651-2041/01 – Úvod do přenosových jevů (UPJ)
| Garantující katedra | Katedra chemie a fyzikálně-chemických procesů | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Marek Večeř, Ph.D. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Marek Večeř, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 2 | Semestr | letní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2022/2023 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | FMT | Určeno pro typy studia | bakalářské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
- Student rozumí podstatě nerovnovážných procesů a jejich vztahu ke struktuře látek.
- Zná principy, na kterých je založeno odvození rovnic přenosu a dovede je aplikovat na jednoduché konkrétní problémy.
- Dovede posoudit možnosti řešení příslušných diferenciálních rovnic.
- Dovede formulovat úlohu pro případné numerické řešení.
- Dovede charakterizovat rychlostní, teplotní, koncentrační pole podstatnými parametry, vhodnými pro praktické použití.
- Umí změřit základní transportní vlastnosti kapalin, plynů a pevných látek.
Vyučovací metody
Přednášky
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Anotace
V předmětu se student seznámí s koncepty základních transportních vlastností (viskozita, tepelná vodivost a difuzivita) ve spojitém prostředí a jejich vztahu ke struktuře látek. Bude ukázána aplikace bilančních rovnic přenosu hybnosti, tepla a hmoty na jednoduché příklady, které lze řešit analyticky. Úlohy v neustáleném stavu a vícerozměrné úlohy budou probírány jen okrajově s odkazem na předmět Technologický software, kde byly probírány numerické řešiče takových úloh. Student se seznámí se základními experimentálními technikami, kterými lze přenosové koeficienty stanovit. Bude vysvětlen vztah exaktních řešení k empirickým inženýrským závislostem.
Povinná literatura:
WICHTERLE Kamil, Marek VEČEŘ. Transport and Surface Phenomena 1st edition. Elsevier, 2020.
Doporučená literatura:
BIRD, R. Byron, Warren E. STEWART a Edwin N. LIGHTFOOT. Přenosové jevy: sdílení hybnosti, energie a hmoty. Přeložil Štefan ŠALAMON, přeložil Vladimír MÍKA. Praha: Academia, 1968.
PLAWSKY, J.L. Transport phenomena fundamentals. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2014.
BIRD, R.B., STEWART, W.E., LIGHTFOOT, E.N. Transport phenomena. 2nd rev. ed. New York: Wiley, 2007.
WHITE, F.M. Fluid mechanics. 6th ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2008.
CUSSLER, E.L. Diffusion: mass transfer in fluid systems. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2009.
INCROPERA, F.P. Introduction to heat transfer. 5th ed. Hoboken: Wiley, 2007.
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Zápočet. Písemná a ústní zkouška.
E-learning
Další požadavky na studenta
Absolvovat dva testy s úspěšností nad 50%.
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
1. Pojem kontinua. Model přírody jako spojitého prostředí. Přenos veličin. Veličiny, přenášené statistickým molekulárním pohybem. Hybnost, teplo, hmota. Podobnost těchto procesů. Definiční soustavy: jednoduchý systém mezi rovinnými deskami. Hnací síla, hustota toku, součinitel úměrnosti. Viskozita. Tepelná vodivost, difuzivita. Newtonův viskozitní zákon, Fourierův zákon, Fickův zákon.
2. Sdílení tepla vedením v nepohyblivém prostředí. Teplo, tepelný tok, diferenciální bilance tepla. Měrná tepelná kapacita. Použití Fourierova zákona vyjádření diferenciální bilance tepla v teplotách. Okrajové podmínky a jejich vztah k realitě.
3. Jednosměrné vedení tepla. Kartézské, cylindrické a sférické souřadnice. Okrajové podmínky dostatečné a přeurčené. Řešení rovnice sdílení tepla při dvou nezávislých proměnných. Neustálené vedení tepla do poloprostoru. Rovnice a její řešení separací proměnných. Rozměrová analýza. Pojem nekonečna, neustálené vedení do konečné desky. Ustálené vedení tepla v ploše nebo prostoru. Laplaceova rovnice a její řešení. Princip řešení metodou konečných diferencí. Relaxační metoda a problém stability. Co dovedou řešiče. Metody Monte Carlo.
4. Mechanická rovnováha v tekutinách. Tenzor napětí. Znaménková konvence. Symetrie tenzoru napětí. Tlak. Deformační napětí. Jednoduchý smykový tok. Tenzorový zápis. Kinematický tenzor. Tenzor rychlosti deformace. Zobecněná definice viskozity. Bilance hmoty v diferenciálním objemu, rovnice kontinuity.
5. Bilance hybnosti. Síly objemové, plošné. Pohybová rovnice. Hodnocení setrvačných a viskózních sil, Reynoldsovo číslo. Okrajové podmínky. Rychlost na fázovém rozhraní. Rovnice plouživého proudění. Viskometrické toky. Jednoduché konfigurace toku, řešitelné pomocí obyčejných diferenciálních rovnic. Využitelnost pro měření viskozity. Souměrnosti. Dvojrozměrné plouživé toky. Stokesův zákon, Stokesův paradox.
6. Ideální kapalina. Eulerovy rovnice. Bernouliho rovnice. Použitelnost. Proudová funkce. Analogie se sdílením tepla. Teorie mezní vrstvy. Různé definice mezní vrstvy. Součinitel tření. Řešení pomocí integrální bilance. Mezní vrstva při obtoku těles. Vztah k Reynoldsovu číslu.
7. Prandtlovy rovnice mezní vrstvy. Obtok desky. Podobnostní řešení. Přibližné řešení bilance hybnosti. Místní a střední součinitel tření. Aplikace v hydrodynamice a aerodynamice. Průtokoměry.
8. Obtok těles. Kritický bod. Rozložení tlaků. Odtržení mezní vrstvy. Úplav. Povrchové a mezifázové napětí. Zakřivený povrch. Kapky a bubliny. Stabilita povrchů. Štěpení a koalescence. Povrchová viskozita.
9. Vznik turbulence. Zprůměrněná rychlost. Turbulentní rychlostní profil. Fluktuace. Představa izotropní turbulence. Turbulentní viskozita, difuzivita. Statistické přístupy. Přenos tepla zářením. Zákonitosti a rozdíly proti vedení. Odraz, průchod, pohlcování. Tepelné clony, skleníkový efekt.
10. Konvektivní sdílení tepla. Rovnice sdílení tepla v pohybující se tekutině. Možnosti řešení rovnice. Pístový tok. Zanedbatelnost podélného vedení. Lineární rychlostní profil. Sdílení tepla při laminárním toku v trubce. Nusseltovo číslo. Pécletovo číslo. Sdílení tepla při obtoku desky. Porovnání rychlostní a teplotní mezní vrstvy. Prandtlovo číslo. Koncepce filmové a penetrační teorie.
11. Filmová kondenzace na svislé desce. Vrstva kondenzátu. Součinitel přestupu tepla při kondenzaci. Var u stěny. Vliv povrchového napětí, hydrostatického tlaku, vedení a konvekce tepla. Podmínky bublinového a filmového varu.
12. Metody měření teplot a tepelných toků. Kalorimetrie. Principy studia rychlostních polí pomocí přenosových jevů. Horký drátek. Elektrodifuzní diagnostika.
13. Difuze. Fickův zákon. Jednosložková a vícesložková difuze. Molekulární modely difuze v plynech, kapalinách a pevných látkách. Měření difuzivity. Typické okrajové podmínky difuzních problémů. Rovnováhy na fázovém rozhraní. Pohyblivé okrajové podmínky.
14. Současné sdílení tepla a hmoty. Vlhký teploměr. Tepelné trubice. Termodifuze. Přenos tlaku.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky
Předmět neobsahuje žádné hodnocení.