Fysische transportverschijnselen I PDF
Preview Fysische transportverschijnselen I
Fysische Transportverschijnselen I TU Delft Library 2534 517 1111111111111111111111111111111111 o C 0003876130 ..• ~ --~-_ Fysische Transportverschijnselen I prof.dr.ir. H.E.A. van den Akker· dr. R.F. Mudde Delft University Press CIP-gegevens Koninklijke Bibliotheek, Den Haag Akker,H.E.A.van den FysischeTransportverschijnselen 11H.E.A. vanden Akker, R.F. Mudde.- Delft: Delft University Press. - 111. Uitg. inopdrachtvan VerenigingvoorStudie-en Studentenbelangen.- Met lil. opg. ISBN 90-407-1204-2 Trefw.:natuurkunde1transportverschijnselen. © VSSD Eerstedruk 1996, verbeterd 1998 Uitgegeven door: Delft University Press Mekelweg4, 2628 CD Delft tel. 015 - 278 3254, telefax 015 -278 1661 e-mail [email protected] Inopdrachtvan: Vereniging voor Studie-en Studentenbelangen teDelft Poortlandplein 6,2628 BM Delft lel. 015 -278 2124, telefax 015 -278 7585, e-mail: [email protected] internet: pubwww.tudelft.nl/vssd/ Alle rechten voorbehouden. Niets uitdeze uitgave mag worden verveelvoudigd, opge slagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, ofopenbaargemaakt, in enige vorm ofop enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, ofop enigeandere manier, zonder voorafgaande schriftelijketoestemming van de uitgever. All rights reserved. Nopart ofthispublicationmay be reproduced, storedina retrieval system, ortransmitted, in anyfarm or by any means, electronie. mechanical, photo copying, recording, or otherwise, without the prior written petmission of the publisher. ISBN 90-407-1204-2 1.-- . _ . _ 5 Voorwoord In 1956verscheen vande hand van prof.ir. H.Kramershetdiktaat"FysischeTransportverschijnselen": wereldwijd voor technologie-studenten het eerste leer"boek" op dit gebied. Het presenteerde een systematische behandeling van het transport van impuls, energie en materie op basis van balansen (behoudswetten)en wettenvoormoleculairtransport.In 1961verscheenditdiktaat inboekvorm bijde Delftsche UitgeversMaatschappij. Dit boek begon meteen kort hoofdstuk(8pagina's)overde funda mentelewettenals uitgangspunt voor hetopstellenvande transportvergelijkingen:indedrie volgende hoofdstukken werdenachtereenvolgenselementenvandetechnischestromingsleer(ruim 70pagina's), warmtegeleiding en warmteoverdracht (bijna 80 pagina's) en diffusie en stofoverdracht (ruim 20 pagina's) behandeld, waarna hetboek afsloot met een kort hoofdstukje van IIpagina's overmengen en roeren. Ondertussen was Prof. R.B. Bird in 1958 (van januari tot september)de gast van Prof. Kramers in Delft in wat thans het "Kramers Laboratorium voorFysischeTechnologie" heet. Veel is toen gedis cussieerd overFysischeTransportverschijnselen en overde manier waarop dit nieuwe vak het best gedoceerd kon worden. In de herfst van 1958 zagen "Notes on Transport Phenomena" het licht, gevolgd in 1960 door"Transport Phenomena".Dit laatste boek,780 pagina's dik en met als auteurs Bird, Stewarten Lightfoot,isuitgegroeidtotde bijbel van hetvakgebied. In de loop derjaren zijn in het Delftse steeds nieuwe versies van Kramers' oorspronkelijke boek verschenen. Zo kwam prof.dr.ir. W.J. Beek in 1968 meteen versie zonder het hoofdstuk mengenen roeren, maarmet eenstuk over verblijftijdspreiding;ook werd de indeling wat aangepast. In 1973en 1981 liet prof. l.M. Smith M.Sc. opnieuw lichtelijk aangepaste versies verschijnen.Steeds bleefde opbouw van het boek hetzelfde, met name de insteek viade behoudswettenende wetten voor molecu lairtransportalsmededevolgordevan behandelingvan irnpuls-, warmte-enstoftransport. In Eindhoven ontwikkelde prof.dr. K. Rietema een eigen benadering van het vak die hij zelfals inductiefomschreef : van eenvoudige waarneming komend tot generalisatie. Zijn boek "Fysische transport-enoverdrachtsverschijnselen" bestond uiteendeel Aovermoleculairtransport van warmte. materieen impuls(indie volgorde)en een deel Boverstromingsleer,grenslaagtheorieen turbulentie. convectiefwarmte- en stoftransport, en chemische reactoren. Rietema vond deze aanpak didaktisch meerverantwoorden meergerichtop hetstimuleren vanfysisch inzichtenintuïtie. Anno 1996denken de auteurs van dit boek datde tijd rijp is voor eenietsanderebenadering vanhet vakgebied"FysischeTransportvcrschijnselen".Enerzijdsiserde laatstetienjaarzeer veelveranderdin het Nederlandseuniversitaireonderwijswereld,anderzijdsishetvakgebiedzelfaangroteveranderingen onderhevig. Wat deonderwijskundigeveranderingen betreft: had vroegerhetvakeen plaats inhetderdejaarvande opleidingentot natuurkundigenscheikundigingenieur,thans wordt hetvakeerderindeze opleidingen gegeven. Ook studenten van andere technische opleidingen (zoals materiaalkunde, mijnbouw en technischebestuurskunde)krijgen nuhetvak.Daarnaaststuderenstudententegenwoordiganders, waar zij in toenemende mate te maken hebben met maatregelendie de studieduurbeperkenen het studie tempo verhogen.Alles bijelkaarvoldoendereden voor een bezinningop inhouden didaktiek van het vak. Verder ishet vakgebiedzèlfaanhetveranderen:in 1981schreefRietemaaldatdefysischetechnologie aan vernieuwing toe was en hield hij een pleidooi vooreengrotere rol vande stromingsleer in het vakgebied. Metde opkomstvanComputationalFluidDynamics(CFD)-techniekenishetdanintussen inderdaad mogelijkgewordentransport en overdracht van warmteen materietebeschouwen op basis 6 Fysische Trensoortverscnilnseteti I van informatieoverlokale stromingsverschijnselen(snelheidsvelden).Bird(pagina71 van"Transport Phenomena")schrijft: "Hetisgemakkelijker,snelleren veiligeruittegaan vande bchoudswetten van massa en impuls in algemene vorm en deze te vereenvoudigen tot zij het specifieke probleem in kwestie beschrijven." In onze visie vormen de tijdafhankelijke driedimensionale transportverge lijkingenmet namede basis van de moderneCFD-benadering. De traditionele aanpak met dimensie analyse en fenomenologische overdrachtscoëfficiënten en met film- en grenslaagtheorieën en empirische'drukvalvergelijkingen gaat daaraan vooraf, als een voorbereiding op de veel exactere numeriekeaanpak. In onze visie dienen studenten bij hun eerste kennismaking met het vakgebied eerst vertrouwd te geraken met de techniek van balansen opstellen en met een aantal begrippen, concepten en wetmatigheden. Zelf balansen opstellen voor specifieke problemen van betrekkelijk eenvoudige geometrie is de meest leerzame weg naar fysisch inzicht. In·die eenvoudiger balansen mogen nog overdrachtscoëfficiënten voorkomen: dat levert doorgaans analytisch op te lossen vergelijkingen op. De rigoureuzeCFD-aanpakbouwt alshetwareopdeeigenhandiggeleerdeexpertisevoortenis,indien deeindige-volumemethode wordtgebruiktvoor hetnumeriekoplossenvandetransponvergelijkingen. zelfs synoniem met het opstellen en oplossen van (micro)balansen. Bij simulaties van turbulente stromingen met behulp van turbulentiemodellen dienen vaak nog meer transportvergelijkingen (of balansen) teworden opgelost,zoals één voordeconcentratievanturbulentekinetischeenergiealsmede één voordedissipatiedaarvan. Debehandelingvanimpulstransportvolgt indit boek pas nawarmte-enstoftransport.enerzijdsomdat impuls en schuifspanning moeilijkerte hanteren begrippen zijn vanwege hun vectorkarakter(hierin volgen wij Rietema), anderzijdsomdatzoeen vloeienderovergang wordt verkregen naar de Navier Stokes-vergelijkingenen CFD (zie ook paragraaf5.8.3).Juist vanwegede fenomenologische aanpak van convectief warmte- en stoftransport is het ook geen gemis als laminaire stroming pas later behandeldwordt; hetzelfde heeftaldiejarenook voor turbulente strominggegolden.Wel zijn allerlei conceptenentermentevorenbehandeldindehoofdstukken Ien2.Veelstudenten zullen ookjuistdie concepten en termen en de grovere overdrachtsmodellen nodig hebben en de meer gedetailleerde theorieënen vergelijkingenkunnenontberen. Streng gehandhaafd is het idee van de analogie vanwarmte-, stof- en impulstransport. Dit is onder andere tot uiting gebracht in de identieke opbouw van de hoofdstukken 3en 4. Inde tekst isdeze analogieook steedsweerbenadrukt,ondermeer doorconsequenthet begrip concentratiete hanteren (dus impulsconcentratieinplaats vansnelheid)endoorzoveel mogelijkdefysische mechanismenvan hettransport (weerstand,overdracht, filmmodel)inbeelden tebeschrijven. Inhoofdstuk5.8 komt de analogieook bijdeCFD-aanpakweersterk naarvoren. Wij hopendat onze aanpakvan FysischeTransportverschijnselenaan zalslaan bijcollega'sen vooral studenten.Graag houdenwijons voorop-enaanmerkingenaanbevolen. Aan het eind vandit voorwoord passen woorden vanoprechte dank aan hetadres van stafleden en promovendivanhet Kramers Laboratoriumvoor FysischeTechnologiedieaandetotstandkomingvan dit boek in enigerlei vorm hebben bijgedragen. Daarnaast danken wij ir. A.G.N. Boers voor diens assistentiebijde voorbeelden indeeersteversie vandetekst en KarinWestravoor haar bijdragenaan detekstverwerking. Delft, februari 1996 H.E.A.vanden Akker R.F. Mudde 7 Inhoud Voorwoord 5 Balansen 11 I.1 De balans: recept en vorm 11 Samenvatting 15 1.2 De massabalans 15 1.2. f De totale-massabalans 15 Samenvatting 20 . 1.2.2 Chemischereactoren 20 Samenvatting 24 1.2.3 Verblijftijdspreiding 25 Samenvatting 32 1.2,4 Tanks inserie 33 1.3 Deenergiebalans 36 1.3.1 De totale-energiebalans 36 Samenvatting 44 1.3.2 De thermische-energiebalans 44 Samenvatting 45 1.3.3 De mechanische-energiebalansen de Bemoulli-vergelijking 46 Samenvatting 50 1,4 De impulsbalans 51 Samenvatting 56 1.5 Voorbeelden vangecombineerdgebruik van massa-, energie-en impulsbalansen 56 2 Mechanismen, kentallen. krachten 62 2.1 Moleculairtransport 62 2.1.1 Bewegende moleculen 62 Samenvatting 65 2.1.2 Fick, Fourier, Newton 65 Samenvatting 70 2.1.3 Transportcoëfficiënten 70 Samenvatting 73 2.1.4 Schuifspanning:een alternatieve beschrijving van moleculair impulstransport 73 8 Fysische Trsnsportverschijnselen I Samenvatting 75 2.2 Dimensie-analyse 76 2.2.1 Dimensielozekentallen 76 Samenvatting 80 2.2.2 Dimensie-analyse 80 Samenvatting 82 2.2.3 Dimensie-analyse: algemenetechnieken Buckingham -ntheorema 83 Samenvatting 84 2.2.4 Voorbeelden van dimensie-analyse 84 Conclusie 88 2.3 Krachten opomstroomde lichamen 88 Samenvatting 96 3 Warmtetransport 97 3.1 Stationaire warmtegeleiding 97 Samenvatting 104 3.2 Newtou's afkoelingswet 104 Samenvatting 106 3.3 Instationairewarmtegeleiding 106 3.3.1 Penetratietheorie 106 3.3.2 Penetratietheorie: gebruik 110 Samenvatting 115 3.3.3 Doorverwarming 115 Samenvatting IJ7 3.3.4 De totale opwarming vaneen lichaam 118 Samenvatting 123 3.3.5 Uitwendige weerstanden doorverwarming 124 3.4 De algemene microbalans voor warmtetransport 125 Samenvatting 128 3.5 Wmmteoverdrachtscoëfficiënten bijconvectie 129 3.5.1 Algemene beschouwingen 129 Samenvatting 132 3.5.2 Warmtetransport bijgedwongen'convectie 132 Samenvatting 138 3.5.3 Warmtetransportbij vrijeconvectie 139 Samenvatting 143 3.6 Warmtewisselaars 143 3.6.I Warmteoverdrachtzonderfase-overgang 145 Samenvatting 148 3.6.2 Warmteoverdrachtmet fase-overgang 148 ./
The list of books you might like
