Giáo trình phân tích nguyên lý ứng dụng vào quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p3

Chia sẻ: Fsdfds Dsfsdxf | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'giáo trình phân tích nguyên lý ứng dụng vào quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p3', khoa học tự nhiên, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình phân tích nguyên lý ứng dụng vào quy trình các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân hydro p3

bøc x¹ rÊt m¹nh cña mÆt trêi lµm t¸ch c¸c ph©n tö ra ®Ó t¹o thµnh c¸c ion vµ electron. V× thÕ ng−êi ta gäi tÇng nµy lµ tÇng ®iÖn ly (Ionosphere) c¸c sãng ®iÖn tõ bÞ ph¶n x¹ trong tÇng nµy. Cµng lªn cao, bøc x¹ MÆt trêi trêi cµng m¹nh, ë ®é cao kho¶ng 600km, nhiÖt ®é lªn ®Õn 1000oC. Cµng lªn cao khÝ quyÓn cµng máng vµ kh«ng cã mét ranh giíi râ rµng ph©n biÖt g÷a khÝ quyÓn cña tr¸i ®Êt vµ kh«ng gian. Ng−êi ta thèng nhÊt r»ng khÝ quyÓn chuÈn cña tr¸i ®Êt cã ®é cao 800km. 19
Ch−¬ng 10. trao ®æi nhiÖt ®èi l−u 10.1. C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n 10.1.1. §Þnh nghÜa vµ ph©n lo¹i Trao ®æi nhiÖt ®èi l−u, hay cßn gäi lµ táa nhiÖt, lµ hiÖn t−îng dÉn nhiÖt tõ bÒ mÆt vËt r¾n vµo m«i tr−êng chuyÓn ®éng cña chÊt láng hay chÊt khÝ. Tïy theo nguyªn nh©n g©y chuyÓn ®éng chÊt láng, táa nhiÖt ®−îc ph©n ra 2 lo¹i: -Theo nhiÖt tù nhiªn lµ hiÖn t−îng dÉn nhiÖt vµo chÊt láng chuyÓn ®éng tù nhiªn, lu«n x¶y ra trong tr−êng träng lùc khi nhiÖt ®é chÊt láng kh¸c nhiÖt ®é bÒ mÆt. - Táa nhiÖt c−ìng bøc lµ hiÖn t−îng dÉn nhiÖt vµo chÊt láng chuyÓn ®éng c−ìng bøc do t¸c dông cña b¬m, qu¹t hoÆc m¸y nÐn. 10.1.2. C«ng thøc tÝnh nhiÖt c¬ b¶n. Thùc nghiÖm cho hay l−îng nhiÖt Q trao ®æi b»ng ®èi l−u gi÷a mÆt F cã nhiÖt ®é tw víi chÊt láng cã nhiÖt ®é tf lu«n tØ lÖ víi F vµ ∆t = tw - tf. Do ®ã, nhiÖt l−îng Q ®−îc ®Ò nghÞ tÝnh theo 1 c«ng thøc quy −íc, ®−îc gäi lµ c«ng thøc Newton, cã d¹ng sau: Q = αF∆t , [ W ], hay q = α∆t , [ W / m 2 ] 10.1.3. HÖ sè táa nhiÖt α HÖ sè α cña c«ng thøc Newton nãi trªn, ®−îc gäi lµ hÖ sè táa nhiÖt: [ ] Q q α= = W / m2K , F∆t ∆t HÖ sè α ®Æc tr−ng cho c−êng ®é táa nhiÖt, b»ng l−îng nhiÖt truyÒn tõ 1m2 bÒ mÆt ®Õn chÊt láng cã nhiÖt ®é kh¸c nhiÖt ®é bÒ mÆt 1 ®é Gi¸ trÞ cña α ®−îc coi lµ Èn sè chÝnh cña bµi to¸n táa nhiÖt, phô thuéc vµo c¸c th«ng sè kh¸c cña m«i tr−êng chÊt láng vµ bÒ mÆt, ®−îc x¸c ®Þnh chñ yÕu b»ng c¸c c«ng thøc thùc nghiÖm. 10.1.4. C¸c th«ng sè ¶nh h−ëng tíi hÖ sè táa nhiÖt α Táa nhiÖt lµ hiÖn t−îng dÉn nhiÖt tõ bÒ mÆt vµo m«i tr−êng chÊt láng chuyÓn ®éng. Do ®ã, mäi th«ng sè ¶nh h−ëng ®Õn sù chuyÓn ®éng vµ dÉn nhiÖt trong chÊt láng ®Òu ¶nh h−ëng tíi hÖ sè α. C¸c th«ng sè nµy th−êng ®−îc ph©n ra 4 lo¹i nh− sau: * Th«ng sè h×nh häc: M« t¶ vÞ trÝ, kÝch th−íc, h×nh d¹ng cña mÆt táa nhiÖt. Gi¸ trÞ cña th«ng sè h×nh häc trong mçi c«ng thøc thùc nghiÖm ®−îc chän nh− mét kÝch th−íc nµo ®ã 107
cña mÆt F, ®−îc gäi lµ kÝch th−íc x¸c ®Þnh. Tïy theo vÞ trÝ vµ h×nh d¹ng cña mÆt F, kÝch th−íc x¸c ®Þnh l cã thÓ chän lµ chiÒu cao h, chiÒu dµi l hoÆc ®−êng kÝnh 4f t−¬ng ®−¬ng d = , víi f vµ u lµ diÖn tÝch vµ chu vi cña mÆt c¾t chøa chÊt láng. u * C¸c th«ng sè vËt lÝ cña chÊt láng: C¸c th«ng sè vËt lÝ ¶nh h−ëng tíi α bao gåm: - C¸c th«ng sè vËt lÝ ¶nh h−ëng tíi chuyÓn ®éng lµ: khèi l−îng riªng ρ [] [ ] ∆V , K −1 , ®é nhít ®éng häc γ m 2 / s . [kg/m3], hÖ sè në nhiÖt β = V0 T - C¸c th«ng sè ¶nh h−ëng tíi dÉn nhiÖt lµ: hÖ sè dÉn nhiÖt λ[W / mK ] , hÖ sè [ ] λ khuyÕch t¸n nhiÖt a = m2 / s . pC C¸c th«ng sè vËt lÝ nãi trªn ®Òu thay ®æi theo nhiÖt ®é chÊt láng. Trong mçi thùc nghiÖm, ®Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè vËt lÝ, ng−êi ta quy ®Þnh 1 gi¸ trÞ nµo ®ã cña nhiÖt ®é chÊt láng, ®−îc gäi lµ nhiÖt ®é x¸c ®Þnh. NhiÖt ®é x¸c ®Þnh cã thÓ µ 1 nhiÖt ®é tf, tW hay t m = ( t f + t w ) , tïy m« h×nh cô thÓ, do nhµ thùc nghiÖm qui 2 ®Þnh. * Nguyªn nh©n g©y chuyÓn ®éng chÊt láng: - ChuyÓn ®éng ®èi l−u tù nhiªn lu«n ph¸t sinh khi cã ®é chªnh träng l−îng riªng gi÷a c¸c líp chÊt láng gÇn vµ xa v¸ch. §é chªnh träng l−îng riªng tØ lÖ víi gia tèc träng lùc g[m/s2], víi hÖ sè në thÓ tÝch β[K −1 ] vµ víi ®é chªnh nhiÖt ®é ∆t gi÷a v¸ch vµ chÊt láng, tøc tØ lÖ víi tÝch gβ∆t,[m/s2]. - ChuyÔn ®éng c−ìng b−íc g©y ra bëi lùc c−ìng bøc cña b¬m qu¹t, ®−îc ®Æc tr−ng chñ yÕu b»ng tèc ®é ω [m/s] cña dßng chÊt láng. Khi chuyÓn ®éng c−ìng bøc, nÕu g vµ ∆t kh¸c 0 th× lu«n kÌm theo theo ®èi l−u tù nhiªn. * ChÕ ®é chuyÓn ®éng cña chÊt láng: Khi ch¶y tÇng, c¸c phÇn tö chÊt láng chuyÓn ®éng song song mÆt v¸ch nÕu sè α kh«ng lín. Khi t¨ng vËn tèc ω ®ñ lín, dßng ch¶y rèi sÏ xuÊt hiÖn. Lóc nµy c¸c phÇn tö chÊt láng ph¸t sinh c¸c thµnh phÇn chuyÓn ®éng rèi lo¹n theo ph−¬ng ngang, t¨ng c¬ héi va ch¹m mÆt v¸ch, khiÕn cho hÖ sè α t¨ng cao. chÕ ®é chuyÓn ®éng chÊt láng ®Æc tr−ng bëi c¸c th«ng sè l, γ vµ ω, th«ng qua gi¸ trÞ cña vËn tèc kh«ng thø nguyªn: ⎧Re < 2300 : ch¶ y tÇng ω1 ⎪ : ⎨2300 ≤ Re < 10 4 : ch¶ y qu¸ ®é Re= (10-1) v ⎪Re ≥ 10 4 : ch¶ y rèi ⎩ Mét c¸ch tæng qu¸t, hÖ sè táa nhiÖt α phô thuéc vµo c¸c th«ng sè liªn quan ®Õn bµi to¸n táa nhiÖt, theo ph©n tÝch ®Þnh tÝnh nãi riªng trªn, sÏ cã d¹ng: α = f (l, ρ, γ , a, λ, g, β, ∆t, ω ) (10-2) 108
10.2. ph−¬ng tr×nh tiªu chuÈn cña táa nhiÖt ph−¬ng tr×nh tiÓu chuÈn cña táa nhiÖt lµ ph−¬ng tr×nh (10-2) ®−îc viÕt ë d¹ng tiªu chuÈn, chØ chøa c¸c biÕn sè ®éc lËp kh«ng thø nguyªn. D¹ng tæ qu¸t cña ph−¬ng tr×nh tiªu chuÈn cã thÓ t×m ®−îc b»ng ph−¬ng ph¸p biÕn ®æi ®ång d¹ng hoÆc ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch thø nguyªn. 10.2.1. Ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch thø nguyªn C¬ së cña ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch thø nguyªn lµ nguyªn lÝ cho r»ng néi dung cña ph−¬ng tr×nh m« t¶ mét hiÖn t−îng vËt lÝ sÏ kh«ng ®æi khi thay ®æi ®¬n vÞ ®o c¸c ®¹i l−îng vËt lÝ chøa trong ph−¬ng tr×nh. Môc ®Ých cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ t×m c¸ch thay ®æi ®¬n vÞ ®o thÝch hîp ®Ó khö c¸c biÕn phôc thuéc, ®−a ph−¬ng tr×nh (10 -2) vÒ d¹ng tiªu chuÈn, chØ chøa c¸c biÕn ®éc lËp kh«ng thø nguyªn. 10.2.2. D¹ng tæng qu¸t cña ph−¬ng tr×nh tiªu chuÈn táa nhiÖt Ph©n tÝch thø nguyªn cña c¸c ®¹i l−îng vËt lÝ trong ph−¬ng tr×nh (10-2) ®Ó t×m ®¬n vÞ ®o c¬ b¶n: [ ] [ ] [ ] [1] = [m]; [ρ] = kg / m 3 ; [γ ] = m 2 / s ; [ω] = [m / s]; [a ] = m 2 / s ; [gβ∆t ] = [m / s ]; [λ] = [¦ W / mK] = [kgm / s K ]; [α] = [¦ W / m K ] = [kg / s K ] 2 2 2 3 §¬n vÞ ®o chung cho c¸c ®¹i l−îng, hay ®¬n vÞ ®o c¬ b¶n, lµ hÖ 4 ®¬n vÞ sau: ([kg]; [m]; [s]; [K]) Khi ®o b»ng hÖ ®¬n vÞ c¬ b¶n míi (G[kg], M[m], S[s], D[K]), víi G, M, S, D lµ c¸c hÖ sè tØ lÖ sÏ ®−îc chän, th× ph−¬ng tr×nh (10-2) sÏ cã d¹ng: ⎛ M⎞ M 2 GM M 2 M G G α = f ⎜ Ml, 3 ρ, a , 2 gβ ∆t , ω ⎟ γ , 3 λ, (10-3) ⎜ S⎟ 2 S S SD M SD S ⎝ ⎠ §Ó khö c¸c biÕn phô thuéc, cÇn chän 4 h»ng sè G, M, S, D sao cho 4 ®¹i l−îng ®Çu trong ph−¬ng tr×nh (10-3) b»ng 1: ⎧ 1 ⎪M = 1 M1 = 1 ⎫ ⎪ ⎪ G ρ =1 ⎪ ⎪G = 1 ⎪ M3 ⎪ 13 ρ ⎪ ⎪ ⎬ Tøc lµ ⎨ 2 M ⎪S = v v =1⎪ S ⎪ ⎪ 12 GM ⎪ ⎪ ⎪D = λ1 3 λ = 1⎪ 2 ⎭ 3 SD ⎪ ρv ⎩ Thay gi¸ trÞ c¸c hÖ t×m ®−îc vµo ph−¬ng tr×nh (10-3) sÏ cã: αl ⎛ v gβ∆tl 3 ωl ⎞ = f ⎜ 1,1,1,1, , , ⎟ hay Nu = f(Pr, Gr, Re), (10-4) ⎜ v⎟ λ v2 ⎝ ⎠ a 109
Trong ®ã: αl - Nu = lµ hÖ sè táa nhiÖt kh«ng thø nguyªn ch−a biÕt, ®−îc gäi lµ tiªu λ chuÈn Nusselt, ®Æc tr−ng cho c−êng ®é táa nhiÖt. γ − Pr = lµ ®é nhít kh«ng thø nguyªn, cho tr−íc trong ®iÒu kiÖn vËt lÝ, a ®−îc gäi lµ tiªu chuÈn Prandtl, ®Æc tr−ng cho tÝnh chÊt vËt lÝ cña chÊt láng. ωl − Re = lµ vËn tèc kh«ng thø nguyªn, ®−îc gäi lµ tiªu chuÈn Reynolds, v ®Æc tr−ng cho chÕ ®é chuyÓn ®éng. Trong táa nhiÖt c−ìng bøc Re lµ tiªu chuÈn x¸c ®Þnh. Trong táa nhiÖt tù nhiªn, Re lµ tiªu chuÈn ch−a x¸c ®Þnh phô thuéc vµo Gr vµ Pr. gβl 3 ∆t − Gr = lµ lùc n©ng kh«ng thø nguyªn, cho tr−íc theo ®iÒu kiÖn ®¬n y2 trÞ, ®−îc gäi lµ tiªu chuÈn Grashof, ®Æc tr−ng cho c−êng ®é ®èi l−u tù nhiªn. 10.2.3. C¸c d¹ng ®Æc biÖt cña ph−¬ng tr×nh tiªu chuÈn táa nhiÖt Khi ®èi l−u tù nhiªn ®¬n thuÇn, Re lµ Ên sè phô thuéc Gr vµ Pr, nªn ph−¬ng tr×nh (10-4) sÏ cã d¹ng: Nu=f (Gr,Pr). Khi chuyÓn ®éng c−ìng bøc m¹nh, cã thÓ coi Gr = const, lóc ®ã ph−¬ng tr×nh (10- 4) cã d¹ng: Nu = f (Re,Pr). Khi m«i tr−êng lµ hÊt khÝ, cã Pr = const, ph−¬ng tr×nh (10-4) cã d¹ng: Nu=f(Gr,Re). Khi chÊt khÝ ®èi l−u tù nhiªn th× Nu = F(Gr), khi chÊt khÝ chuyÓn ®éng c−ìng bøc m¹nh th× Nu = f(Re). 10.3. c¸ch x¸c ®Þnh c«ng thøc thùc nghiÖm 10.3.1. C¸c b−íc thùc nghiÖm Khi cÇn thiÕt lËp c«ng thøc tÝnh α cho 1 hiÖn t−îng táa nhiÖt, ng−êi ta tiÕn hµnh c¸c b−íc nh− sau: 1. LËp m« h×nh thÝ nghiÖm ®ång d¹ng víi hiÖn t−îng táa nhiÖt ®ang xÐt 2. §o c¸c gi¸ trÞ cña tÊt c¶ c¸c ®¹i l−îng t¹i c¸c chÕ ®é cÇn kh¶o s¸t. 3. lËp b¶ng tÝnh c¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng cña c¸c tiªu chuÈn Re, Gr, Pr, Nu theo c¸c sè liÖu thu ®−îc t¹i k ®iÓm ®o kh¸c nhau. 4. lËp c«ng thøc thùc nghiÖm Nu = f (Gr,Re,Pr) theo b¶ng gi¸ trÞ c¸c tiªu chuÈn nãi trªn b»ng ph−¬ng ph¸p ®å thÞ. 10.3.2. Ph−¬ng ph¸p ®å thÞ t×m d¹ng ph−¬ng tr×nh tiªu chuÈn 110