Slide 1 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp HCM Cán bộ giảng dạy Ths Phan Thành Nhân CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN VỀ TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU 1 Một số khái niệm cơ bản về đối lưu 2 Nhöõng nhaân toá cô baûn aûnh höôûng ñeán[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TOẢ NHIỆT ĐỐI LƯU Một số khái niệm đối lưu Những nhân tố ảnh hưởng đến α Phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu Đồng dạng số không thứ nguyên Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Một số khái niệm đối lưu doøng chất lỏng tf uf u q Trao đổi nhiệt xảy bề mặt vật rắn tiếp xúc với lưu chất lỏng (khí) có chênh lệch nhiệt độ Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp, chịu ảnh hưởng của: + Quy luật lượng nhiệt + Quy luật chuyển động lưu chất lỏng (khí): (cơ học lưu chất, biến đổi lượng…) Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Theo định luật Newton: Trong đó: q = α.( t w − t f ) (W/m2) Q = αF( t w − t f ) (W) q – mật độ dòng nhiệt, W/m2 Q – dòng nhiệt, W F – diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 α – hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2oC tw – nhiệt độ bề mặt phẳng, oC K tf – nhiệt độ trung bình chất lỏng, oC K Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Hệ số toả nhiệt ( q , W / m2K α= tw − tf ) Trao đổi nhiệt đối lưu trình phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố: α = f (t w , t f , ω, λ, ρ, µ, C p , φ, δ, ) ω λ µ φ δ Tốc độ chuyển động lưu chất, m/s Hệ số dẫn nhiệt lưu chất, W/mK Hệ số nhớt động lực học, N.s/m2 Hình dáng hình học Kích thước tính toaùn, m ……… Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Những nhân tố ảnh hưởng đến α: Nguyên nhân phát sinh chuyển động: – Chuyển động tự nhiên: + Gây nên chênh lệch khối lượng riêng ∆ρ – Chuyển động cưỡng bức: + Gây nên tác động ngoại lực (bơm, quạt, máy nén…) Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Chế độ chuyển động: Khảo sát dòng chảy tầng dòng chảy rối lưu chất màu lưu chất màu Dòng chảy tầng: phần tử lưu chất chảy theo dòng phẳng, theo trật tự định (dòng ổn định) Dòng chảy rối: phần tử lưu chất chảy không ổn định ngẫu nhiên Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Tính chất vật lý lưu chất lỏng (khí): Các thông số ảnh hưởng lớn đến α là: + hệ số dẫn nhiệt: λ + nhiệt dung riêng cp + khối lượng riêng: ρ + hệ số khuyếch tán nhiệt: a + độ nhớt động lực học: µ ν = µ ρ - hệ số nhớt động học lưu chất, m2/s Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Xét loại lưu chất thường gặp kỹ thuật: để thấy mức độ ảnh hưởng thông số vật lý lưu chất đến α + Không khí (hoặc khí, hơi): có hệ số α bé - Đối lưu tự nhiên: α ≈ ÷ 10W/m2K - Đối lưu cưỡng bức: α ≈ 15 ÷ 60W/m2K + Dầu: tuỳ loại dầu độ nhớt - Đối lưu tự nhiên: α ≈ 50 ÷ 100W/m2K - Đối lưu cưỡng bức: α ≈ 150 ÷ 300W/m2K + Nước: có hệ số α lớn - Đối lưu tự nhiên: α ≈ 100 ÷ 600W/m2K - Đối lưu cưỡng bức: α ≈ 1000 ÷ 9000W/m2K Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Hình dáng kích thước bề mặt trao đổi nhiệt: Ảnh hưởng đến chuyển động dòng lưu chất Ảnh hưởng đến hệ số toả nhiệt α 10 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu – Phương trình vi phân toả nhiệt – Phương trình lượng – Phương trình chuyển động – Phương trình liên tục 13 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM – Phương trình vi phân toả nhiệt Ở sát bề mặt vách có lớp mỏng lưu chất đứng yên đơn xảy tượng dẫn nhiệt nhiệt lượng nhiệt lượng trao đổi đối löu qα = qλ n =0 ∂t α(t w − t f ) = −λ fluid ⋅ ∂n ∂t − λ fluid ⋅ ∂n α= tw − tf n =0 n =0 (*) 14 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Trong pt (*) muốn xác định α, phải biết phân bố nhiệt độ lớp chất lỏng bề mặt Số ẩn số chưa cân với số phương trình Viết phương trình vi phân lượng (tìm quy luật phân bố gradient nhiệt độ) Giả thiết: • Lưu chất lỏng không bị nén, đồng chất, nguồn nhiệt bên trong, • • • Bỏ qua toả nhiệt ma sát Xét phân tử thể tích lưu chất lỏng hình hộp cạnh dx, dy, dz, Nhiệt lượng đưa vào làm biến đổi entanpi phần tử lưu chất 15 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM – Phương trình lượng ∂2t ∂2t ∂2t ∂t ∂t ∂t ∂t + ωz = a + + + ωx + ωy ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂τ ∂x (**) Phương trình lượng thể phân bố nhiệt độ bên chất lỏng chuyển động Phương trình (**) phụ thuộc thành phần tốc độ – Phương trình chuyển động Thành phần lực tác động lên khối lưu chất: • lực trọng trường • • lực tác động khối lưu chất lên bề mặt (do áp suất) lực ma sát khối lưu chất lên bề mặt dω 2 ρ = ρg − ∇p + µ∇ ω dτ Phương trình Navier - Stock Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân (***) 16 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Phương trình (***) xuất biến số áp suất p – Phương trình liên tục Dựa nguyên lý định luật bảo toàn khối lượng Khảo sát với lưu chất không chịu nén ∂ωx ∂ωy ∂ωz + + =0 ∂x ∂y ∂z (****) Phương trình (****) không xuất biến số – Điều kiện đơn trị: • điều kiện hình học • • • điều kiện vật lý điều kiện biên điều kiện thời gian 17 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM – Phương trình lượng – Phương trình chuyển động – Phương trình liên tục Đề nghị sinh viên đọc thêm sách giaùo khoa 18 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Đồng dạng số không thứ nguyên Trong biểu thức tính toán truyền nhiệt đối lưu điều kiện biên có chứa số hạng không thứ nguyên để biểu diễn tham số vật lý: αl λ ωl ν ωl a gβl3∆t ν2 Các số hạng xem tiêu chuẩn đồng dạng, góp phần lớn cho phát triển nghiên cứu động lực học lưu chất lỏng truyền nhiệt 19 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM Tiêu chuẩn Nusselt: Kí hiệu Nu (tiêu chuẩn truyền nhiệt) αl Nu ≡ λ • Số Nusselt giá trị mô tả cho trình truyền nhiệt biên vách dòng lưu chất • Thường sử dụng chưa xác định trình đối lưu, để xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu α 20 Cán giảng dạy: Ths Phan Thành Nhân