков, скоростей, концентраций. Механизмы переноса тепловой энергии: теплопроводность, конвекция, излучение. Теплопередача,
коэффициент теплопередачи. Понятие пограничного слоя.
УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА:
3 час.
Уравнение неразрывности (сохранения массы). Уравнение движения (сохранения импульса). Уравнение энергии. Уравнение диффузии. Уравнение переноса излучения. Уравнения термогидродинамики многофазных сред. Уравнения пограничного
слоя.
УСЛОВИЯ ОДНОЗНАЧНОСТИ:
2 час.
Физические, определяющая температура. Геометрические, определяющий
размер. Временные и начальные. Граничные: динамические, концентрационные (закон действующих масс), тепловые (I-го, II-го, III-го рода, контактные, условия симметрии,
условия
на
фронте
фазового
перехода,
условия
на
облучаемой
поверхности).
ПОДОБИЕ ЯВЛЕНИЙ ТЕПЛОМАССООБМЕНА:
3 час.
Размерные и безразмерные величины. Основные и производные единицы измерения. Понятие о подобии физических явлений. Параметр подобия. Инвариант подобия.
Критерий
подобия
и
критериальное
уравнение.
Определяющие
и
определяемые критерии подобия. Правила моделирования, автомодельность. теорема. Вывод критериев подобия из системы уравнений тепломассообмена. Вывод
критериев подобия методами теории размерностей. Линейные масштабы. Масштабы
скоростей.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ:
5 час.
Общее решение уравнения теплопроводности. Теплопроводность одномерных
канонических стенок: общие решения. Внутренние источники теплоты. Теплопередача. Методы решения двумерных, трехмерных и нестационарных уравнений теплопроводности.
КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН
20 час.
4
Основы теории пограничного слоя. Уравнения пограничного слоя сжимаемого
газа с химическими реакциями. Частные случаи уравнений пограничного слоя.
Ламинарный пограничный слой: Характерные размеры пограничного слоя:
толщина вытеснения, толщина потери импульса, толщина потери энтальпии. Интегральные уравнения пограничного слоя. Стационарный тепломассообмен при обтекании пластины потоком несжимаемого газа. Автомодельные решения уравнений
пограничного слоя. Тепломассообмен в окрестности передней критической точки.
Теплообмен на криволинейной поверхности. Точные решения уравнения энергии для
пограничного слоя сжимаемого газа при px . Адиабатная температура стенки.
Коэффициент восстановления. Теплообмен при умеренных скоростях. Теплообмен
при высоких скоростях. Приближенный метод решения с помощью интегрального соотношения энергии. Теплообмен на проницаемой поверхности. Теплообмен при
наличии химических реакций: взаимодействие между потоком и материалом поверхности. Расчет конвективного теплообмена на химически реагирующей поверхности.
Турбулентный пограничный слой. Элементы теории турбулентности. Возникновение турбулентного течения. Турбулентное касательное напряжение, тепловой и
диффузионный потоки. Полуэмпирические теории турбулентного переноса. Уравнения турбулентного пограничного слоя. Пристенная часть пограничного слоя (распределение скоростей, температур и концентраций). Законы трения и тепломассообмена: влияние сжимаемости, неизотермичности, вдува и отсоса. Методы расчета
тепломассообмена: непроницаемая поверхность, проницаемая поверхность
Теплообмен при вынужденном течении в каналах: стабилизация течения и
теплообмена в начальном участке. Ламинарные течения в круглой трубе: изотермическое течение, течение при постоянной плотности теплового потока на стенке. Учет
теплоты трения. Влияние естественной конвекции. Турбулентные течения в круглой
трубе: учет переменности теплофизических свойств. Расчетные соотношения для
трения и теплоотдачи.
Теплообмен при поперечном обтекании тел: одиночные тела, засыпки и пучки.
Газовые завесы.
Теплообмен в разреженных газах.
5
Теплообмен и гидродинамика при естественной конвекции, гипотеза Буссинеска. Естественная конвекция в условиях внешней задачи. Вертикальная пластина (решение Лоренца). Естественная конвекция в условиях внутренней задачи.
ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ ПЕРВОГО РОДА
6 час.
Теплообмен при плавлении/затвердевании (задача Стефана).
Теплообмен и гидродинамика при пленочной конденсации. Конденсация неподвижного пара (задача Нуссельта): ламинарная пленка, турбулентная пленка. Конденсация на внешней поверхности трубы. Конденсация движущегося пара: внешняя
задача, внутренняя задача. Тепломассообмен и гидродинамика при конденсации пара из парогазовой смеси.
Теплообмен при капельной конденсации.
Теплообмен и гидродинамика при кипении: режимы кипения и кривая кипения
в большом объеме. Центры парообразования. Плотность центров парообразования
(по Лабунцову). Внутренние характеристики: закон роста пузыря, отрывной диаметр,
частота отрыва. Условия закипания (по Сю и Розенау). Развитое пузырьковое кипение: модели Кутателадзе (гидродинамическая), Кутателадзе-Леонтьева, Лабунцова
(микрослоевая модель). Расчетные соотношения. Влияние различных факторов на
теплообмен при пузырьковом кипении. Кризисы теплоотдачи при кипении (модель
Кутателадзе). Пленочное кипение (модель Кутателадзе-Бромли). Кипение в переходном режиме.
Термогидродинамика при кипении в каналах: структуры двухфазных течений в
вертикальных и горизонтальных трубах, карты двухфазных потоков. Подобие в
двухфазных течениях. Модели двухфазного потока (гомогенное течение, раздельное
течение). Модель Локкарта-Мартинелли-Нельсона. Теплообмен в двухфазных потоках. Кризисы теплообмена в двухфазных потоках.
ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ МИКРОГРАВИТАЦИИ
2 час.
Особенности конвективного теплообмена при микрогравитации. Процессы переноса теплоты в системах обеспечения теплового режима космических аппаратов.
ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ
4 час.
Законы теплового излучения абсолютно черного тела.
Понятие о сером теле, закон Кирхгофа. Степень черноты реальных материалов.
6
Излучение и поглощение газов, закон Бугера-Бэра. Радиационные характеристики газов.
Методы расчета радиационного теплообмена: методы угловых коэффициентов, сальдо, Монте-Карло.
Радиационный теплообмен через прозрачные среды. Радиационный теплообмен через полупрозрачные среды.
Радиационный теплообмен космического аппарата: Солнечное излучение.
Влияние отражения от Земли. Методики расчета радиационных теплообменников.
СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
3 час.
Радиационно-кондуктивный теплообмен. Радиационно-конвективный теплообмен.
КОНВЕКТИВНЫЙ МАССОПЕРЕНОС
2 час.
Тепломассообмен во влажном воздухе. Задача об абляции при взаимодействии
с высокоэнтальпийным потоком.
СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ
17 час.
1. Теплопроводность в канонических твердых телах
4 час.
2. Ламинарный пограничный слой
4 час.
3. Течение в трубах и каналах
6 час.
4. Расчет теплопередачи
3 час.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
17 час.
1. Исследование теплопроводности твердого тела
2. Исследование радиационно-конвективного теплообмена около горизонтальной
трубы
3. Исследование радиационных свойств твердого тела
4. Исследование теплообмена при вынужденной конвекции
7
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ВНЕАУДИТОРНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ - 51 часов
1
1. Работа с учебниками проработка лекционного материала
19 час.
2. Подготовка и выполнение домашних заданий
32 час.
Расчет двумерной теплопроводности в теле с внут-
8 час.
7 - 9 нед.
8 час.
9 - 11 нед.
8 час.
11 - 13 нед.
8 час.
13 - 15 нед.
ренними источниками теплоты
2
Расчет конвективного теплообмена при течении в
канале
3
Расчет конвективного теплообмена при обтекании
тела
4
Расчет радиационного теплообменника космического
аппарата
6. Подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, к зачету и экзамену.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
1. Теория тепломассообмена/ Под ред. А.И.Леонтьева.- М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э.Баумана, 1997.- 683 с.
2. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.- М.: Атомиздат, 1979.- 416 с.
3. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена //
Под ред. В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого.- М.: Высшая школа, 1986.
Дополнительная литература
1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жид-
костей.- М.: Наука, 1972.- 720 с.
2. Гухман А.А. Введение в теорию подобия.- М.: Высш. школа, 1973.- 296 с.
3. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением.- М.: Мир, 1975.- 934 с.
8
4. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление:
Справочное пособие.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 367 с.
5. Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен.- М.: Энергия, 1972.- 448 с.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика.- М.: Наука, 1988.- 736 с.
7. Лихушин В.Я. Теория теплообмена.- М.: Изд. Центра Келдыша, 1998.- 564 с.
8. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник).- М.: Энергия, 1971.- 560 с.
9. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена/ Ч. 1. Теплопроводность.- М.: Высш. школа, 1970.- 288 с.
10. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред.- М.: Наука, 1987.- Т. 1, 2.
11. Практикум по технической термодинамике и теории тепломассообме-
на// Под ред. В.И.Крутова и Е.В.Шишова, 1987.
12. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков в атомной и тепло-
вой энергетике/ Дж.Делайе, М.Гио, М.Ритмюллер.- М.: Энергия, 1984.- 424 с.
13. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.- М.: Наука, 1974.- 712 с.
14. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности.- М.: Иностранная
литература, 1960.- 478 с.