1、传热学与流体力学基础答案传热学与流体力学基础答案【篇一：计算流体力学与传热学作业】作业 题目：管壳式换热器内部流场数值模拟 学生姓名：何嵘学号： 201511230134专业：化工机械 院（系）：化工与能源学院 2015年 1月3日管壳式换热器内部流场数值模拟 何嵘 （郑州大学化工与能源学院，郑州 450001） 关键词：换热器；流动与传热；数值模拟 引言 1 物理及数学模型 1.1 物理模型及网格划分 在solidworks中建立模型换热器模型并导入comsol中如下： 图1 换热器 换热器主要尺寸如下： 在comsol中显示如下： 图2 换热器 为了计算简单，选择换热器的一半进行网格划分和
2、计算。选择“物理场控制网格”和“极端粗化”，进行网格划分如下： 图3 换热器网格 网格信息如下： 图4 换热器网格信息 1.2 数学模型及边界条件 基于不可压缩的牛顿型流体，在常物性和宏观热能守恒的假设下，管壳式换热器壳程流体流动和传热必须满足以下3 个控制方程： （1）质量守恒方程（连续性方程）若为不可压缩流动，为常数，则有： （2）动量守恒方程（运动方程） （3）能量守恒方程 边界条件： 空气的进口边界条件：速度入口，速度分别为0.1m/s和0.5m/s；温度为278.15k 空气的出口边界条件：压力出口 水的进口边界条件：速度入口，速度分别为1m/s和5m/s；温度为353.15k 水的
3、出口边界条件：压力出口 最后加入了温度耦合和流动耦合。 2 计算结果及分析 2.1 空气的进口速度为0.1m/s，水的进口速度为1m/s的研究结果 中心剖面上的速度分布：【篇二：流体流动与传热学习指导书】 单元操作指在化工生产过程中普遍使用的、遵循一定的物理学定律、所用设备相似、具有类似作用的物理操作，简称单元操作。引入单元操作概念可以将化工生产过程分成单元操作过程与化学反应过程两部分研究，从而缩短化工产品的研发周期。 三传包括：动量传递、热量传递和质量传递。流体输送、过滤等在外力作用下进行的单元操作过程，由牛顿第二定律可知是涉及动量传递的过程；对象加热、汽化、冷却、冷凝等单元操作过程属于因温
4、度差导致的热量传递过程；对于吸收、蒸馏、萃取、吸附等单元操作属于因浓度差导致的相际质量传递过程。 “三传”过程往往是同时进行并相互影响，如水的蒸发过程涉及传热与传质过程。 三传类似性“三传”之间存在一定的类似性，如过程进行的方向都是从高（动量、能量、温度、浓度）到低；三传过程的阻力均集中于某一区域；过程速率均可表达为过程推动力除以阻力的形式等等。 单位与单位制单位是衡量物理量的大小的依据，有基本单位和导出单位之分。基本单位与导出单位的集合则称为单位制（度）。由于不同时期对研究的需要和出发点的不同，先后有不同的单位制。由于国际单位制（si）有“通用性”与“一贯性”两大优点，所以我国目前使用的法定
5、单位制是以国际单位制为基础并结合国情增添了必要的辅助单位及词冠而构成的。 流体具有流动性质的物体，包括气体和液体。液体的密度随压强的变化可忽略，故称为不可压缩流体；气体的密度随压强有明显的变化，故称为可压缩流体。无流动阻力的流体称为理想流体；满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体；实际流体多为非牛顿型流体。 系统工程上指研究的对象，是指定研究的某个区域范围。 稳定流动系统与不稳定流动系统的概念稳定流动系统又称定态或定常流动系统，是指流动系统中各物理量的大小仅随位置变化的系统，也即在指定截面上物理量的值恒为常数的流动系统。若流动系统中各物理量不仅随位置变化且随时间变化的，则称为不稳定流动系统，又称
6、非定态或非定常流动系统。对连续生产系统，在正常操作状况下可视为稳定流动系统；在生产的开、停车及事故恢复阶段为不稳定流动系统。 稳定流动系统的连续性欲使流动系统中指定截面上的物理量均为常数，系统中必须充满流体、无空隙。用数学语言描述就是系统中的流体质点处于连续状态。对此特性则称为稳定流动系统的连续性。稳定流动系统的守恒性包括质量守恒与能量守恒（在特定条件下还可以转化为热量守恒），即输入、输出系统的质量或能量相等。 平衡平衡状态是过程可能到达的极限，且随过程条件的变化而变化（如溶解度随温度的变化而变化等），故称为“动（态）平衡”。 过程速率指过程进行的速度，如热量传递的速度、质量传递的速度等。对任
7、意过程的速率，大小总是和过程推动力成正比而与过程的阻力成反比，也即，过程速率的计算通式类似于欧姆定律。 实验关联法是获得经验公式的主要手段。当某个物理参数的影响因素较多，无法用逻辑演绎的方法得到它的计算关系式时，可以先对该物理参数的影响因素作出定性分析，然后在固定其它影响因素的前提下，用实验方法测出该物理参数与某个影响因素间的关系，并将所测出的关系通过特定的坐标绘成曲线，最后利用所得曲线建立数学模型，以获得该物理参数与某影响因素间的数学关系。余此类推，逐一获得该物理参数与各影响因素间的数学关系，最后通过实验校正，从而获得该物理参数的计算关系式。此法则称为实验关联法，所得的公式称为经验关联式或经
8、验公式。 准数又称特征数，是指由若干物理量构成的无单位（因次）代数式。 计算公式浓缩 稳定流动系统的物料衡算式连续性方程： 1、一般式 n ?q i?1 n m,i ?qm,j j?1 m m 式中：?qm,i为单位时间内输入系统物料量之和，kg/s；?qm,j为单位时间 i?1 j?1 内输出系统物料量之和，kg/s。 2、对无分支系统 3、对不可压缩流体 qm,1=qmqv,1=qv , , 2 u?d? 4、不可压缩流体在圆管中流动 1?2? u2?d1? 稳定流动系统的能量守恒： 1、一般式 n ?e?e ii?1 j?1 nm j m 式中：?ei为单位时间内输入系统的能量之和，j/
9、s或w；?ej为单位时间 i?1 j?1 内输出系统的能量之和，j/s或w。 2、当系统除热量以外不涉及其它能量转化时 ?qi?qj i?1 j?1 nm式中：?qi为单位时间内输入系统的热量之和，j/s或w；?qj为单位时间 i?1 j?1 nm 内输出系统的热量之和，j/s或w。 3、对可近似为恒压的传热设备，在不涉及其它能量转化时 邋h i=1 ni?1 nm i = j=1 hj m 式中：?hi为单位时间内输入系统的热焓之和，j/s或w；?hj为单位时 j?1 间内输出系统的热焓之和，j/s或w。 过程速率计算通式 过程速率 过程推动力 过程阻力 第一章 流体力学 第一节 流体的基本
10、物性 知识点聚焦 密度、相对密度和比容单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。相对密度又称比重，系指流体的密度与277k水的密度比，可用比重计实测，流体的相对密度与密度之间的关系为1/1000。比容又称比体积或质量体积，在数值上等于密度的倒数。 流体静压强的定义与特性流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压力强度，简称静压强。流体静压强的两个特性：1、作用方向总是和作用面相垂直，并指向所考虑的那部分流体的内部；2、任意一点的静压强在各个方向上大小相等。 绝对零压强绝对压强、表压强及真空度流体的静压强是一个相对量，计算确定需要规定基准，用人为规定的压强为0的状态称为绝对零压强，以绝对零压强为起
11、点计量的压强称为绝对压强。工程上为便于计算和测量，常以大气压为基准，规定：系统压强高于大气压强的部分称为表压强，简称表压；系统压强低于大气压强的部分称为真空度。相应上述两种场合下的测压表分别称为压力表和真空表。 内摩擦系指流体在运动过程中质点间的相互约束作用。内摩擦是形成流动阻力的主要原因之一。粘度的概念粘度是反映流体粘性大小的物理量，从某种程度上也反映流体的内摩擦性能，有（动力）粘度和运动粘度两种。（动力）粘度也是牛顿粘性 du 定律?中的系数，因大小与流体的粘性有关故称为粘度。对满足牛顿粘 dy 性定律的流体称为牛顿型流体。 计算公式浓缩 密度计算公式： 1、密度、相对密度与比容间的换算
12、t 1 ? 2、混合液的密度 1 ?l ? i?1 n xw,i ?l,i 式中：xw,i混合液中i组分的质量分率；?l,i混合液中i组分的密度，kg/m3。 公式应用前提：混合液体中各组分间无氢键及缔合作用。 mpm 3、气体的密度 ?v? vrt 绝对压强、表压强及真空度之间的换算： 表压强绝对压强 大气压强 真空度大气压强 绝对压强= 表压强 流量与流速换算： qqr g（质量流速）=m=v=r（体积流速）u aa 混合物的粘度： 1、常压气体混合物的粘度 ?g? 1/ y?m?iiii?1n 2 n i?1 公式应用前提：气体的压强不太高、温度不太低，可近似为理想气体。 ?y?m ii
13、?1 n 1/2 i g i2、液体混合物的粘度 lg?l?xi?l? n i?1公式应用前提：液体混合物中各组分之间无氢键及缔合作用。 相关习题解答 1-1已知丙酮的比重为0.81，试求其密度和比容。（810，1.23?10?3） 【解】根据题意丙酮的密度: t3 ?d277?1000?0.81?1000?810kg/m k 11 丙酮的比容: ?1.23?10?3m3/kg ?810 1-2 293k下苯-甲苯混合液，已知苯的质量分率为0.4，试求其密度。（872kg/m3） 【解】查表知，在293k下，苯密度?苯?879kg/m3，甲苯密度?甲苯?867kg/m3 nx10.40.6w,
14、i?1.15?10?3m3/kg 由 ?li?1?l,i879867 则 ?l?872kg/m3 1-3 已知汽油、煤油、柴油的密度分别为700kg/m3、760kg/m3和900kg/m3，若三种油品混合物中汽油、煤油、柴油的质量百分数分别为20、30和50%，求此混合液的密度。（809kg/m3） nx10.20.30.5w,i?1.24?10?3m3/kg 【解】由 ?li?1?l,i700760900 得 ?l?809kg/m3 1-4 试估算co2在360k和4mpa时的密度和比容。（58.8kg/m3，0.017m3/kg） 【解】根据题意 pm4?103?44 rt8.314?3
15、6011 比容 ?0.017m3/kg ?58.8 1-5 试估算含氮的体积百分率为25%的氮、氢混合气体在400k和600mpa下的密度。（1530kg/m3） 【解】根据题意 m?yi?mi?0.25?28?0.75?2?8.5kg/m3 i?1n rt8.314?400 1-6 某生产设备上真空表的读数为100mmhg，试计算设备内的绝对压强与表压强各为若干kpa；已知该地区大气压力为760mmhg。（115kpa，-13.3 kpa） 【解】真空度 = 大气压 绝对压强=表压强 故绝对压强=760mmhg-100mmhg=660mmhg=115kpa表压强=-100mmhg=-13.3
16、kpa【篇三：第二章传热习题】txt一、选择题 1套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时，总传热系数应()。 a增大；b减小；c不变；d无法确定。 2套管冷凝器的内管走空气，管间走饱和水蒸汽，如果蒸汽压力一定，空气进口温度一定，当空气流量增加时，空气出口温度()。 a增大；b减小；c不变；d无法确定。 3利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。要求热流体的进出口温度及流量不变。今因冷却水进口温度升高，为保证完成生产任务，提高冷却水的流量，其结果使k()。 a增大；b下降；c不变；d不确定。 a增大；b下降；c不变；d不确定。 5传热过程
17、中当两侧流体的对流传热系数都较大时，影响传热过程的将是()。 a管壁热阻； b污垢热阻； c管内对流传热热阻；d管外对流传热热阻。 7下述各种情况下对流传热系数由大到小的正确顺序应该是()。 a；b； c；d。 a53；b45；c50；d58。 ()的温度。 a冷流体； c冷流体和热流体的平均温度； b热流体； d无法确定。 11一套管换热器，环隙为120 蒸汽冷凝，管内空气从20 被加热到50 ，则管壁温度应接近于()。 a35 ；b120 ；c77.5 ；d50 。 12水蒸汽在一外径为25 mm、长为2.5 m的水平管外冷凝。若管外径增大一倍，则冷凝传热系数为原来的()。 a0.641倍
18、；b0.741倍；c0.841倍；d0.941倍。 13水蒸汽在一外径为25 mm、长为2.5 m的水平管外冷凝。若将原水平管竖直放置，且假定冷凝液层流流动，则冷凝传热系数为原来的()。 a0.493倍；b0.593倍；c0.693倍；d0.793倍。 14冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为90 ，出口温度为50 ，冷水进口温度为15 ，出口温度为53 ，冷热水的流量相同，且假定冷热水的物性为相同，则热损失占传热量的()。 a5%；b6%；c7%；d8%。 15对在蒸气空气间壁换热过程中，为强化传热，下列方案中在工程上可行的是()。 a提高空气流速； b提高蒸气流速； c采用过热蒸气以提
19、高蒸气流速； d在蒸气一侧管壁上装翅片，增加冷凝面积并及时导走冷凝液。 16间壁传热时，各层的温度降与各相应的热阻()。 a成正比；b成反比；c成平方关系；d没关系。 18关于传热系数k下述说法中错误的是()。 a传热过程中总传热系数k实际是个平均值； b总传热系数k可用来表示传热过程的强弱，与冷、热流体的物性无关； c总传热系数k随着所取的传热面不同而异； d要提高k值，应从降低最大热阻着手。 19因次分析法的目的在于()。 a得到各变量间的确切定量关系； b得到各无因次数群间的确切定量关系； c用无因次数群代替变量，使实验结果更可靠； d用无因次数群代替变量，使实验与关联工作简化。 20为
20、了在某固定空间造成充分的自然对流，有下面两种说法：1 加热器应置于该空间的上部；2 冷凝器应置于该空间的下部；正确的是()。 a这两种说法都对； b这两种说法都不对； c第一种说法对，第二种说法错； d 第二种说法对，第一种说法错。 21流体在圆形直管内作强制湍流时，其对流传热系数与雷诺数re的n次方成正比，其中 n的值为()。 a0.5；b0.8；c1；d2。 22某燃烧炉的炉壁内、外表面温度分别为t1、t2。今在炉壁外表面加一保温层，炉壁内、外表面的温度变化为t1、t2。下列的判断正确的是()？ at1t1，t1t2t1t2； bt1t1，t1t2t1t2； ct1t1，t1t2t1t2；
21、da、b、c以外的其他判断。23某列管换热管，管间为饱和的水蒸汽冷凝，若饱和蒸汽温度与壁温之差增加一倍时，传热速率将增加为原来的()倍。 a2-1/4；b21/4；c21/3；d23/4。 二、填空题 1两流体通过间壁换热，冷流体从20 被加热到50 ，热流体从100 被冷却到70 ，则逆流时的?tm_，并流时的?tm_。 2物体黑度是指在_温度下，物体的_与_之比，在数值上它与同一温度下物体的_相等。 3在钢、水、软木之间，导热效果最佳的是_，保温效果最 佳的是_。 4某圆形管道外有两层厚度相等的保温材料a和b，温度分布线如 层时保温效果更好。 5化工生产中最常用的载热体(加热剂)为_，常用
22、的冷却剂为_。 7在传热实验中，用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数k接近于 侧的对流换热系数。壁温接近于 侧流体的温度。 8多层壁稳定导热中，若某层的热阻最大，则该层两侧的温差最。 9在设计列管式换热管中，设置折流挡板，程流速，流速，以达到强化传热的目的。管程内流体流速的选取，对一般液体取 ，气体取 ，如该换热器用水蒸汽冷凝来加热原油，那么水蒸汽应在 程流动。 三、简答题 1导热中推动力、热阻的概念，单层平壁和多层平壁导热时如何计算其热阻和推动力？ 2流体在圆形直管中作强制湍流时对流传热系数的计算式及其使用条件。 4总传热系数k的意义，它包含了哪几个分热阻？ 5如何计算壁温？ 6热传导、热对流和
23、热辐射。 7傅立叶定律。 8导热系数的意义，气体、液体、固体的导热系数各有什么特点？ 四、分析题 1某车间有一台运转中的单程列管式换热器，热空气走管程，由120 降至80 ，其对流试问：-2-1-2-1-2-1-2-1水量增加一倍时，水和空气的出口温度t2和t2为若干？ 2某液体在一直管内(忽略进口段的影响)稳定强制湍流流动，该管内径为20 mm，测得其对流传热系数为?，现将管内径改为27 mm，并忽略出口温度变化对物性所产生的影响。 (1) 若液体的流速保持不变，试问管内对流传热系数有何变化？ (2) 若液体的质量流量保持不变，试问管内对流传热系数有何变化？ 五 计算题 1在如图所示的平板导
24、热系数测定装置中，试样直 ?2t1-1下的导热系数-1?1?3.780?10w?m?k，在t2下的导热系数 b?2?2.675?10w?m?k。试计算空气隙的存?2-1-1 在给导热系数的测定带来的误差。(提示：不考虑空气 隙计算得到的导热系数?为表观值，考虑空气隙计算 ?得到的导热系数?为真实值，即要计算) ? 4在管长为1 m的冷却器中，用水冷却油。已知两流体作并流流动，油由420 k冷却到370 k，冷却水由285 k加热到310 k。欲用加长冷却管的办法，使油出口温度降至350 k。若在两种情况下油、水的流量、物性、进口温度均不变，冷却器除管长外，其他尺寸也不变。试求加长后的管长。 -1
