傳遞過程原理講課提綱第一章：動量、熱量與質(zhì)量傳遞

1、 化學工程、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（水力學）講課提綱湘潭大學化工學院楊運泉緒論動量、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量熱量與質(zhì)量傳遞導論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基本定律梯度概念2渦流傳遞的類似性渦流黏度，渦流擴散系數(shù)幾個常用準數(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)層中分子粘度量級的比較第二章總質(zhì)量能量及動量衡算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式單組分、多組分無化學反應(yīng)體系的質(zhì)量衡算一般表達式多組分、有化學反應(yīng)體系的質(zhì)量衡算表達式及反應(yīng)速率（生成速率）符號規(guī)定系統(tǒng)總質(zhì)量衡算的普遍化方程及滬ApucosadA的意義2總能量衡算流動靜力學平衡方程一一流體連續(xù)性假定及歐拉平衡方程的推導二種類型力：表面力：壓力剪力體積力：慣性力場力力的平衡：微分平衡方程dp/p=Xdx+Ydy+ZdzC.旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)流體的壓強分布（閉蓋時）旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)流體的自由界面形態(tài)（敞蓋時）運動流體的

3、平衡方程牛頓第二定律應(yīng)用于理想流體（柏努利方程）流體運動的兩種考察方法：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)流動下流體的機械能守恒方程（理想流體）穩(wěn)態(tài)下非理想流體的機械能衡算方程動能項修正系數(shù)a的計算a=(2n+l)(n+l)3/4n4(2n+3)(n+3)3總動量衡算l.流體動量的表示pMu三維流動空間中流體動量衡算方程總式及向量分式彎管中流體動量及彎管受力分析計算第三章粘性流體運動的微分方程及其應(yīng)用l連續(xù)性方程連續(xù)性方程推導連續(xù)性方程的分析與簡化隨體導數(shù)、局部導數(shù)、對流導數(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系中的流體連續(xù)性方程表示2流體運動的基本方程以隨體導數(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)力的表達粘性流體的Navier-Stokes方程及討論N-S方程在柱和球座標中的表示3N-S方程的應(yīng)用實例無限大平行平板間穩(wěn)態(tài)層流速度分布、平均速度及壓強計算圓形直管內(nèi)的穩(wěn)態(tài)層流速度分布、平均速度及壓強計算環(huán)形套管中的穩(wěn)態(tài)層流速度分布、平均速度及壓強計算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)及其意義柱坐標中的流函數(shù)定義式6

5、勢線與勢函數(shù)勢及勢線概念勢線與流線的基本關(guān)系勢函數(shù)與勢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邊界層積分動量方程邊界層積分動量方程平板壁阻力系數(shù)流體沿平板壁面流動時層流邊界層的計算5邊界層分離與形體阻力第四章湍流1湍流的特點、起因和表征湍流的特點湍流的起因湍流的表征一一時均量、脈動量湍流強度與湍流標度2雷諾方程和雷諾應(yīng)力3湍流的半經(jīng)驗理論一一普蘭德動量傳遞理論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阻力5粗糙管中的湍流粗糙度與相對粗糙度速度分布與流動阻力第五章熱量傳遞理論與能量方

6、程 1傳熱方式a傳導對流輻射2能量方程的推導及特定形式3穩(wěn)態(tài)熱傳導無內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導問題解析解有內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導擴展表面的導熱二維穩(wěn)態(tài)導熱的數(shù)值解4忽略內(nèi)熱阻的非穩(wěn)態(tài)導熱集總熱容法5一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導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)導熱大平板的不穩(wěn)態(tài)導熱 一.動量熱量與質(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=過程動力/過程阻力q=-（dt/dn）/（1/入）或者：過程速度*推

7、動力梯度Jab=-（dc/dy）/（1/D）3“傳遞過程”的用途及應(yīng)用：礎(chǔ)的數(shù)學模型實驗（經(jīng)驗）法理論法數(shù)學模型法了解各單元（過程）的傳遞規(guī)律及傳遞機理，為過程操作設(shè)計提供理論基礎(chǔ)為過程的計算機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；統(tǒng)一性：（領(lǐng)域地區(qū)的統(tǒng)一）簡明性：省去了換算因數(shù)，使各比例系數(shù)歸一實用性：使用冠詞，使單位可大可小。合理性：一個量與一個SI單位對應(yīng)科學性：意義準確無誤精確性：比較高的精度復現(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（略） 傳遞過程原理湘潭大學化工學院第一章動量、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(機理)分子傳遞：純數(shù)學理論法及相應(yīng)定律描述渦流傳遞：純實驗方法及準數(shù)規(guī)則描述2.現(xiàn)象定律：用于描述分子運動引起的動量、熱量及質(zhì)量傳遞的相應(yīng)定律。包括a動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)表達式1.牛頓粘性定律：T=-p/pd(p)/dy=-ud(p)/dy式中：U、J/p一運動黏度，m2/sJ絕對黏度，物理黏度，Pasd(p)/dy一動量(濃度)梯度，

9、kg/m3sT一動量通量，N/m22.傅立葉定律q=-入/pCpd(pCpt)/dn=-ad(pCpt)/dna入/pCp導熱系數(shù)或擴散系數(shù)，m2/sd(pCpt)/dn一熱量(濃度)梯度，J/m4q一熱量通量，J/m2s或W/m2費克定律j=-Ddp/dyD一質(zhì)量擴散系數(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性和復雜性(大小、方向、存在時間、強度等)，使得數(shù)學描述難于實現(xiàn)。為了方便，仿照原來分子傳遞過程的相應(yīng)定律，引入“渦流擴散系數(shù)”概念使之以簡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)又與流體湍動的程度、設(shè)備形式與結(jié)構(gòu)尺傳遞過程原理湘潭大學化工學院. 寸等有關(guān)。一般無法測定，且測定結(jié)果無推廣使用價值。14普蘭德準數(shù)，施密特準數(shù)及路易斯準數(shù)Prandtl準數(shù)：Pr=Cp/入=Ua反映動量傳遞與熱量傳遞的類比性pSchmidt準數(shù)：Sc=p/pDAB=UDAB反映動量傳遞與質(zhì)量傳遞的類比性ABABLewis準數(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_Pr、Sc、Le.準數(shù)接近于1一時，說明相應(yīng)的二個傳遞現(xiàn)象具有類比性。例如Le=l貝I：對于傳熱

11、過程：若Nu=0.023Reo$Pri/3成立對于傳質(zhì)過程：Sh=0.023Re?！盨c3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%代對于任一流動狀態(tài)（層、湍流）和任何流體（牛頓型、非牛頓性），當其穩(wěn)定流動時：對圓管有：T=Tr/Rrw即：dT/dy=AT-T上下圖1對平板（當下平板固定運動而上平板以u0運動）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當時，上式即為著名的牛頓內(nèi)摩擦定律：=0/6同理可證明對流體在圖2中的平板流動時結(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對層流下的粘性流體有：ub=1/2umaxbmax對湍流，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)實驗測定當Re在4x1041.1x105時，n=6,u/u=72/91=0.791；bmax1.1x1053.2x106時，n=7，u/u=49/60=0.817；bmax3.2x106時，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