湍动边界层

[b]高低温试验箱[/b]空气与水之间的热湿交换原理：[align=center][img=,348,348]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/04/202104191403050616_5401_1037_3.jpg!w348x348.jpg[/img][/align]　　高低温试验箱空气通过开阔水面时，与水面发生热湿交换。根据水温的不同，只能进行显热交换，也可以同时进行显热交换、湿交换和潜热交换。显热交换是指空气与水之间的温差，由于热传导、对流和辐射而产生的热量传递，而潜热交换是水蒸气在空气中蒸发（或凝结）吸收（或释放）汽化潜热的结果。总热交换量是显热交换量和潜热交换量的代数和。　　高低温试验箱中的气流通过箱体内浅水盘的表面，将温度等于水面温度的饱和空气边界区换为水分和热量。当边界区域内的蒸汽分子浓度大于通过气流中的水蒸汽分子浓度时，即为增湿，反之则为除湿。　　在高低温试验箱中，在低温高湿条件下，加入的蒸汽和空气未充分混合，或与箱壁接触发生局部冷凝，不仅减少了蒸汽的加入量，而且释放热量，使箱内潮湿空气温度升高。增加；加上前面提到的ε′ε，所以这不是一个等温增湿过程，箱内的温度会有所增加。　　蒸汽加湿，如电加热加湿，分为开式和闭式。敞开式响应慢，常有滞后现象，湿度波动大，但结构简单可靠。闭式蒸汽压力大于大气压，在0.1～0.3Mpa之间，无滞后现象，但需配减压阀、电磁阀、排水管等，结构复杂，多用于大型人工气候室。敞开式多用于中小型湿热箱。　　如果边界层的温度高于其上方空气的温度，热量就从边界层转移到空气中；否则，热量就从空气转移到边界层中。如果边界层中水汽分子的浓度大于其上方空气中水汽分子的浓度（即边界层中水汽的分压大于空气中水汽的分压），则空气中水汽分子的数量将增加；否则，就会减少。前者称为“蒸发”，后者称为“冷凝”。在蒸发过程中，边界层中还原的水蒸气分子被跳出水面的水分子所取代；在冷凝过程中，边界层中过多的水蒸气分子会返回水面。

氙灯耐气候试验箱的常用试验之一就是湿热老化试验,这是保证设备能够满足客户要求并精准获得试验结果的保障!因此我们非常有必要了解它是通过何种方式来进行湿热老化试验,以及工作原理和运作方式分别是什么?　　氙灯耐气候试验箱就是通过模拟湿气加热气来对产品循环进行老化的试验仪器。试验箱在低温高湿时,由于吸入的蒸汽与空气未充分混合,或与工作室箱壁接触而出现局部冷凝,不但会减少加入的蒸汽量,而且还会释放出热量使箱内湿空气温度上升,加上前述的所以并非等温的加湿过程,箱内温度会有所升高。　　市场上出现的此类温湿度循环设备一般都是采用空气与水面直接接触的湿热循环交换原理：设备蒸汽用电热加湿一般分为开启式和密闭式。开启式响应性较慢,常有滞后现象,故湿度波动较大,但结构简单可靠。闭式蒸汽压力大于大气压,在0.1～0.3MPa之间,无滞后,但需配有减压阀、电磁阀、泄水管等,结构复杂,多用于大型人工气候室中。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/02/201602251037_585046_2930782_3.jpg　　当空气经过敞开的水面时,与水表面发生热湿交换。设备按其水温不同,可能仅发生湿热交换;也可能既有热湿交换,又能湿交换,同时还有湿热交换。湿热交换是空气与水之间存在温差,因导热、对流和辐射作用而换热,而潜热交换是空气中的水蒸汽蒸发(或凝结)而吸收(或放出)汽化潜热的结果。总热交换量为湿热交换量与潜热交换量的代数和。空气与水面直接接触时,在贴近水面上,由于水分子作不规则运动的结果,高低温交变湿热试验箱形成了一个温度等于水面温度的饱和空气边界层,且其水蒸汽分子的浓度或水汽分压力取决于边界层的饱和空气温度。　　试验箱湿热原理通过电加热水,使水槽内产生蒸汽,蒸汽通过喷雾管进入湿热箱,对箱内空气进行加湿。如边界层的温度高于其上空气的温度,则由边界层向空气传热;反之则由空气向边界层传热。如边界层内水蒸汽分子浓度大于其上空气的水蒸汽分子浓度(即边界层的水蒸汽分压力大于空气的水蒸汽分压力),则空气中的水蒸汽分子数将增加;反之则将减少。前者称为蒸发,后者称为冷凝。湿热试验箱在蒸发过程中,边界层中减少了的水汽分子由水面跃出的水分子补充;在冷凝过程中,边界层中过多的水汽分子将回到水面。　　氙灯耐气候试验箱中气流通过箱内的浅水盘表面,此温度等于水面温度的饱和空气边界区进行湿热交换。当边界区内蒸汽分子浓度大于流过的气流的水蒸汽分子浓度,则为加湿,反之则为降湿。由此可见,空气与水之间的湿热交换取决于边界层与其上方空气之间的温差,而湿交换及由此而引起的潜热交换取决于二者之间水蒸汽分子的浓度差或分压力差。

小时候经常看到吸烟者能吐出一个一个的烟圈，在空中历久不散，觉得很有意思，但对于其成因，不甚明了，现在看到科学杂志上相关的解释，与大家分享。为什么“烟圈不散”呢？最简单直接的解释是，层流现象，缺乏足够的动能达到湍流水平。烟气粒子取决于燃烧的程度，这里的烟气粒子直径非常小，维持在气溶胶水平，就是能够悬浮很久，而不降落。同时，烟气中的能量非常弱，不足以产生足够的卷吸力，产生上升的湍动的羽流。第三，烟圈内部也有一定的自组织流动（伯努利原理），维持烟圈的形状。我们日常所见的的烟气，由于浮力的作用而上升，因为流动过程的卷吸而湍动化，造成很快的失稳现象。烟圈缺乏足够的能量，只能靠扩散和布朗运动来扩张，感觉上就是烟圈不散了。这是由于扩散尺度大大小于对流的尺度造成的，因为烟气缺乏足够的动能失稳(林家翘教授的成名理论)。上学时学到王维的名句：“大漠孤烟直”当时老师的解释是因为在大漠因为无风，所以烟就能成烟柱直上云霄了。通常情况下，燃烧产生的烟气在浮力的作用下向上升，不断卷吸周围空气的结果，是体积的膨胀和动能的衰减，从外观上看，就是V型的羽流（因为浮力作用，流动容易失稳，光线通过不均匀的流场，产生扰动现象，远处观察，如同片片羽毛在飞，这是英语中Plume的来源。我国古代庄子称之为野马，影影绰绰，如同草原上奔腾不已的野马群在跑）。成都公交纵火案中，能量非常密集，产生了强劲的羽流。细看其中有大尺度的涡流，那是燃烧与流动发生共振造成的Puffing现象造成，也是一种流动失稳的原因。这是我们日常生活中常见的湍动的羽流现象，以至于很难想象“孤烟直”的现象。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/12/200912061410_188282_1623180_3.jpg[/img]实际上当能量密度不足时，燃烧产生的动能不足以让流动失稳，产生的烟气在微弱的浮力作用下上升，无法产生卷吸，因此体积无法膨胀，仅仅靠扩散是不够的，于是形成一种烟柱，长久不消散（当然环境必须无风，没有扰动。塞外，沙漠，戈壁，是最容易产生大尺度层流边界层的自然环境），如此可以产生足够高的烟柱让远处的烽火台看到，把信号接力传下去。这种层流的浮力流动现象，就是诗人王维在孤寂的边塞看到的“孤烟直”现象了，非常符合当时的场景。

“宙斯的武器”——闪电的秘密已经被破解。美国研究人员说，他们已经找到了闪电形成的原因，以及它是如何逃出风暴云团的控制。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2008/07/200807140039_97907_1644912_3.jpg[/img]网易探索3月26日讯，这个理论是建立在一个计算机模型基础上的，这个模型首次解释了目前已知的所有类型闪电——从规则云层到地面闪电，还有巨大的穿越云层顶部逃逸出的“喷射状闪电”，还有“晴天霹雳”——可以在大晴天下击中距离雷暴数十英里远的地面。“早先的理论很难解释清楚闪电从乌云中“逃出”的原因，”美国宾夕法尼亚大学的Jeremy Riousset说到。之前科学家们只知道，闪电形成于带正电云层与带负电云层之间，但没法解释闪电是怎样从云层中释放出来的。“依照当时的理论，所有的雷电都应被带电云层限制在了云团之内，”Rioussrt说。“我们曾研究它为何会击向地面，但我们从未想过它为何会向上喷射。”蓄能Riosset的模型显示，当云团中带有正负两极电荷的云层被再次分开时，就创造了产生闪电“逃逸”云团的必要条件——云层间的某些差异被悄悄扩大了。闪电“逃逸”的方向取决于云团内最初的电荷是怎样分布的，它们的磁极是正是负。出乎常理的是，电荷向上聚集的速度远大于向下移动的速度。当一道闪电从它最初的“逃逸”路径被重新定位到新的路径时，“晴天霹雳”的景象就会发生。大规模向上流动的闪电由于电荷被排列到云团的边缘而改变了方向。从云团中不同路径释放出的闪电能轻而易举地击中离雷暴云40公里之外的地点。Riousset补充到：“令人惊讶的是，从符合“晴天霹雳”的闪电匹配情况来看，‘晴天霹雳’的发生在普通不过了。”落雷Riousset说，风暴云团中的电荷被重新定位路径时，通常会有三条路径可走，其中一条是往高处。他们认为，电荷散发程度之所以有所不同，取决于电荷所处的不同高度，即带电云层可在云团上部形成。另外，云团内部的闪电将电荷带到了云团的每个角落，近地闪电则因为击中地面，而将电荷从云中转移到了大地中。这些变化进一步地将电荷间的平衡打乱，从而创造了闪电从风暴上方喷射的条件。Riosuset介绍说，他和同事开发出的这套计算机模型还可以用于预测哪种类型的雷暴云将会形成。这意味着Riosuset的小组可以预测闪电是朝上释放，还是朝下击中云团下的地表，或者是否会袭击离风暴几十英里远的地区。

实验目的: 研究酸化后的碳纳米管表面负载金属粒子后表面官能团的振动峰的强弱是否会有变化。实验背景：金属粒子催化剂一般具有比较好的催化性能，例如燃料电池催化剂，水电解催化剂等，但是金属纳米粒子在制备过程中如果不分散，它的表面积会减小，影响对应的催化活性，所以提高他的分散性对于保证催化剂粒子的催化活性就很重要。一般来说，通过将纳米粒子负载于碳载体上，例如炭黑或者碳纳米管上，可以保证纳米粒子的分散性，保证它具有比较大的比表面积。然而，纳米粒子在未处理的碳载体上还是会发生团聚，现在研究表明，对碳载体进行酸化可以减少团聚，然而对于酸化碳纳米管上究竟什么样的官能团对于提高分散性有帮助，进行的红外光谱的研究。实验所用的测试手段：傅里叶变换红外光谱（BRUKER EQUINOX55）推测结果：经过负载后的碳纳米管表面官能团红外振动峰减弱。分析： 通过下图红外光谱分析结果可以看到，在3500和1250 cm-1位置对应的羟基以及碳氧双键的振动峰并没有发生明显的改变，但是位于1730 cm-1位置处对应的羧基的伸缩振动峰在负载之后却明显的减弱，这一实验结果说明，对于酸化后的碳纳米管，其金属离子主要负载于羧基官能团处，而且因为金属粒子的负载，使得碳纳米管表面的羧基的振动峰减弱，即会对其表面官能团有影响。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/08/201508252229_562842_2257998_3.jpg结论：经过酸化后的碳纳米管表面负载金属粒子后表面官能团的振动峰会减弱，主要是在羧基的位置上进行负载来提高分散性。

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对传热学三类边界条件目前常见的定义，本文从导热、对流和辐射三种传热机理出发介绍了三类边界条件的物理意义及其拓展。另外，本文重点介绍了三类边界条件更直观的温度形式的定义，以及这些边界条件温度形式在热物性测量中的实际应用。[/b][/color][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 传热学三类边界条件的常规定义[/b][/color][/size][size=16px] 在常规条件下，固体物体的热传递有导热、对流和辐射三种形式。依据热传递的这三种基本形式，现有教科书和网络资料对物体传热过程中的三类边界条件定义，可以归纳为：[/size][size=16px] （1）第一类边界条件：规定了物体边界上的温度值。[/size][size=16px] （2）第二类边界条件：规定了物体边界上的热流密度（也称之为热通量）。[/size][size=16px] （3）第三类边界条件：规定了物体边界与周围流体间的表面传热系数和周围流体的温度。[/size][size=16px] 三类边界条件下物体内部的温度变化和传热形式如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.三类边界条件传热示意图,690,223]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303301739128668_1088_3221506_3.jpg!w690x223.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 物体的三类边界条件及其内部温度变化形式[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于第一类边界条件很容易理解，就是物体在边界处的内外温度相同。[/size][size=16px] 同样，依据能量守恒定律，对于第二类边界条件，则是物体在边界处的热流密度相同，即进入物体表面单位面积上的热量等于在物体内部（边界内）单位面积上传导的热量。由于物体中进入热量并进行热传导，自然会形成温度梯度，这样就会与物体的导热系数发生关系，而这种热流密度与导热系数之间的关系则在很多热计算和导热系数测量中得到应用。[/size][size=16px] 从图1所示的三类边界条件可知，第一和第二类边界条件实际上是对物体导热传热时的描述，而第三类边界条件是对辐射或对流传热时的描述。这里之所以将辐射与对流归为一起，是因为辐射传热可以进行线性化处理近似为对流形式。[/size][size=16px] 当有流体通过或热源辐照物体边界，会使用对流或辐射边界条件，这在许多热工程应用中非常普遍，如散热器、热交换器、发动机和涡轮机等，这种第三类边界条件也会常被用来在对流和辐射条件下对物体的换热系数和热辐射系数进行测量。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 传热学三类边界条件的温度形式定义[/b][/color][/size][size=16px] 在传热学的实际应用中，无论是哪一种边界条件的实现和测量，最基本、最简单也是最直观的是物体边界的温度变化。因此，我们就以温度形式来对这三种边界条件进行说明和补充。[/size][size=16px] （1）第一类边界条件[/size][size=16px] 当物体在恒定的介质温度（T=常数）条件下进行加热时，物体表面温度随时间变化是一条直线，如图2所示，这一类加热（或冷却）的边界条件就是第一类边界条件，也称之为第一类正规工况。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.以温度形式表达的三类边界条件示意图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303301739299894_6022_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 以温度形式表达的三类边界条件示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （2）第二类边界条件[/size][size=16px] 如果介质温度按线性规律变化，物体以恒定的速率被加热或冷却，或者物体是以恒定的热流加热或冷却，此时物体内任一点的温度是时间的线性函数，如图2所示，这就是第二类边界条件，也称之为第二类正规工况。[/size][size=16px] 在第二类边界条件下，经过短暂的初始时间后，物体内部任意点温度会呈线性变化，这使得物体内任意两点之间的温差始终保持不变，这种动态形式称之为准稳态，因此第二类边界条件也称为准稳态边界条件或准稳态工况。[/size][size=16px] 由于第二类边界条件的这种准稳态特性以及简便易操作，只需对物体进行线性加热或冷却就可实现，从而使得这类准稳态边界条件在热物性测试中得到较多应用。通过对被测样品加载恒定的升降温速率，理论上可用于测量任意温度范围内的高低温热物理性能参数，如ASTM E2584量热计法 。这种方法也常被用于各种热分析仪器，如差热量热仪（DTA）、差热扫描量热仪（DSC）和绝热量热仪等。[/size][size=16px] （3）第三类边界条件[/size][size=16px] 常规定义的第三类边界条件，是对实际对流和辐射传热的一种描述，但在传热性能试验测试中较难实现。这是由于第三类边界条件的实验模拟，很难获得稳定的对流环境，特别是实现高低温对流环境的准确控制更为复杂和困难。[/size][size=16px] 为此，可以将第三类边界条件同样转换成温度形式，温度变化呈正弦波形式，如图2所示。这种正弦波形式温度变化的第三类边界条件可以有两种基本形式，一种是纯正弦波变化形式，另一种是在纯正弦波上叠加一个现象变化，即温度在正弦波变化的同时还在线性升温，而温度的线性拟合曲线为一直线。[/size][size=16px] 这种温度形式的第三类边界条件在实际应用经常可以看到，如对于各种薄膜材料的热物性参数测量中，如Angstrom法、ISO 22007-3温度波法、ISO 22007-6温度调节比较法、3Omega法和交流量热法等。这种第三类边界条件在热分析中的重要应用是温度调制式差示扫描量热仪（MTDSC），这是一种在线性温度程序上叠加一个正弦波形式的温度程序，形成热流速率和温度信号的非线性调制的差示扫描量热法。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 通过以上描述和分析可以看出，传热学中的三类边界条件其背后的物理意义分别代表了物体的导热、对流和辐射三种传热机理，但在实际应用中，特别是在材料的热性能测试分析过程中，可将这三类边界条件分别转换为不同的温度变化形式，这将非常便于三类边界条件的工程实现。[/size][size=16px] 实际应用中采用温度形式的第二和第三类边界条件时，尽管测试模型的数学求解相对比较复杂，但除了工程实现简单之外，更重要的优势是可以保证测量的准确性和宽泛的温度范围，这是很多其他方法很难具备的测试能力。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

2000年9月3日南极上空的臭氧层空洞面积达到2830平方公里，超出中国面积两倍以上，相当于美国领土面积的3倍。这是迄今观测到的最大的臭氧层洞。图中覆盖在南极上空如同兰色水滴的就是就是卫星观测到的臭氧洞。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/07/201107172044_305368_1978540_3.jpg北极臭氧洞http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/07/201107172044_305369_1978540_3.jpg