传递过程导论

传递过程导论第1页/共135页天然气管道输送第2页/共135页节能装修第3页/共135页烟气扩散烟气上升第4页/共135页高尔夫Golf由绿（Green）、氧气（Oxygen）、阳光（Light）和友谊（Friendship）四个单词组成。流传十五世纪一位苏格兰牧人在放牧时，偶然用一根棍子将一颗圆石击入野兔子洞中，从中得到启发，发明了后来称为高尔夫球的运动。十八世纪开始流传到世界各地，并逐渐奠定了优雅、高贵的形象，作为一种时尚或某种身份的隐约暗示。第5页/共135页第一章分子传递现象1.1你了解“流体”吗？1.1.1基本假定—连续介质模型连续介质模型流体微团相对于分子尺度足够大，相对于设备尺度充分小，且连续一片。微团尺度对密度的影响流体内有空隙吗？第6页/共135页1.1.2流体受力p

压力τ剪切应力第7页/共135页静止流体内部

p=p0

+ρgh

流体静力学平衡定律剪切变形剪切变形速率速度梯度加速度随体导数第8页/共135页例1-1吊盐水

吊盐水中恒定滴速

控制面C、B、D、E现象问题物理模型第9页/共135页水位降至B面之前（H2-

H1）不变，pD恒定，滴速不变。B-C：pC

+ρgH1

=pB

=p0C-D：pD

=pC

+ρgH2∴pD=p0

+ρg（H2-H1）原理：流体静力学平衡定律

p=p0

+ρgh数学模型解析结果规律结论第10页/共135页pD+ρgh

+Δp

=pE

>

pM

工程联系高位槽流量控制问题探讨第11页/共135页课后思考1.农家的烟囱为什么能自动排烟？2.工厂的烟囱为什么造得那么高？第12页/共135页1.1.3流体流动截面平均速度体积流率质量流率[m/s][m3/s][kg/s]第13页/共135页

流体层相对运动产生了内摩擦力τ，宏观表现为流体的“粘性”。1.2分子传递机理1.2.1牛顿粘性定律第14页/共135页τyx

：剪切应力[N/m2

]μ

：粘度[N·s/m2]

：ux在y

方向上的梯度

牛顿粘性定律

问题探讨剪切应力（τ）与动量（mu）之间有何联系？第15页/共135页例1-2平板间流体流动非定常定常

一维问题第16页/共135页

板间定常流动速度分布牛顿粘性定律边界条件速度分布取长1、宽1、厚dy控制体，对定常流动有第17页/共135页课后思考4.

由奈维-斯托克斯方程(教材P226,式6-10)简化求解例1-2

平板间流体的速度分布。3.在单位面积流体表面上标出力F的各个分量及符号。奈维-斯托克斯方程平板间流体的速度分布第18页/共135页牛顿流体与非牛顿流体

凡符合牛顿粘性定律的流体，称牛顿流体，不符合的称非牛顿流体。牛顿流体：水、空气、甘油、天然气等幂律流体宾汉流体：牙膏、雪花膏等非牛顿流体凯森流体：血液、油漆等假塑性流体：CMC溶液、油墨等胀塑性流体：淀粉糊、阿拉伯树胶等第19页/共135页傅立叶定律qx:导热通量[J/m2·s]k

:热导率[W/m·K]:温度梯度[K/m]负号表明热量由高温传向低温。1.2.2傅立叶导热定律第20页/共135页平壁玻璃内的温度分布通过平壁玻璃的导热速率例1-3玻璃窗散热第21页/共135页对多层串联复合平壁

热流体对流传热给壁面，平壁内导热传给另一侧壁面，再对流传给冷流体。类似欧姆定律有第22页/共135页对多层串联复合圆筒，类似有其中Ai﹑Aj分别为某层圆筒的内外面积例1-4管道保温第23页/共135页管道保温第24页/共135页最大散热临界半径

对R0管道，保温层加厚，起散热作用。当大于C点时，才保温。第25页/共135页5.用双层玻璃取代单层玻璃能节省多少能量?6.家用和工业用电热棒结构如图，石英砂层阻碍加热吗？课后思考第26页/共135页例1-5大地升温

大地初始温度T0，突然暖风吹来，温度升为TW，并维持不变。大地内温度仅沿x方向变化，为一维非定常导热。第27页/共135页傅立叶定律第28页/共135页解得：式中：erf(η)为高斯误差函数第29页/共135页若温度5℃的大地，表面突然升至37℃。⑴.1小时后地表面下0.05m处的温度？⑵.[0，t]与[t,2t]内单位面积传热量之比。已知：大地a=4.65×10-7

m2/s。⑴.⑵.第30页/共135页1.2.3费克扩散定律JAy:扩散通量[kmol/m2.s]若浓度用ρA

表示DAB:扩散系数[m2/s]:

浓度梯度第31页/共135页例1-6湖水中的氧扩散

冰冻的湖面融化，水中的氧含量随时间，沿深度变化。式中：查误差函数表得已知：CA0=3.010-5kmol/m3，

CAW

=3.0610-4kmol/m3，DAB=1.5810-9m2/s。求：三天后，离湖面0.06m深处的氧浓度。

将湖水简化为半无限大平壁，氧扩散为非定常分子扩散。氧浓度为解：第32页/共135页例1-7缓释药片的扩散速率

在药粒外包覆一层薄膜,药物以分子扩散方式通过薄膜,实现缓释作用。第33页/共135页根据质量守恒原理忽略高阶小量，得第34页/共135页（CA0、CAW恒定）积分再积分代费克定律得边界条件薄膜内浓度分布第35页/共135页缓释速率

问题探讨缓释速率的控制药粒浓度CA0，薄膜材料DAB，薄膜厚度δ。第36页/共135页课后思考7.缓释化肥和缓释农药有何优点。如何控制其缓释速率。第37页/共135页1.3类似现象费克分子扩散定律傅立叶导热定律牛顿粘性定律第38页/共135页粘性系数

动量浓度热量通量导温系数

热量浓度动量通量扩散系数

质量浓度质量通量第39页/共135页平壁玻璃的导热速率缓释药片的扩散速率平板间流动阻力第40页/共135页传递现象的本质三传之间的类似，对传递现象的研究奠定了基础。分子热运动碰撞交换完成传递第41页/共135页式中：式中：例1-8半无限大平壁非定常分子传递现象问题探讨动量传递中类似的现象？第42页/共135页课后思考8.平板间流体流动与传热、传质中何种现象类似？9.平壁传热与传质中何种现象类似？？？第43页/共135页第二章有限控制体分析—守恒原理确定对象及范围：控制面

控制体第44页/共135页2.1质量守恒流体在管道内流动进：W1=ρ1

U1

A1

出：W2=ρ2

U2

A2累积：生成：R=0根据质量守恒原理不可压流体ρ1=ρ2

U1

A1=U2

A2

对定常第45页/共135页例2-1高位槽加料

高位槽加料时，若出料和进料速度恒定，求槽内液位上升速度。解：根据质量守恒原理

问题探讨不调节出料阀K2，U2是否能保持恒定？第46页/共135页1.推导连续性方程课后思考第47页/共135页理想流体流动的机械能守恒式:动能静压能位能(单位体积)一维流动无换热无外功无支流定常不可压同一水平面上：伯努利方程三种能量之间可以相互转换，但总和不变。2.2机械能守恒第48页/共135页

课外链接

欧拉方程

参考书：戴干策、陈敏恒编著，《化工流体力学》

化学工业出版社，1988，P148-152

沿流线积分

无旋条件下积分

伯努利方程（同一根流线上）

伯努利方程（不同流线之间）第49页/共135页例2-2虹吸原理：伯努利方程控制面：A—B第50页/共135页问题探讨问题：Δh，U

？20℃下饱和水蒸汽压强：2334Pa第51页/共135页解：应用伯努利方程例2-3文丘里流量计已知：流体流经如图管道，密度ρ；指示液密度ρL。不计阻力损失，求：V=f（R）。第52页/共135页例2-4吹火筒

嘴靠近嘴远离问题探讨水冲真空泵（水老鼠）第53页/共135页课后思考2.你了解座便器的抽吸原理吗？3.当列车进站时，为什么要站在安全线后？第54页/共135页牛顿第二定律：对定常管流：矢量式可用x，y，z方向的分量式计算。ΣF包括压力FP、摩擦力Ff、重力Fg、其它外力FR。2.3动量守恒第55页/共135页例2-5飞盘现象问题

旋转飞盘能在空中平行飞行物理模型数学模型控制体动量守恒定律第56页/共135页飞盘下面气体：上面气体：解析结果飞盘受力：第57页/共135页问题：固定喷嘴所需的力动量变化率：合力：解：选控制体，以表压计。例2-6喷嘴固定喷嘴所需的力：第58页/共135页课后思考4.水以2m/s的流速从直径为10cm的圆管中流出，垂直射向对面的容器平壁，求水流对容器壁的冲击力。5.用软管浇水时，一不小心滑落，水管会安静地躺在地上吗？第59页/共135页

层流湍流分子传递抛物面涡流传递对数3.1.1雷诺试验3.1

流动状态—层流与湍流第三章动量传递第60页/共135页3.1.2

流动状态的判别—雷诺数Re判据：对圆管流动：Re<2100

层流稳定2100<

Re<10000

过渡流介稳

Re>10000

湍流稳定临界雷诺数Rexc=2100第61页/共135页Re数的物理含义：第62页/共135页3.2管内层流3.2.1管内层流速度分布——抛物线分布3.2.2管道沿程阻力——压降摩擦阻力系数第63页/共135页动量变化率：动量守恒：薄壳圆环微元控制体合力：3.2.1管内层流速度分布——抛物线分布第64页/共135页

积分：边界条件：第65页/共135页牛顿流体：

积分：边界条件：

速度分布：第66页/共135页哈根-泊谡叶方程

流量：

平均速度：

速度分布：

速度分布：第67页/共135页

家用燃气热水器因煤气压力较小致使水温偏低，若将原有1/2英寸(内径15.75mm)的煤气管道用3/4英寸(内径21.25mm)管道替换。试求：两种管道的流率之比。解：设流动为层流例3-1煤气管道安装第68页/共135页课后思考1.管内层流截面上最大速度在何处？最大速度与截面平均速度的比值？2.奥氏粘度计和乌氏粘度计测量粘度的原理？使用中应注意哪些问题？第69页/共135页3.2.2管道沿程阻力—压降摩擦阻力系数第70页/共135页3.3.1流场显示示踪法光学法3.3研究流体流动的实验方法第71页/共135页3.3.2速度测试激光测速仪热丝(膜)流速仪毕托管测速第72页/共135页例3-2粒子成像测速仪PIV

第73页/共135页3.3.3量纲分析物理方程量纲和谐基本量纲导出量纲质量[M]、长度[L]、时间[T]、温度[K]速度[LT-1]、粘度[ML-1T-1]、力[MLT-2]等无量纲数雷诺数努塞尔数等第74页/共135页考察对象：牛顿流体在长直光滑水平圆管中作定常层流流动。求解问题：管流压降变化规律。解决方案：①管流压降与相关变量的函数关系；②管流压降无量纲数的函数关系。例3-3管内层流实验第75页/共135页选择影响过程的物理量沿程压降理论推导

ρμLDU

密度粘度管长管径流速第76页/共135页①管流压降与相关变量的函数关系

采用控制变量法（即只改变一个变量，其它变量保持常数），上式分解为实验求得函数关系需要注意：以上实验结果是针对某一特定的管道系统第77页/共135页②管流压降无量纲数的函数关系幂指数形式量纲形式（基本量纲：质量[M]、长度[L]、时间[T]）

第78页/共135页描述一个物理过程的物理量有n个(x1，x2…xn)其中如含m个基本量纲，则该过程可由N=n-m个无量纲数（π

）进行描述确定a、c、d，则π定理欧拉数雷诺数长径比第79页/共135页通过实验求函数关系

对牛顿流体在长直光滑水平圆管中作定常层流流动的系统，上图的结果皆适用。压降与长度成正比，有第80页/共135页定义摩擦阻力系数对数坐标第81页/共135页课后思考3.如何利用毕托管测量圆管内流体流量？毕托管测速安装需注意哪些问题？4.用量纲分析法决定雨滴从静止云层中降落的终端速度ut的无量纲数。考虑影响雨滴行为的变量有：雨滴的半径r，空气的密度ρ空气和粘度μ，还有重力加速度g，表面张力σ可忽略。毕托管测速第82页/共135页3.4湍流理论3.4.2时均模型3.4.1

湍流特性①.脉动性②.有旋性③.扩散性④.间歇性⑤.拟序性⑥耗能性湍流混合层中的涡结构

脉动值«时均值，仅几%

。但频率极高，几百次/s。脉动产生的附加应力τt

»τL

粘性应力。第83页/共135页对脉动用统计方法描述对时均用唯象理论描述湍流强度相关系数湍流尺度雷诺应力涡流粘度模型混合长模型湍流场总剪切应力：第84页/共135页通用速度分布：

y+<5：

u+=y+5<y+<30：

u+

=5.05lny+-3.05y+>30：

u+

=2.5lny++5.53.4.3壁面湍流速度分布第85页/共135页定义：布拉休斯经验阻力定律第86页/共135页例3-4管内流动截面上的速度已知：U、D、（0,5]u+=y+

（5,30]

u+=5.05lny+-3.05

（30,∞）u+=2.5lny++5.5ux=u+u*层湍第87页/共135页解：f=0.079Re-1/4=7.80×10-3

湍流若水以平均流速0.21m/s，在直径为50mm的圆管中作湍流流动。已知：μ=1.005×10–3Pa.s，ρ=1000kg/m3。试求：U/umax=？y=25mm

，ux=umaxu+=2.5lny++5.5=19.94ux

=umax=u+u*

=0.259m/sU/umax=0.21/0.259≈0.8第88页/共135页对粗糙管布拉休斯经验阻力定律3.4.4圆管湍流压降第89页/共135页课后思考5.房地产开发使某地区居住人口增加，生活用水量增大，需更换原有主供水管道。若用水量增加十倍，水管道管径应增加几倍？6.油轮卸油，油品密度800kg/m3、粘度0.75cP，输油管道内径0.3m。若使流量达到3000m3/h，求长400m管道的压降？第90页/共135页3.5

边界层理论第91页/共135页1904年，普朗特提出“边界层”概念3.5.1

概念和特点

流体区域以99%U

作为边界，内层区为粘性流体ux，外层区为理想流体U。第92页/共135页特点①.慢：边界层内ux<U0

，壁面ux=0

。③.陡：很大。④.

增：x↑，δ↑。②.薄：δ<<x

。⑨.

逆压，失速会分离（绕曲面流动时的表现）。⑤.

旋：微团有旋。⑥.

惯、粘同量级：惯性力与粘性力在边界层内量级相当。⑦.

截面等压力：无压差流动。⑧.

流型会转变：x>xc时，层流→湍流。第93页/共135页层流湍流3.5.2平板边界层阻力临界雷诺数Rexc=5105第94页/共135页3.5.3圆管进口段管内流动状态与边界层发展的关系：层流：Le≈100D

湍流：Le≈50D

层流汇交，层流湍流汇交，湍流进口段：沿流动方向ux

分布变化，中心速度加速，边界层厚度增加直至交汇。第95页/共135页3.5.4绕球边界层分离边界层分离条件层流边界层分离湍流边界层分离失速第96页/共135页3.6绕流阻力—阻力系数3.6.1

阻力机理τ摩擦阻力DF；与接触面有关。

p

压差（形体）阻力Dp；与形状有关。两者相对大小取决于：第97页/共135页定义：A

迎流投影面绕球爬流（Re<1）：斯托克斯阻力定律问题探讨落球法测粘度3.6.2

阻力系数第98页/共135页①.爬流区：无尾流。例3-5CD~Re变化曲线②.卡门涡街区：尾流从稳定变为不稳定。两侧交替，对称，有周期地释放旋涡。③.阻力平方区：层流边界层分离，Re↑，D↑而CD不变。④.阻力危机区：当Re≈3×105

时，层流边界层转变为湍流边界层分离。尾流区大幅度减小，总阻力D↓↓，因而使CD↓↓。⑤.湍流区：Re↑，CD↑。第99页/共135页①.流线型

3.6.3减阻③.吹喷技术②.包橡皮膜④.加减阻剂⑤.人工湍流⑥.开缝导流

水中加5ppm的聚氧化乙烯，当Re=1×105时，摩擦阻力系数可减小40%。第100页/共135页课后思考7.高尔夫球为什么是“麻子球”，而不是光滑球？8.流体流经图示弯管时的阻力称局部阻力,其形状与边界层分离有何关系?第101页/共135页第四章热量传递影响因素：①.物性特征：ρ

、k、

CP

、μ等。

（物性是温度的函数，特性温度）②.几何特征：尺度、形状、方位等。③.动力学特征：流动状态（层流、湍流）等。4.1

传热机理热传导，热对流，热辐射。例4-1热水瓶保温第102页/共135页例4-2芯片散热增大传热面积提高传热系数减小接触热阻第103页/共135页傅立叶定律4.1.1热传导qx:导热通量[J/m2·s]k

:热导率[W/m·K]:温度梯度[K/m]负号表明热量由高温传向低温。第104页/共135页其规律符合牛顿冷却定律：式中：h

对流传热系数[W/m2·K]，通常由实验测定。湍流>层流、强制对流>自然对流、相变>无相变Q=qA=hA（TW

-Tf）

流体相对于固体作宏观运动时，引起微团尺度上的热量传递。4.1.2热对流第105页/共135页4.1.3热辐射ε:黑度，由实验测得，其值为0~1C0:黑体辐射系数，其值为5.67[W/m2·K4]T:绝对温度[K]防热辐射套装第106页/共135页4.2

管内层流换热工业上常见的圆管加热方式有两种：①.恒壁温（夹套蒸气加热）TW=常数②.恒热流（电加热）qW=常数截面平均温度Tb随z的变化如下图：截面的温度分布T决定换热效果第107页/共135页

在dz段上壁面处的导热速率应等于流体和壁面之间的对流换热速率。壁面处导热速率：对流换热速率：Q=h2πRdz(TW-Tb)

问题探讨圆管层流换热细管好,还是粗管好?对圆管层流换热恒TW：Nu=3.66恒qW：Nu=4.36定义努塞尔数第108页/共135页管壳式换热器板式换热器4.3间壁式换热器工程上：Q=KAΔT式中：K称传热系数强化传热途径：①增大A，②提高ΔT，③强化K。第109页/共135页例4-3

环氧树脂的加热静态混合器盘管加热器第110页/共135页课后思考1.制皂生产中需通过加热减压蒸发将皂基中的多余水份除去。生产过程中，发现减压蒸发器出口皂基含水率升高。检查换热器，蒸汽温度不变，皂基流量和进口温度不变，只是出口温度降低。技术员怀疑是管内的传热系数变化所致。你认为呢？第111页/共135页

4.4绕流传热4.4.1传热边界层类似流动边界层，以T-TW=99%（T0-TW）为界线。第112页/共135页问题探讨芯片冷却速率热边界层厚度湍流层流第113页/共135页课后思考2.用传热边界层分析圆管热进口段特点。并与流动进口段对比。3.图示圆管局部传热系数随z变化关系，讨论其规律。第114页/共135页4.4.2绕圆柱传热①．层流边界层发展，δT↑，hθ

↓；至约81°处，边界层分离，hθ

↑；原因是旋涡冲刷表面。②．先是层流边界层发展,δT↑,hθ

↓；层流→湍流，hθ

↑↑,而后湍流边界层发展,δT↑,hθ

↓；至约130°处，湍流边界层分离，又促使hθ

↑。hθ

随θ的变化第115页/共135页毕奥数Bi<0.1

反应器中的球形催化剂颗粒体积V，表面积A，初始温度T0，通入温度为Tf的热气流，颗粒温度将随时间升高。简化：忽略颗粒内部导热热阻，集总参数法。4.4.3小球传热（1）传热原理第116页/共135页T时刻通过对流换热，颗粒的加热量

Q1=hA（Tf-T）颗粒的热量变化率能量守恒Q1=Q2

温度随时间变化关系第117页/共135页（2）远程实验①控制界面35第118页/共135页②实验视频35:86第119页/共135页小球温度随时间的变化关系数据处理（3）实验结果讨论第120页/共135页自然对流强制对流流化床