《傳遞過程導(dǎo)論》2011.8.ppt

1、傳遞過程導(dǎo)論化工學(xué)院 孫志仁,管道中的流體流動,換熱器中的熱量交換,吸收塔中的質(zhì)量傳遞,傳遞現(xiàn)象?,前言,天然氣管道輸送,節(jié)能裝修,煙氣擴(kuò)散,煙氣上升,高爾夫Golf由綠（Green）、氧氣（Oxygen）、陽光（Light）和友誼（Friendship）四個(gè)單詞組成。流傳十五世紀(jì)一位蘇格蘭牧人在放牧?xí)r，偶然用一根棍子將一顆圓石擊入野兔子洞中，從中得到啟發(fā)，發(fā)明了后來稱為高爾夫球的運(yùn)動。十八世紀(jì)開始流傳到世界各地，并逐漸奠定了優(yōu)雅、高貴的形象，作為一種時(shí)尚或某種身份的隱約暗示。,第一章 分子傳遞現(xiàn)象,1.1 你了解“流體”嗎？,1.1.1 基本假定連續(xù)介質(zhì)模型,連續(xù)介質(zhì)模型 流體微團(tuán)相對于分子

2、尺度足夠大，相對于設(shè)備尺度充分小，且連續(xù)一片。,微團(tuán)尺度對密度的影響,流體內(nèi)有空隙嗎？,1.1.2 流體受力,p 壓力,剪切應(yīng)力,靜止流體內(nèi)部 p = p0 +g h 流體靜力學(xué)平衡定律,剪切變形,剪切變形速率,速度梯度,加速度,隨體導(dǎo)數(shù),例1-1 吊鹽水,吊鹽水中恒定滴速,控制面 C、B、D、E,現(xiàn)象問題,物理模型,水位降至 B 面之前（H2- H1） 不變， pD 恒定，滴速不變。,B-C： pC +g H1 = pB = p0,C-D： pD = pC +g H2, pD = p0 +g（H2- H1）,原理： 流體靜力學(xué)平衡定律 p = p0 +g h,數(shù)學(xué)模型,解析結(jié)果,規(guī)律結(jié)論,p

3、D +g h +p = pE pM,工程聯(lián)系 高位槽流量控制,問題探討,課后思考,1.農(nóng)家的煙囪為什么能自動排煙？ 2.工廠的煙囪為什么造得那么高？,1.1.3 流體流動,截面平均速度,體積流率,質(zhì)量流率, m/s ,m3/s , kg/s ,流體層相對運(yùn)動產(chǎn)生了內(nèi)摩擦力，宏觀表現(xiàn) 為流體的“粘性”。,1.2 分子傳遞機(jī)理,1.2.1 牛頓粘性定律,y x ：剪切應(yīng)力 N/m2 , ：粘度 Ns / m 2 ,：ux 在 y 方向上的梯度,牛頓粘性定律,問題探討 剪切應(yīng)力（）與動量（mu）之間有何聯(lián)系？,例1-2 平板間流體流動,非定常,定常,一維問題,板間定常流動速度分布,牛頓粘性定律,邊界

4、條件,速度分布,取長1、寬1、厚dy控制體，對定常流動有,課后思考,4. 由奈維-斯托克斯方程(教材P226,式6-10)簡化求解例1-2 平板間流體的速度分布。,3.在單位面積流體表面上標(biāo)出力F的各個(gè)分量及符號。,奈維-斯托克斯方程,平板間流體的速度分布,牛頓流體與非牛頓流體,凡符合牛頓粘性定律的流體，稱牛頓流體， 不符合的稱非牛頓流體。,牛頓流體：水、空氣、甘油、天然氣等,冪律流體,賓漢流體：牙膏、雪花膏等,非牛頓流體,凱森流體：血液、油漆等,假塑性流體：CMC溶液、油墨等,脹塑性流體：淀粉糊、阿拉伯樹膠等,傅立葉定律,qx : 導(dǎo)熱通量 J/m2s,k : 熱導(dǎo)率 W/mK,: 溫度梯度

5、 K/m,負(fù)號表明熱量由高溫傳向低溫。,1.2.2 傅立葉導(dǎo)熱定律,平壁玻璃內(nèi)的溫度分布,通過平壁玻璃的導(dǎo)熱速率,例1-3 玻璃窗散熱,對多層串聯(lián)復(fù)合平壁,熱流體對流傳熱給壁面，平壁內(nèi)導(dǎo)熱傳給另一側(cè)壁面，再對流傳給冷流體。,類似歐姆定律有,對多層串聯(lián)復(fù)合圓筒，類似有,其中,AiAj分別為某層圓筒的內(nèi)外面積,例1-4 管道保溫,管道保溫,最大散熱臨界半徑,對R0管道，保溫層加厚，起散熱作用。當(dāng)大于C 點(diǎn)時(shí)，才保溫。,5.用雙層玻璃取代單層玻璃能節(jié)省多少能量? 6.家用和工業(yè)用電熱棒結(jié)構(gòu)如圖，石英砂層阻礙加熱嗎？,課后思考,例1-5 大地升溫,大地初始溫度 T0，突然暖風(fēng)吹來，溫度升為 TW，并維

6、持不變。大地內(nèi)溫度僅沿 x 方向變化，為一維非定常導(dǎo)熱。,傅立葉定律,解得：,式中：,erf()為高斯誤差函數(shù),若溫度5的大地，表面突然升至37。 . 1小時(shí)后地表面下0.05m處的溫度？ . 0，t與t,2t內(nèi)單位面積傳熱量之比。 已知：大地 a = 4.6510 -7 m2/s。,.,.,1.2.3 費(fèi)克擴(kuò)散定律,JAy : 擴(kuò)散通量 kmol /m 2.s,若濃度用A 表示,DAB : 擴(kuò)散系數(shù) m 2/s,: 濃度梯度,例1-6 湖水中的氧擴(kuò)散,冰凍的湖面融化，水中的氧含量隨時(shí)間，沿深度變化。,式中：,查誤差函數(shù)表得,已知：CA0 = 3.010-5 kmol/m3， CAW = 3.

7、0610-4 kmol/m3，DAB = 1.5810-9 m 2/s。 求：三天后，離湖面0.06m深處的氧濃度。,將湖水簡化為半無限大平壁，氧擴(kuò)散為非定常分子擴(kuò)散。,氧濃度為,解：,例1-7 緩釋藥片的擴(kuò)散速率,在藥粒外包覆一層薄膜, 藥物以分子擴(kuò)散方式通過薄膜,實(shí)現(xiàn)緩釋作用。,根據(jù)質(zhì)量守恒原理,忽略高階小量，得,（CA0、CAW 恒定）,積分,再積分,代費(fèi)克定律,得,邊界條件,薄膜內(nèi)濃度分布,緩釋速率,問題探討 緩釋速率的控制 藥粒濃度CA0，薄膜材料DAB，薄膜厚度。,課后思考,7.緩釋化肥和緩釋農(nóng)藥有何優(yōu)點(diǎn)。如何控制其緩釋速率。,1.3 類似現(xiàn)象,費(fèi)克分子擴(kuò)散定律,傅立葉導(dǎo)熱定律,牛

8、頓粘性定律,粘性系數(shù),動量濃度,熱量通量,導(dǎo)溫系數(shù),熱量濃度,動量通量,擴(kuò)散系數(shù),質(zhì)量濃度,質(zhì)量通量,平壁玻璃的導(dǎo)熱速率,緩釋藥片的擴(kuò)散速率,平板間流動阻力,傳遞現(xiàn)象的本質(zhì),三傳之間的類似，對傳遞現(xiàn)象的研究奠定了基礎(chǔ)。,分子熱運(yùn)動,碰撞,交換,完成傳遞,式中：,式中：,例1-8 半無限大平壁非定常分子傳遞現(xiàn)象,問題探討 動量傳遞中類似的現(xiàn)象？,課后思考,8.平板間流體流動與傳熱、傳質(zhì)中何種現(xiàn)象類似？ 9.平壁傳熱與傳質(zhì)中何種現(xiàn)象類似？,？,？,第二章 有限控制體分析守恒原理,確定對象及范圍：控制面 控制體,2.1 質(zhì)量守恒,流體在管道內(nèi)流動 進(jìn)：W1=1 U1 A1 出：W2=2 U2 A2,

9、累積：,生成：R = 0,根據(jù)質(zhì)量守恒原理,不可壓流體1 =2 U1 A1 = U2 A2,對定常,例2-1 高位槽加料,高位槽加料時(shí)，若出料和進(jìn)料速度恒定，求槽內(nèi)液位上升速度。,解：根據(jù)質(zhì)量守恒原理,問題探討 不調(diào)節(jié)出料閥K2， U2是否能保持恒定？,1.推導(dǎo)連續(xù)性方程,課后思考,理想流體流動的機(jī)械能守恒式:,動能 靜壓能 位能 (單位體積),一維流動 無換熱 無外功 無支流 定常 不可壓,同一水平面上：,伯努利方程,三種能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，但總和不變。,2.2 機(jī)械能守恒,課外鏈接,歐拉方程,參考書：戴干策、陳敏恒編著，化工流體力學(xué) 化學(xué)工業(yè)出版社，1988，P148-152,沿流線積分

10、,無旋條件下積分,伯努利方程 （同一根流線上）,伯努利方程 （不同流線之間）,例2-2 虹吸,原理：伯努利方程 控制面：AB,問題探討,問題： h，U ？,20下飽和水蒸汽壓強(qiáng)：2334Pa,解：應(yīng)用伯努利方程,例2-3 文丘里流量計(jì),已知：流體流經(jīng)如圖管道，密度；指示液密度L。不計(jì)阻力損失，求：V = f（R）。,例2-4 吹火筒,嘴靠近 嘴遠(yuǎn)離,問題探討 水沖真空泵（水老鼠）,課后思考,2.你了解座便器的抽吸原理嗎？ 3.當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)，為什么要站在安全線后？,牛頓第二定律：,對定常管流：,矢量式可用x，y，z 方向的分量式計(jì)算。,F包括壓力FP、摩擦力Ff 、重力Fg、其它外力FR。,2.

11、3 動量守恒,例2-5 飛 盤,現(xiàn)象問題,旋轉(zhuǎn)飛盤能在空中平行飛行,物理模型,數(shù)學(xué)模型,控制體,動量守恒定律,飛盤,下面氣體：,上面氣體：,解析結(jié)果,飛盤受力：,問題：固定噴嘴所需的力,動量變化率：,合力：,解：選控制體，以表壓計(jì)。,例2-6 噴嘴,固定噴嘴所需的力：,課后思考,4.水以2m/s的流速從直徑為10cm的圓管中流出，垂直射向?qū)γ娴娜萜髌奖冢笏鲗θ萜鞅诘臎_擊力。 5.用軟管澆水時(shí)，一不小心滑落，水管會安靜地躺在地上嗎？,層流 湍流,分子傳遞 拋物面 渦流傳遞 對數(shù),3.1.1 雷諾試驗(yàn),3.1 流動狀態(tài)層流與湍流,第三章 動量傳遞,3.1.2 流動狀態(tài)的判別雷諾數(shù)Re,判據(jù)：,

12、對圓管流動：,Re 10000 湍流 穩(wěn)定,臨界雷諾數(shù)Rexc=2100,Re數(shù)的物理含義：,3.2 管內(nèi)層流,3.2.1 管內(nèi)層流速度分布拋物線分布,3.2.2 管道沿程阻力壓降,摩擦阻力系數(shù),動量變化率：,動量守恒：,薄殼圓環(huán)微元控制體,合力：,3.2.1 管內(nèi)層流速度分布拋物線分布,積分：,邊界條件：,牛頓流體：,積分：,邊界條件：,速度分布：,哈根-泊謖葉方程,流量：,平均速度：,速度分布：,速度分布：,家用燃?xì)鉄崴饕蛎簹鈮毫^小致使水溫偏低，若將原有1/2英寸(內(nèi)徑 15.75mm)的煤氣管道用3/4英寸(內(nèi)徑 21.25mm)管道替換。 試求：兩種管道的流率之比。,解：設(shè)流動為層

13、流,例3-1 煤氣管道安裝,課后思考,1.管內(nèi)層流截面上最大速度在何處？最大速度與截面平均速度的比值？ 2. 奧氏粘度計(jì)和烏氏粘度計(jì)測量粘度的原理？使用中應(yīng)注意哪些問題？,3.2.2 管道沿程阻力壓降,摩擦阻力系數(shù),3.3.1 流場顯示,示蹤法,光學(xué)法,3.3 研究流體流動的實(shí)驗(yàn)方法,3.3.2 速度測試,激光測速儀,熱絲(膜)流速儀,畢托管測速,例3-2 粒子成像測速儀PIV,3.3.3 量綱分析,物理方程量綱和諧,基本量綱,導(dǎo)出量綱,質(zhì)量M、長度L、時(shí)間T 、溫度K,速度LT-1、粘度ML-1T-1、力MLT-2等,無量綱數(shù),雷諾數(shù),努塞爾數(shù),等,考察對象：牛頓流體在長直光滑水平圓管 中作

14、定常層流流動。 求解問題：管流壓降變化規(guī)律。 解決方案： 管流壓降與相關(guān)變量的函數(shù)關(guān)系； 管流壓降無量綱數(shù)的函數(shù)關(guān)系。,例3-3 管內(nèi)層流實(shí)驗(yàn),選擇影響過程的物理量,沿程壓降,理論推導(dǎo), L D U 密度 粘度 管長 管徑 流速, 管流壓降與相關(guān)變量的函數(shù)關(guān)系,采用控制變量法（即只改變一個(gè)變量，其它變量保持常數(shù)），上式分解為,實(shí)驗(yàn)求得函數(shù)關(guān)系,需要注意：以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是針對某一特定的管道系統(tǒng), 管流壓降無量綱數(shù)的函數(shù)關(guān)系,冪指數(shù)形式,量綱形式（基本量綱：質(zhì)量M、長度L、時(shí)間T）,描述一個(gè)物理過程的物理量有n個(gè)(x1，x2xn),其中如含m個(gè)基本量綱，則該過程可由N=n-m個(gè)無量綱數(shù)（ ）進(jìn)行描述

15、,確定a、c、d，則,定理,歐拉數(shù) 雷諾數(shù) 長徑比,通過實(shí)驗(yàn)求函數(shù)關(guān)系,對牛頓流體在長直光滑水平圓管中作定常層流流動的系統(tǒng)，上圖的結(jié)果皆適用。,壓降與長度成正比，有,定義,摩擦阻力系數(shù),對數(shù)坐標(biāo),課后思考,3.如何利用畢托管測量圓管內(nèi)流體流量？畢托管測速安裝需注意哪些問題？ 4.用量綱分析法決定雨滴從靜止云層中降落的終端速度ut的無量綱數(shù)?？紤]影響雨滴行為的變量有：雨滴的半徑r，空氣的密度空氣和粘度，還有重力加速度g，表面張力可忽略。,畢托管測速,3.4 湍流理論,3.4.2 時(shí)均模型,3.4.1 湍流特性 . 脈動性 . 有旋性 .擴(kuò)散性 . 間歇性 . 擬序性 耗能性,湍流混合層中的渦結(jié)構(gòu)

16、,脈動值 時(shí)均值，僅 幾% 。但頻率極高，幾百次/s。脈動產(chǎn)生的附加應(yīng)力t L 粘性應(yīng)力。,對脈動,用統(tǒng)計(jì)方法描述,對時(shí)均,用唯象理論描述,湍流強(qiáng)度,相關(guān)系數(shù),湍流尺度,雷諾應(yīng)力,渦流粘度模型,混合長模型,湍流場總剪切應(yīng)力：,通用速度分布： y+30 ： u+ = 2.5 ln y+ + 5.5,3.4.3 壁面湍流速度分布,定義：,布拉休斯經(jīng)驗(yàn)阻力定律,例3-4 管內(nèi)流動截面上的速度,已知：U、D、,（0,5 u+= y+（5,30 u+=5.05 ln y+ -3.05 （30,）u+ =2.5 ln y+ +5.5,ux= u+u*,層,湍,解：,f = 0.079 Re -1/4=7.

17、8010 -3,湍流,若水以平均流速0.21m/s，在直徑為50mm的圓管中作湍流流動。已知：=1.005103Pa.s，=1000kg/m3 。 試求：U/umax=？,y=25mm ， ux = umax,u+ =2.5 ln y+ +5.5=19.94 ux = umax = u+u* =0.259m/s U/umax= 0.21/0.2590.8,對粗糙管,布拉休斯經(jīng)驗(yàn)阻力定律,3.4.4 圓管湍流壓降,課后思考,5.房地產(chǎn)開發(fā)使某地區(qū)居住人口增加，生活用水量增大，需更換原有主供水管道。若用水量增加十倍，水管道管徑應(yīng)增加幾倍？ 6.油輪卸油，油品密度800kg/m3、粘度0.75cP，

18、輸油管道內(nèi)徑0.3m。若使流量達(dá)到3000m3/h，求長400m 管道的壓降？,3.5 邊界層理論,1904年，普朗特提出“邊界層”概念,3.5.1 概念和特點(diǎn),流體區(qū)域以99%U 作為邊界，內(nèi)層區(qū)為粘性流體ux，外層區(qū)為理想流體U。,特點(diǎn),. 慢：邊界層內(nèi) ux U0 ，壁面 ux = 0 。,. 陡： 很大。,. 增：x，。,. ?。?x 。,. 逆壓，失速會分離（繞曲面流動時(shí)的表現(xiàn)）。,. 旋：微團(tuán)有旋。,. 慣、粘同量級：慣性力與粘性力在邊界層內(nèi)量級相當(dāng)。,. 截面等壓力：無壓差流動。,. 流型會轉(zhuǎn)變：x xc時(shí)，層流湍流。,層流,湍流,3.5.2 平板邊界層阻力,臨界雷諾數(shù)Rexc=

19、5105,3.5.3 圓管進(jìn)口段,管內(nèi)流動狀態(tài)與邊界層發(fā)展的關(guān)系：,層流：Le100D 湍流：Le50D,層流匯交，層流 湍流匯交，湍流,進(jìn)口段：沿流動方向 ux 分布變化，中心速度加速， 邊界層厚度增加直至交匯。,3.5.4 繞球邊界層分離,邊界層分離條件,層流邊界層分離,湍流邊界層分離,失速,3.6 繞流阻力阻力系數(shù),3.6.1 阻力機(jī)理, 摩擦阻力 DF ；與接觸面有關(guān)。 p 壓差（形體）阻力 Dp；與形狀有關(guān)。,兩者相對大小取決于：,定義：,A 迎流投影面,繞球爬流（Re1）：斯托克斯阻力定律,問題探討 落球法測粘度,3.6.2 阻力系數(shù),.爬流區(qū)：無尾流。,例3-5 CDRe變化曲線

20、,.卡門渦街區(qū)： 尾流從穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定。兩側(cè)交替，對稱，有周期地釋放旋渦。,.阻力平方區(qū)：層流邊界層分離，Re，D而CD不變。,.阻力危機(jī)區(qū)：當(dāng) Re3105 時(shí)，層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚臃蛛x。尾流區(qū)大幅度減小，總阻力 D，因而使 CD。,.湍流區(qū)：Re，CD。,.流線型,3.6.3 減阻,.吹噴技術(shù),.包橡皮膜,.加減阻劑,.人工湍流,.開縫導(dǎo)流,水中加5ppm的聚氧化乙烯，當(dāng)Re=1105時(shí)， 摩擦阻力系數(shù)可減小40%。,課后思考,7.高爾夫球?yàn)槭裁词恰奥樽忧颉?，而不是光滑球?8. 流體流經(jīng)圖示彎管時(shí)的阻力稱局部阻力,其形狀與邊界層分離有何關(guān)系?,第四章 熱量傳遞,影響因素： .物性特

21、征： 、k、 CP 、等。 （物性是溫度的函數(shù)，特性溫度） .幾何特征：尺度、形狀、方位等。 .動力學(xué)特征：流動狀態(tài)（層流、湍流）等。,4.1 傳熱機(jī)理,熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射。,例4-1 熱水瓶保溫,例4-2 芯片散熱,增大傳熱面積,提高傳熱系數(shù),減小接觸熱阻,傅立葉定律,4.1.1 熱傳導(dǎo),qx : 導(dǎo)熱通量 J/m2s,k : 熱導(dǎo)率 W/mK,: 溫度梯度 K/m,負(fù)號表明熱量由高溫傳向低溫。,其規(guī)律符合牛頓冷卻定律：,式中：h 對流傳熱系數(shù) W/m2K，通常由實(shí)驗(yàn)測定。,湍流 層流、強(qiáng)制對流 自然對流、相變 無相變,Q = q A =hA（TW - Tf）,流體相對于固體作宏觀運(yùn)動時(shí)

22、，引起微團(tuán)尺度上的熱量傳遞。,4.1.2 熱對流,4.1.3 熱輻射,: 黑度，由實(shí)驗(yàn)測得，其值為01,C0: 黑體輻射系數(shù)，其值為5.67 W/m2K4,T: 絕對溫度 K,防熱輻射套裝,4.2 管內(nèi)層流換熱,工業(yè)上常見的圓管加熱方式有兩種：,. 恒壁溫（夾套蒸氣加熱）TW=常數(shù) . 恒熱流（電加熱）qW=常數(shù),截面平均溫度Tb 隨 z的變化如下圖：,截面的溫度分布T 決定換熱效果,在 dz 段上壁面處的導(dǎo)熱速率應(yīng)等于流體和壁面之間的對流換熱速率。,壁面處導(dǎo)熱速率：,對流換熱速率：Q=h2Rdz(TW-Tb),問題探討 圓管層流換熱 細(xì)管好,還是粗管好?,對圓管層流換熱 恒 TW：Nu=3.

23、66 恒 qW：Nu=4.36,定義努塞爾數(shù),管殼式換熱器,板式換熱器,4.3 間壁式換熱器,工程上：Q = KAT,式中：K 稱傳熱系數(shù),強(qiáng)化傳熱途徑：增大 A，提高T，強(qiáng)化 K。,例4-3 環(huán)氧樹脂的加熱,靜態(tài)混合器,盤管加熱器,課后思考,1.制皂生產(chǎn)中需通過加熱減壓蒸發(fā)將皂基中的多余水份除去。生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)減壓蒸發(fā)器出口皂基含水率升高。檢查換熱器，蒸汽溫度不變，皂基流量和進(jìn)口溫度不變，只是出口溫度降低。技術(shù)員懷疑是管內(nèi)的傳熱系數(shù)變化所致。你認(rèn)為呢？,4.4 繞流傳熱,4.4.1 傳熱邊界層,類似流動邊界層，以T-TW=99%（T0-TW）為界線。,問題探討 芯片冷卻速率,熱邊界層厚度,

24、湍流,層流,課后思考,2.用傳熱邊界層分析圓管熱進(jìn)口段特點(diǎn)。并與流動進(jìn)口段對比。 3. 圖示圓管局部傳熱系數(shù)隨z變化關(guān)系，討論其規(guī)律。,4.4.2 繞圓柱傳熱,層流邊界層發(fā)展，T ， h ；至約81處，邊界層分離， h ；原因是旋渦沖刷表面。,先是層流邊界層發(fā)展, T , h ；層流湍流， h ,而后湍流邊界層發(fā)展,T , h ；至約130處，湍流邊界層分離，又促使h 。,h 隨的變化,畢奧數(shù) Bi 0.1,反應(yīng)器中的球形催化劑顆粒體積V，表面積A，初始溫度T0，通入溫度為Tf 的熱氣流，顆粒溫度將隨時(shí)間升高。,簡化：忽略顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻，集總參數(shù)法。,4.4.3 小球傳熱,（1） 傳熱原理,T 時(shí)刻通過對流換熱，顆粒的加熱量 Q1=hA（Tf - T）,顆粒的熱量變化率,能量守恒 Q1= Q2,溫度隨時(shí)間變化關(guān)系,（2） 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn), 控制界面35, 實(shí)驗(yàn)視頻35: