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1、传递过程导论化工学院 孙志仁,管道中的流体流动,换热器中的热量交换,吸收塔中的质量传递,传递现象?,前言,天然气管道输送,节能装修,烟气扩散,烟气上升,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
2、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？,1.1.2 流体受力,p 压力,剪切应力,静止流体内部 p = p0 +g h 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,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,水位降至 B 面之前（H2- H1）不变， pD 恒定，滴速不变。,B-C： pC +g H1 = pB = p0,C-D： pD = pC +g H2, pD = p0 +g（H2- H1）,原理： 流体静力学平衡定律 p = p0 +g h,数学模型,解析结果,规律结论,pD
3、 +g h +p = pE pM,工程联系高位槽流量控制,问题探讨,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？,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 ,流体层相对运动产生了内摩擦力，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,y x ：剪切应力 N/m2 , ：粘度 Ns / m 2 ,：ux 在 y 方向上的梯度,牛顿粘性定律,问题探讨剪切应力（）与动量（mu）之间有何联系？,例1-2 平板间流体流动,非定常,定常,一维问题,板间定常流动速度分布,牛顿粘性定律,边界条件,速度
4、分布,取长1、宽1、厚dy控制体，对定常流动有,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,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,傅立叶定律,qx : 导热通量 J/m2s,k : 热导率 W/mK,: 温度梯度 K/m,负
5、号表明热量由高温传向低温。,1.2.2 傅立叶导热定律,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,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,对多层串联复合圆筒，类似有,其中,AiAj分别为某层圆筒的内外面积,例1-4 管道保温,管道保温,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。,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,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
6、温度仅沿 x 方向变化，为一维非定常导热。,傅立叶定律,解得：,式中：,erf()为高斯误差函数,若温度5的大地，表面突然升至37。. 1小时后地表面下0.05m处的温度？. 0，t与t,2t内单位面积传热量之比。已知：大地 a = 4.6510 -7 m2/s。,.,.,1.2.3 费克扩散定律,JAy : 扩散通量 kmol /m 2.s,若浓度用A 表示,DAB : 扩散系数 m 2/s,: 浓度梯度,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 = 3.010-5 kmol/m3， CAW = 3.0610-4 kmo
7、l/m3，DAB = 1.5810-9 m 2/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：,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。,根据质量守恒原理,忽略高阶小量，得,（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,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。,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。,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,粘性系数,动
8、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,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,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,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？,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,2.1 质量守恒,流体在管道内流动进：W1=1 U1 A1 出：W2=2 U2 A2,累积：,生成：R = 0,根据
9、质量守恒原理,不可压流体1 =2 U1 A1 = U2 A2,对定常,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？,1.推导连续性方程,课后思考,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,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
10、一根流线上）,伯努利方程（不同流线之间）,例2-2 虹吸,原理：伯努利方程 控制面：AB,问题探讨,问题： h，U ？,20下饱和水蒸汽压强：2334Pa,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；指示液密度L。不计阻力损失，求：V = f（R）。,例2-4 吹火筒,嘴靠近 嘴远离,问题探讨水冲真空泵（水老鼠）,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？,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。,F包括压力FP、摩擦力Ff 、重力Fg、其它外力FR。,2.3 动量守恒,例2-5 飞 盘,现象问题
11、,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,飞盘,下面气体：,上面气体：,解析结果,飞盘受力：,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：,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？,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,3.1.2 流动状态的判别雷诺数Re,判据：,对圆管流动：,Re 10000 湍流 稳定
12、,临界雷诺数Rexc=2100,Re数的物理含义：,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,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,积分：,边界条件：,牛顿流体：,积分：,边界条件：,速度分布：,哈根-泊谡叶方程,流量：,平均速度：,速度分布：,速度分布：,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,课后思考,1.管
13、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？,3.2.2 管道沿程阻力压降,摩擦阻力系数,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,3.3.2 速度测试,激光测速仪,热丝(膜)流速仪,毕托管测速,例3-2 粒子成像测速仪PIV,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,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
14、方案： 管流压降与相关变量的函数关系； 管流压降无量纲数的函数关系。,例3-3 管内层流实验,选择影响过程的物理量,沿程压降,理论推导, L D U 密度 粘度 管长 管径 流速, 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, 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）,描述一个物理过程的物理量有n个(x1，x2xn),其中如含m个基本量纲，则该过程可由N=n-m个无量纲数（ ）进行描述,确定a、c、d，则,定理,欧拉数 雷诺数 长径比
15、,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,定义,摩擦阻力系数,对数坐标,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，空气的密度空气和粘度，还有重力加速度g，表面张力可忽略。,毕托管测速,3.4 湍流理论,3.4.2 时均模型,3.4.1 湍流特性. 脉动性 . 有旋性 .扩散性. 间歇性 . 拟序性 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t L 粘性应力。,
