傳遞過程原理講課提綱第一章：動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞

1、 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傳遞過程的一般形式：分子與渦流傳遞現(xiàn)象定律：定義及傳遞過程三個(gè)基本定律梯度概念2渦流傳遞的類似性渦流黏度，渦流擴(kuò)散系數(shù)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)層流圓管中穩(wěn)態(tài)層流的速度分布及壓降泊稷葉方程平行平板間穩(wěn)態(tài)層流的速度分布與壓降計(jì)算主體流速（平均流速）概念及定義式層流下的平均

2、流速湍流下的平均流速：尼古拉斯一布拉修斯分布律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)量衡算概念：控制體，控制邊界質(zhì)量守恒定律一般表達(dá)式單組分、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)定系統(tǒng)總質(zhì)量衡算的普遍化方程及滬ApucosadA的意義2總能量衡算流動(dòng)靜力學(xué)平衡方程一一流體連續(xù)性假定及歐拉平衡方程的推導(dǎo)二種類型力：表面力：壓力剪力體積力：慣性力場(chǎng)力力的平衡：微分平衡方程dp/p=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)）運(yùn)動(dòng)流體的

3、平衡方程牛頓第二定律應(yīng)用于理想流體（柏努利方程）流體運(yùn)動(dòng)的兩種考察方法：歐拉法與拉格朗日法單一流線流線束流線與軌線及其特性穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下流體的機(jī)械能守恒方程（理想流體）穩(wěn)態(tài)下非理想流體的機(jī)械能衡算方程動(dòng)能項(xiàng)修正系數(shù)a的計(jì)算a=(2n+l)(n+l)3/4n4(2n+3)(n+3)3總動(dòng)量衡算l.流體動(dòng)量的表示pMu三維流動(dòng)空間中流體動(dòng)量衡算方程總式及向量分式彎管中流體動(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l連續(xù)性方程連續(xù)性方程推導(dǎo)連續(xù)性方程的分析與簡(jiǎn)化隨體導(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柱和球座標(biāo)系中的流體連續(xù)性方程表示2流體運(yùn)動(dòng)的基本方程以隨體導(dǎo)數(shù)

4、表示的流體受力，牛頓第二定律表示法流體受力類型及各力大小、方向分析，力平衡方程剪應(yīng)力與形變（線形變、角形變）關(guān)系法向應(yīng)力的表達(dá)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爬流爬流概念球形顆粒表面上爬流的N-S方程球坐標(biāo)解析式球形顆粒在流體中的受力Stokes方程形體阻力、表面阻力斯托克斯方程C.阻力系數(shù)E(CD)5流線與流函數(shù)流線概念流線的基本屬性流線方程流函數(shù)及其意義柱坐標(biāo)中的流函數(shù)定義式6

5、勢(shì)線與勢(shì)函數(shù)勢(shì)及勢(shì)線概念勢(shì)線與流線的基本關(guān)系勢(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)量方程平板壁阻力系數(shù)流體沿平板壁面流動(dòng)時(shí)層流邊界層的計(jì)算5邊界層分離與形體阻力第四章湍流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一一時(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)理論一一普蘭德動(dòng)量傳遞理論4光滑管中的湍流Prandtl混合長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

6、程 1傳熱方式a傳導(dǎo)對(duì)流輻射2能量方程的推導(dǎo)及特定形式3穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)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)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 一.動(dòng)量熱量與質(zhì)量傳遞概述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Tw=-（du/dy）/（1/u）過程速率的一般定義：過程速率=過程動(dòng)力/過程阻力q=-（dt/dn）/（1/入）或者：過程速度*推

7、動(dòng)力梯度Jab=-（dc/dy）/（1/D）3“傳遞過程”的用途及應(yīng)用：礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)（經(jīng)驗(yàn)）法理論法數(shù)學(xué)模型法了解各單元（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)為過程的計(jì)算機(jī)模擬控制提供為過程研究提供研究的方法：二單位制問題推薦使用國際單位制（SI）優(yōu)點(diǎn)；統(tǒng)一性：（領(lǐng)域地區(qū)的統(tǒng)一）簡(jiǎn)明性：省去了換算因數(shù)，使各比例系數(shù)歸一實(shí)用性：使用冠詞，使單位可大可小。合理性：一個(gè)量與一個(gè)SI單位對(duì)應(yīng)科學(xué)性：意義準(zhǔn)確無誤精確性：比較高的精度復(fù)現(xiàn)繼承性：吸收了其他單位制的合理因數(shù)三單位制（I使用注意點(diǎn)（略） 傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院第一章動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞1傳遞過程的類似性11現(xiàn)象定律

8、1.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2.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TW|JWXwb熱量傳遞傅立葉定律q=-入dt/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)梯度：某物理量在沿其傳遞方向的變化率，常用Grad(x)表示12三種通量的普遍(一般)表達(dá)式1.牛頓粘性定律：T=-p/pd(p)/dy=-ud(p)/dy式中：U、J/p一運(yùn)動(dòng)黏度，m2/sJ絕對(duì)黏度，物理黏度，Pasd(p)/dy一動(dòng)量(濃度)梯度，

9、kg/m3sT一動(dòng)量通量，N/m22.傅立葉定律q=-入/pCpd(pCpt)/dn=-ad(pCpt)/dna入/pCp導(dǎo)熱系數(shù)或擴(kuò)散系數(shù)，m2/sd(pCpt)/dn一熱量(濃度)梯度，J/m4q一熱量通量，J/m2s或W/m2費(fèi)克定律j=-Ddp/dyD一質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，m2/sdp/dy一質(zhì)量(濃度)梯度，kg/m4J質(zhì)量通量,kg/m2s1一3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。女

10、口：T=d(p)/dyq”=-口dt/dnHJ=-Mdpdy式中、H或M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)尺傳遞過程原理湘潭大學(xué)化工學(xué)院. 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。14普蘭德準(zhǔn)數(shù)，施密特準(zhǔn)數(shù)及路易斯準(zhǔn)數(shù)Prandtl準(zhǔn)數(shù)：Pr=Cp/入=Ua反映動(dòng)量傳遞與熱量傳遞的類比性pSchmidt準(zhǔn)數(shù)：Sc=p/pDAB=UDAB反映動(dòng)量傳遞與質(zhì)量傳遞的類比性ABABLewis準(zhǔn)數(shù)：Le=A/pCpD=a/D*ABAB=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1一時(shí)，說明相應(yīng)的二個(gè)傳遞現(xiàn)象具有類比性。例如Le=l貝I：對(duì)于傳熱

11、過程：若Nu=0.023Reo$Pri/3成立對(duì)于傳質(zhì)過程：Sh=0.023Re。”Sc3亦將成立式中：Nu=ad/入,Sh=kd/D*LABPr、Sc、Le之間的關(guān)系Le=Sc/Pr=Sh/Nu2圓管中的穩(wěn)態(tài)層流21圓管中的穩(wěn)態(tài)層流時(shí)的速度分布要求滿足的條件：牛頓型流體，滿足牛頓粘性定律處于層流，連續(xù)穩(wěn)定結(jié)果：ur=Umax1-（r/R）2及34%代對(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：T=Tr/Rrw即：dT/dy=AT-T上下圖1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)動(dòng)）有:故：TTy0結(jié)合初始條件：y=0，u=0特別地，若Ty=-4du

12、/dy,貝貝：-4及邊界條件：y=6，u=u0=u0max則：4-64u0/6）y當(dāng)時(shí)，上式即為著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：=0/6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，即卩u0L/(/2)2Uy=u01-y2/72)222主體流速截面平均流速定義：u=/udA/dAbAA對(duì)層流下的粘性流體有：ub=1/2umaxbmax對(duì)湍流，若速度分布服從尼古拉則(Nicolatz)規(guī)則：u=u(R-r)/Ri/n,rmax則有：圓管中u=2un2/(n+1)(2n+1)bmax根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定當(dāng)Re在4x1041.1x105時(shí)，n=6,u/u=72/91=0.791；bmax1.1x1053.2x106時(shí)，n=7，u/u=49/60=0.817；bmax3.2x106時(shí)，n=10，u/u=200/231=0.866。bmax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)：t=-卩du/dr|D=卩u/R1/n(1-r/R)(1-n)/nTOC o 1