傳遞過程原理講課提綱第一章：動(dòng)量、熱量與高高質(zhì)量傳遞

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案化學(xué)工程、環(huán)境工程專業(yè)工程碩士班傳遞過程原理/環(huán)境流體力學(xué)（水力學(xué)）講課提綱湘潭大學(xué)化工學(xué)院 楊運(yùn)泉緒論動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞概述“傳遞過程”概述“傳遞過程”所討論的主要問題：過程速率及定義式“傳遞過程”的意義及用途單位制的問題第一章 動(dòng)量熱量與質(zhì)量傳遞導(dǎo)論§1現(xiàn)象定律與傳遞過程的類似性1.傳遞過程的一般形式：分子與渦流傳遞2.現(xiàn)象定律：定義及傳遞過程三個(gè)基本定律3.梯度概念§2渦流傳遞的類似性1.渦流黏度，渦流擴(kuò)散系數(shù)2.幾個(gè)常用準(zhǔn)數(shù)： Pr、Sc、Le、Sh、Nu、Re及其相互關(guān)系§3圓管中的穩(wěn)態(tài)層流1.圓管中穩(wěn)態(tài)層流的速度分布及壓降——泊稷葉方程精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案2.平行平板間穩(wěn)態(tài)層流的速度分布與壓降計(jì)算3.主體流速（平均流速）概念及定義式a.層流下的平均流速湍流下的平均流速：尼古拉斯—布拉修斯分布律c.湍流主體的渦流粘度與層流內(nèi)層中分子粘度量級(jí)的比較第二章總質(zhì)量能量及動(dòng)量衡算§1總質(zhì)量衡算1.概念：控制體，控制邊界2.質(zhì)量守恒定律一般表達(dá)式3.單組分、多組分無化學(xué)反應(yīng)體系的質(zhì)量衡算一般表達(dá)式4.多組分、有化學(xué)反應(yīng)體系的質(zhì)量衡算表達(dá)式及反應(yīng)速率（生成速率）符號(hào)規(guī)定5.系統(tǒng)總質(zhì)量衡算的普遍化方程及 ∮AρucosαdA的意義§2總能量衡算1.流動(dòng)靜力學(xué)平衡方程——流體連續(xù)性假定及歐拉平衡方程的推導(dǎo)a.二種類型力：表面力：壓力 剪力體積力：慣性力 場(chǎng)力b.力的平衡：微分平衡方程 dp/ρ=Xdx+Ydy+Zdzc.旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)流體的壓強(qiáng)分布（閉蓋時(shí)）旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)流體的自由界面形態(tài)（敞蓋時(shí)）精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案2.運(yùn)動(dòng)流體的平衡方程——牛頓第二定律應(yīng)用于理想流體（柏努利方程）a.流體運(yùn)動(dòng)的兩種考察方法：歐拉法與拉格朗日法流線與軌線及其特性單一流線c.穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下流體的機(jī)械能守恒方程（理想流體） {流線束穩(wěn)態(tài)下非理想流體的機(jī)械能衡算方程e.動(dòng)能項(xiàng)修正系數(shù)α的計(jì)算α=[(2n+1)(n+1)] 3/[4n4(2n+3)(n+3)]§3總動(dòng)量衡算1.流體動(dòng)量的表示 p Mu2.三維流動(dòng)空間中流體動(dòng)量衡算方程總式及向量分式3.彎管中流體動(dòng)量及彎管受力分析計(jì)算第三章粘性流體運(yùn)動(dòng)的微分方程及其應(yīng)用§1連續(xù)性方程1.連續(xù)性方程推導(dǎo)2.連續(xù)性方程的分析與簡(jiǎn)化a.隨體導(dǎo)數(shù)、 局部導(dǎo)數(shù)、 對(duì)流導(dǎo)數(shù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程判別式及例題3.柱和球座標(biāo)系中的流體連續(xù)性方程表示精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案§2流體運(yùn)動(dòng)的基本方程1.以隨體導(dǎo)數(shù)表示的流體受力，牛頓第二定律表示法2.流體受力類型及各力大小、方向分析，力平衡方程3.剪應(yīng)力與形變（線形變、角形變）關(guān)系4.法向應(yīng)力的表達(dá)5.粘性流體的 Navier-Stokes 方程及討論N-S方程在柱和球座標(biāo)中的表示§3N-S方程的應(yīng)用實(shí)例1.無限大平行平板間穩(wěn)態(tài)層流速度分布、平均速度及壓強(qiáng)計(jì)算2.圓形直管內(nèi)的穩(wěn)態(tài)層流速度分布、平均速度及壓強(qiáng)計(jì)算3.環(huán)形套管中的穩(wěn)態(tài)層流速度分布、平均速度及壓強(qiáng)計(jì)算§4爬流1.爬流概念2.球形顆粒表面上爬流的 N-S方程球坐標(biāo)解析式3.球形顆粒在流體中的受力—— Stokes方程a.形體阻力、表面阻力斯托克斯方程c.阻力系數(shù)ξ(CD)§5流線與流函數(shù)1.流線概念精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案2.流線的基本屬性3.流線方程4.流函數(shù)及其意義5.柱坐標(biāo)中的流函數(shù)定義式§6勢(shì)線與勢(shì)函數(shù)1.勢(shì)及勢(shì)線概念2.勢(shì)線與流線的基本關(guān)系3.勢(shì)函數(shù)與勢(shì)線方程及其意義第四章邊界層理論基礎(chǔ)§1邊界層概念a.邊界層的形成邊界層的厚度§2阻（曳）力系數(shù)與范寧摩擦系數(shù)§3Prandtl 邊界層方程§4邊界層積分動(dòng)量方程邊界層積分動(dòng)量方程流體沿平板壁面流動(dòng)時(shí)層流邊界層的計(jì)算――平板壁阻力系數(shù)§5邊界層分離與形體阻力精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案第四章湍流§1湍流的特點(diǎn)、起因和表征湍流的特點(diǎn)湍流的起因湍流的表征――時(shí)均量、脈動(dòng)量湍流強(qiáng)度與湍流標(biāo)度§2雷諾方程和雷諾應(yīng)力§3湍流的半經(jīng)驗(yàn)理論――普蘭德動(dòng)量傳遞理論§4光滑管中的湍流a.Prandtl 混合長(zhǎng)與通用速度分布方程速度分布與流動(dòng)阻力§5粗糙管中的湍流a.粗糙度與相對(duì)粗糙度速度分布與流動(dòng)阻力第五章熱量傳遞理論與能量方程§1傳熱方式a.傳導(dǎo)對(duì)流c.輻射§2能量方程的推導(dǎo)及特定形式精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案§3穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)a.無內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題解析解有內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)c.擴(kuò)展表面的導(dǎo)熱二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值解§4忽略內(nèi)熱阻的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱――集總熱容法§5一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題解析解a.初始條件和邊界條件半無限固體的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱大平板的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案緒 論一.動(dòng)量熱量與質(zhì)量傳遞概述1單純傳遞過程早在化工原理課程中有討論，始于 1920年初，三者之間的相似性與聯(lián)系未受到重視，1960 年前后，才有“傳遞過程”課程。傳遞過程所討論的主要問題：過程速率精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案τw=-(du/dy)/(1/u)q’=-(dt/dn)/(1/λ)過程速率的一般定義：過程速率 =過程動(dòng)力/過程阻力{ JAB=-(dc/dy)/(1/D)或者：過程速度∝推動(dòng)力梯度“傳遞過程”的用途及應(yīng)用：了解各單元（過程）的傳遞規(guī)律及傳遞機(jī)理，為過程操作設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)②為過程的計(jì)算機(jī)模擬控制提供基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)(經(jīng)驗(yàn))法理論法③為過程研究提供研究的方法：{數(shù)學(xué)模型法二單位制問題推薦使用國(guó)際單位制（ SI）優(yōu)點(diǎn)；① 統(tǒng)一性：（領(lǐng)域 地區(qū)的統(tǒng)一）②簡(jiǎn)明性：省去了換算因數(shù)，使各比例系數(shù)歸一③實(shí)用性：使用冠詞，使單位可大可小。④合理性：一個(gè)量與一個(gè) SI單位一一對(duì)應(yīng)⑤科學(xué)性：意義準(zhǔn)確無誤⑥精確性：比較高的精度復(fù)現(xiàn)⑦繼承性：吸收了其他單位制的合理因數(shù)三單位制（SI）使用注意點(diǎn)(略)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案第一章動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞§1傳遞過程的類似性§1—1現(xiàn)象定律傳遞過程的一般形式（機(jī)理）分子傳遞：純數(shù)學(xué)理論法及相應(yīng)定律描述渦流傳遞：純實(shí)驗(yàn)方法及準(zhǔn)數(shù)規(guī)則描述現(xiàn)象定律：用于描述分子運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量、熱量及質(zhì)量傳遞的相應(yīng)定律。包括：a動(dòng)量傳遞——牛頓粘性定律 τW=-μduX/dy=F w/A精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案b 熱量傳遞——傅立葉定律 q’=-λdt/dn=Q/Ac質(zhì)量傳遞——費(fèi)克定律 JAB=-Ddp/dy=G/A上述三定律稱為線形現(xiàn)象定律（原因與現(xiàn)象關(guān)系）3.梯度：某物理量在沿其傳遞方向的變化率，常用 Grad(x)表示§1—2三種通量的普遍（一般）表達(dá)式1.牛頓粘性定律： τ=-μ/ρ·d(ρuX)/dy=-υ·d(ρuX)/dy式中：υ、μ/ρ—運(yùn)動(dòng)黏度，m2/sμ—絕對(duì)黏度，物理黏度， Pasd(ρuX)/dy— 動(dòng)量（濃度）梯度， kg/m3sτ—?jiǎng)恿客?，N/m22.傅立葉定律q’=-λ/ρCp·d(ρCpt)/dn=-αd(ρCpt)/dnα,λ/ρCp—導(dǎo)熱系數(shù)或擴(kuò)散系數(shù)，m2/sd(ρCpt)/dn—熱量（濃度）梯度，J/m4q’—熱量通量，J/m2s或W/m23.費(fèi)克定律j=-D·dρ/dyD—質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案dρ/dy—質(zhì)量（濃度）梯度， kg/m4J—質(zhì)量通量， kg/m2s§1—3渦流傳遞的類似性渦流的存在將使傳遞過程的速率顯著提高。但由于渦流本身的隨機(jī)性和復(fù)雜性（大小、方向、存在時(shí)間、強(qiáng)度等） ，使得數(shù)學(xué)描述難于實(shí)現(xiàn)。為了方便，仿照原來分子傳遞過程的相應(yīng)定律，引入“渦流擴(kuò)散系數(shù)”概念使之以簡(jiǎn)要的方程來表征其傳遞速率大小。如:τ’=-ε·d(ρuX)/dyq”=-εH·dt/dnJ’=-εM·dρ/dy式中ε、εH或εM 既與流體本身性質(zhì)有關(guān)又與流體湍動(dòng)的程度、設(shè)備形式與結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。一般無法測(cè)定，且測(cè)定結(jié)果無推廣使用價(jià)值?！?—4普蘭德準(zhǔn)數(shù)，施密特準(zhǔn)數(shù)及路易斯準(zhǔn)數(shù)① Prandtl 準(zhǔn)數(shù)： Pr=Cpμ/λ=υ/α 反映動(dòng)量傳遞與熱量傳遞的類比性Schmidt 準(zhǔn)數(shù)：Sc=μ/ρDAB=υ/DAB 反映動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞的類比性Lewis準(zhǔn)數(shù)： Le=λ/ρCpDAB=α/DAB=Sc/Pr 反映熱量傳遞與質(zhì)量傳遞的類比性★ 當(dāng)Pr、Sc、Le準(zhǔn)數(shù)接近于 1時(shí)，說明相應(yīng)的二個(gè)傳遞現(xiàn)象具有類比性。例如Le=1則：對(duì)于傳熱過程：若 Nu=0.023Re 0.8Pr1/3成立精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案對(duì)于傳質(zhì)過程： Sh=0.023Re 0.8Sc1/3亦將成立式中：Nu=αd/λ,Sh=kLd/DABPr、Sc、Le之間的關(guān)系Le=Sc/Pr=Sh/Nu§2圓管中的穩(wěn)態(tài)層流2—1圓管中的穩(wěn)態(tài)層流時(shí)的速度分布要求滿足的條件：①牛頓型流體，滿足牛頓粘性定律②處于層流，連續(xù)穩(wěn)定結(jié)果：①ur=umax[1-(r/R)2△μLu/d2=4μLumax/R2]及p=32②對(duì)于任一流動(dòng)狀態(tài)（層、湍流）和任何流體（牛頓型、非牛頓性） ，當(dāng)其穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)：對(duì)圓管有： τr=τw·r/R對(duì)平板（當(dāng)下平板固定運(yùn)動(dòng)而上平板以u(píng)0運(yùn)r,y動(dòng)）有：δu=0t上wP2流向P1δ△上下·L·dτydpw·dy=w·L·(τ-τ)=wt下即：dτ/dy=△p/LL,△Pu0u0故:τ=τ+△p/L·y=△p/L·y+C1圖1y0y=-μdu/dy,則：-2u/dy2=△特別地，若τμdp/L結(jié)合初始條件： y=0，u=0精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案及邊界條件： y=δ，u=u0=umax則：u=-△p/2μL·y2–(△pδ/2μL-u0/δ)y當(dāng)p/L=0 時(shí)，上式即為著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：u=u0/δ·y③同理可證明對(duì)流體在圖2中的平板流動(dòng)時(shí)結(jié)論亦與圖1相同，即△p=2μu0L/(δ’/2)2uy=u0[1-y2/(δ’/2)2]yu=00 u u0 δ'u=0圖2§2—2主體流速——截面平均流速 ub定義：ub=∫AudA/∫AdA對(duì)層流下的粘性流體有：ub=1/2umax對(duì)湍流，若速度分布服從尼古拉則（Nicolatz）規(guī)則：ur=umax[(R-r)/R]1/n，則有：圓管中ub=2umaxn2/(n+1)(2n+1)1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定4×5；當(dāng)Re在4×10~1.110時(shí)，n=6，ub/umax=72/91=0.7911.15×6，ub/umax=49/60=0.817；×10~3.210時(shí)，n=73.26時(shí)，n=10，ub/umax=200/231=0.866?！?0~精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案根據(jù)湍流速度分布可見：在管中心部分，速度梯度很小，故渦流粘度很大在管壁附近，分子粘度很小，故速度梯度很大例：a.在管壁(如r=0.999R 處)：τw=- μdu/dr r→R│= μmaxu/R?1/n?(1 -r/R) (1-n)/n當(dāng)n=