环境工程第四章传递过程原理(极力推荐)

1、第四章第四章 传递过程基本原传递过程基本原理理 在圆板中心扎一细金属丝，吊在空气中，将圆板旋转一个角在圆板中心扎一细金属丝，吊在空气中，将圆板旋转一个角度，使金属丝扭转，然后放开度，使金属丝扭转，然后放开 冷、热两个物体互相接触冷、热两个物体互相接触蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处向低浓度处移动，经过一段时间后，杯中水的颜色趋于一向低浓度处移动，经过一段时间后，杯中水的颜色趋于一致致圆板以中心为轴往返旋转摆动，随着时间的推移，摆动圆板以中心为轴往返旋转摆动，随着时间的推移，摆动不断衰减最终停止不断衰减最终停止动量传递动量传递热

2、量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致热量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致热量传递热量传递向一杯水中加入一滴蓝墨水向一杯水中加入一滴蓝墨水质量传递质量传递对于任何处于不平衡状态的体系，一定会有分布不均匀的物理对于任何处于不平衡状态的体系，一定会有分布不均匀的物理量由高强度区向低强度区转移，这一过程即为量由高强度区向低强度区转移，这一过程即为传递过程传递过程。当体系中存在速度、温度和浓度梯度时，就会分别发生动当体系中存在速度、温度和浓度梯度时，就会分别发生动量、热量和质量的传递过程。量、热量和质量的传递过程。动量传递动量传递是指体系中动量由高速流体层向低速流体层的转移

3、是指体系中动量由高速流体层向低速流体层的转移热量传递热量传递是指热量由高温区向低温区的转移是指热量由高温区向低温区的转移温度差温度差质量传递质量传递是指一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移是指一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移相间的位差：压力差（反渗透）、电位差（电渗析）相间的位差：压力差（反渗透）、电位差（电渗析）推动力推动力速度差速度差浓度差浓度差传递过程的规律是研究环境工程问题的基础。传递过程的规律是研究环境工程问题的基础。传递过程研究物理量变化速率的规律传递过程研究物理量变化速率的规律动量、热量和质量传递三者之间在传递机理、传递过程和动量、热量和质量传递三者之间在传递机理、传

4、递过程和传递结果等方面十分相似，它们不但可以用类似的数学模传递结果等方面十分相似，它们不但可以用类似的数学模型描述，而且描述三者的一些物理量之间还存在着某些定型描述，而且描述三者的一些物理量之间还存在着某些定量关系，这些类似关系和定量关系使研究三类传递过程的量关系，这些类似关系和定量关系使研究三类传递过程的问题得以简化。问题得以简化。 传递过程的机理传递过程的机理描述传递过程的方程描述传递过程的方程传递过程的相似性传递过程的相似性第一节第一节 传递过程的机理传递过程的机理 冷、热两个物体互相接触冷、热两个物体互相接触一杯热水放在冷水中一杯热水放在冷水中静止静止蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长

5、一段蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段时间后，杯中水的颜色趋于一致时间后，杯中水的颜色趋于一致热量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致热量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致向一杯水中加入一滴蓝墨水向一杯水中加入一滴蓝墨水静止静止？搅动冷水和搅动冷水和/或热水或热水？搅拌一下搅拌一下？由分子的微观运动引起由分子的微观运动引起由流体微团的宏观运动引起由流体微团的宏观运动引起分子传递过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体分子传递过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。中才会单独发生。 分子传递：分子传递：由分子的不规则热运动而导致的传递由分子的不规则热

6、运动而导致的传递涡流传递：涡流传递： 由宏观流体微团的不规则掺混运动导致的传递由宏观流体微团的不规则掺混运动导致的传递涡流传递在湍流中发生。涡流传递在湍流中发生。在湍流运动中，流体中充满了旋涡，因此除分子传递现在湍流运动中，流体中充满了旋涡，因此除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、热象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、热量和质量的传递，其结果使动量、热量和质量的传递过量和质量的传递，其结果使动量、热量和质量的传递过程大大加剧。程大大加剧。 第二节第二节 分子传递分子传递 由分子运动引起的动量传递由分子运动引起的动量传递牛顿粘性定律牛顿粘性定律 由分子运动引起的热

7、量传递由分子运动引起的热量传递傅立叶定律傅立叶定律 由分子运动引起的质量传递由分子运动引起的质量传递费克定律费克定律相邻两层流体相邻两层流体速度不同速度不同动量不同动量不同分子的热运动分子的热运动动量传递动量传递一、动量传递一、动量传递流体层间的分子交换流体层间的分子交换流体层之间流体层之间分子的交换分子的交换使动量从高速层向低速层传递使动量从高速层向低速层传递其结果产生了阻碍流体相对运动的剪切应力其结果产生了阻碍流体相对运动的剪切应力“内摩擦内摩擦”特性特性表现出流体的粘性，不同的流体具有不同的表现出流体的粘性，不同的流体具有不同的粘性，粘性主要粘性，粘性主要取决于流体本身的取决于流体本身的

8、“内摩擦内摩擦”特性特性 粘性：粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质变形的性质 粘性粘性1粘性粘性2流体向壁面传递动量的结果，出现了壁面处的剪应力，成流体向壁面传递动量的结果，出现了壁面处的剪应力，成为壁面抑制流体流动的力为壁面抑制流体流动的力摩擦力。这是流体分子微观摩擦力。这是流体分子微观运动的宏观表现运动的宏观表现内摩擦力作功，不断消耗流体的机械能，转化为热能而散内摩擦力作功，不断消耗流体的机械能，转化为热能而散逸逸流体能量损失。流体能量损失。流体输送过程的阻力及能量的损失选择动力机械和确定流体输送过程的阻力及能量的损失选择动力机械和

9、确定能耗，能耗，设计搅拌和均布系统（阻力）设计搅拌和均布系统（阻力）流体的测量流体的测量1牛顿粘性定律牛顿粘性定律紧贴板表面紧贴板表面的流体与板的流体与板表面之间不表面之间不发生相对位发生相对位移，称为移，称为无无滑移滑移 流体呈层流运动流体呈层流运动 YuAF微分式：微分式：yuxyxdd yx 剪切应力，或单位面积上的内摩擦力，剪切应力，或单位面积上的内摩擦力， N/m2；动力粘性系数，或称动力粘度，简称粘度，动力粘性系数，或称动力粘度，简称粘度，sPayuxdd垂直于流动方向的速度梯度，或称剪切变形速率，垂直于流动方向的速度梯度，或称剪切变形速率，1/s。 负号表示剪切应力的方向与速度梯

10、度的方向相反。负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反。（1）牛顿粘性定律）牛顿粘性定律动量传递的方向动量传递的方向动量的方向，动量的方向，剪应力的方向剪应力的方向反映了流体流动时的角变形速率反映了流体流动时的角变形速率 yuxddtgddddddytyyux由于由于d很小，因此很小，因此tgdd所以，角变形速率所以，角变形速率t dd为为yutytyyutxxdddddddddd因此，牛顿粘性定律又揭示了因此，牛顿粘性定律又揭示了剪切应力与剪切应力与角角变形速率成正比。变形速率成正比。牛顿粘性定律指出：相邻流体层之间的剪切应力，即流体流动牛顿粘性定律指出：相邻流体层之间的剪切应力，即流体流

11、动时的时的内摩擦力内摩擦力yx与该处垂直于流动方向的速度梯度与该处垂直于流动方向的速度梯度yuxdd成正比成正比。tuxdtyyuuxxdddd（2）（3）牛顿粘性定律的另一种形式）牛顿粘性定律的另一种形式2。动力粘性系数。动力粘性系数 yuxyxdd单位法向速度梯度下，由于流体粘性所引起的剪单位法向速度梯度下，由于流体粘性所引起的剪切应力的大小。切应力的大小。是流体的物理性质是流体的物理性质粘度的影响因素粘度的影响因素粘度随粘度随流体种类流体种类不同而不同，并随不同而不同，并随压强、温度压强、温度变化而变化变化而变化（1）流体种类：一般地，相同条件下，液体的粘度大于）流体种类：一般地，相同条

12、件下，液体的粘度大于气体的粘度。气体的粘度。（2）压强：）压强：气体的粘度随压力的升高而增加，低密度气气体的粘度随压力的升高而增加，低密度气体和液体的粘度随压强变化较小。体和液体的粘度随压强变化较小。 对常见的流体，如水、气体等对常见的流体，如水、气体等,粘度粘度随压强的变化不大，随压强的变化不大，一般可忽略不计。一般可忽略不计。（3）温度：是影响粘度的主要因素。）温度：是影响粘度的主要因素。 当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加液体：液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸

13、引力减小，因而使剪切应力减小，所以粘度间距离增大，吸引力减小，因而使剪切应力减小，所以粘度减减小。小。气体：气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度动加快，动量交换频繁，所以粘度值增加。值增加。 水及空气在常压下的粘度水及空气在常压下的粘度 3。流体分类。流体分类流体的剪应力与剪切变形速率之间的关系曲线流体的剪应力与剪切变形速率之间的关系曲线 环境工程中常见到非牛顿粘性流体有泥浆、中等含固量的悬浮环境工程

14、中常见到非牛顿粘性流体有泥浆、中等含固量的悬浮液等，属于粘塑性流体液等，属于粘塑性流体 粘塑性流体粘塑性流体宾汉模型宾汉模型解：设液层分界面上的流速为解：设液层分界面上的流速为u，则切应力分布：，则切应力分布：yuxyxdd上层上层 下层下层 在液层分界面上在液层分界面上 【例】绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。设【例】绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。设平板间的液体流动为层流，且流速按直线分布平板间的液体流动为层流，且流速按直线分布上层上层 下层下层 切应力分布切应力分布111huU 2220hu 21211221hhUhu211hyhuUuuyhuu22例例2：一底面积为：

15、一底面积为40 45cm2，高为，高为1cm的木块，质量为的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，已知木块运动速度沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。呈直线分布，求油的粘滞系数。mg sinA=02/105. 0sinmsNAumgudydu二、热量传递二、热量传递热量传递在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的热量传递在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。方式和机理是不同的。气体的热量传递是气体分子作不

16、规则热运动时相互碰撞的结果气体的热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果 固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。物质的导热性主要是分子传递现象的表现物质的导热性主要是分子传递现象的表现1. 傅立叶定律傅立叶定律 YTkAQyTkAQqdd（1）傅立叶定律）傅立叶定律yTcqpd)d(pck傅立叶定律傅立叶定律热量通量

17、与温度梯度成正比，负号表示热量沿着温热量通量与温度梯度成正比，负号表示热量沿着温度降低的方向传递度降低的方向传递（2）傅立叶定律的另一种形式）傅立叶定律的另一种形式2. 导热系数导热系数 yTqkdd（1）气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。度的平方根成正比。 一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。压力的升高而增大。 对于同一种物质，对于同一种物质，k值可能随不同

18、的方向变化；值可能随不同的方向变化； k值随温度变化值随温度变化bTak （3）固体的导热系数影响因素较多）固体的导热系数影响因素较多 纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。的升高而减小，非晶体则相反。 （2）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）液体的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外） 经验式经验式 压力对其影响不大。压力对其影响不大。 3. 常用的导热介质常用的导热介质 （2）在液体中，水的导热系数最大，）在液体中，水的

19、导热系数最大，20时为时为0.6W（m K）。因此，水是工程上最常用的导热介质。）。因此，水是工程上最常用的导热介质。 （3）金属的导热系数比一般的非金属大得多。非金属中，石）金属的导热系数比一般的非金属大得多。非金属中，石墨的导热系数最高，可达墨的导热系数最高，可达100200W（mK），高于一，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。腐蚀换热器的理想材料。 水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。

20、能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。 （1）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。隙中存在的气体，使导热系数变小。液体的导热系数 kkkkkk三、质量传递三、质量传递 分子扩散是分子随机运动的结果。分子扩散在气相、液相分子扩散是分子随机运动的结果。分子扩散在气相、液相和固相中均可发生。和固相中均可发生。浓度差浓度差、温度差、电场或磁场等都可能导致分子扩散。、温度差、电场或磁场等都可能导致分子扩散。 1

21、2AAccdydcDJAABAy1. 费克定律费克定律dydxcDJAABAy当当c为常数时，为常数时，cA=cxA dydaDJAABAy组分组分A的质量分数为的质量分数为 Aa表明扩散通量与浓度梯度成正比，负号表示组分表明扩散通量与浓度梯度成正比，负号表示组分A向浓度减向浓度减小的方向传递。小的方向传递。dydcDJAABAyAyJA组分的扩散通量，组分的扩散通量，kg/（m2s） dydDJAABAy费克定律表达的物理意义为：费克定律表达的物理意义为：由浓度梯度引起组分由浓度梯度引起组分A在在y方向上的质量通量方向上的质量通量=（质量扩（质量扩散系数）散系数）（y方向上组分方向上组分A的

22、质量浓度梯度）的质量浓度梯度）2.分子扩散系数分子扩散系数 dydcJDAAyAB扩散物质在单位面积、单位浓度梯度下的扩散速率，是表扩散物质在单位面积、单位浓度梯度下的扩散速率，是表征物质分子扩散能力的物理常数，其数值受体系温度、压征物质分子扩散能力的物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度等因素的影响。力和混合物浓度等因素的影响。 （1）气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为）气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为10-510-4、10-910-10、10-910-14 m2/s。（3）对于双组分气体物系，扩散系数与总压力成反比，）对于双组分气体物系，扩散系数与总压力成反比，与绝对温度的与绝对温度的1.75次方成正比，即次方成正比，即75. 1000TTppDD（2）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而降低。而增大，随压力的增加而降低。第三节第三节 涡流传递涡流传递 yudd涡流动力粘性系数涡流动力粘性系数 yTqkdd涡流导热系数涡流导热系数kdydJADA涡流质量扩散系数涡流