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1、传递过程原理 湘潭大学化工学院1化学工程、环境工程专业工程硕士班传递过程原理/ 环境流体力学（水力学）讲课提纲 湘潭大学化工学院 杨运泉绪论1.动量、热量与质量传递概述a. “传递过程”概述b. “传递过程”所讨论的主要问题：过程速率及定义式c. “传递过程”的意义及用途2.单位制的问题第一章 动量热量与质量传递导论1 现象定律与传递过程的类似性1.传递过程的一般形式：分子与涡流传递2.现象定律：定义及传递过程三个基本定律3.梯度概念2 涡流传递的类似性1.涡流黏度，涡流扩散系数2.几个常用准数：Pr、 Sc 、Le 、Sh 、Nu 、Re 及其相互关系3 圆管中的稳态层流1.圆管中稳态层流的
2、速度分布及压降泊稷叶方程2.平行平板间稳态层流的速度分布与压降计算3.主体流速（平均流速）概念及定义式a.层流下的平均流速b.湍流下的平均流速：尼古拉斯布拉修斯分布律c.湍流主体的涡流粘度与层流内层中分子粘度量级的比较第二章 总质量能量及动量衡算1 总质量衡算1.概念：控制体，控制边界2.质量守恒定律一般表达式3.单组分、多组分无化学反应体系的质量衡算一般表达式4.多组分、有化学反应体系的质量衡算表达式及反应速率（生成速率）符号规定5.系统总质量衡算的普遍化方程及 Aucos dA 的意义2 总能量衡算1.流动静力学平衡方程流体连续性假定及欧拉平衡方程的推导 a.二种类型力：表面力：压力 剪力
3、体积力：惯性力 场力传递过程原理 湘潭大学化工学院2b.力的平衡：微分平衡方程 dp/=Xdx+Ydy+Zdzc.旋转容器内流体的压强分布（闭盖时）d.旋转容器内流体的自由界面形态（敞盖时）2.运动流体的平衡方程牛顿第二定律应用于理想流体（柏努利方程）a.流体运动的两种考察方法：欧拉法与拉格朗日法b.流线与轨线及其特性c.稳态流动下流体的机械能守恒方程（理想流体） d.稳态下非理想流体的机械能衡算方程e.动能项修正系数 的计算=(2n+1)(n+1) 3 /4n4(2n+3)(n+3)3 总动量衡算1.流体动量的表示 uMp2.三维流动空间中流体动量衡算方程总式及向量分式3.弯管中流体动量及弯
4、管受力分析计算第三章 粘性流体运动的微分方程及其应用1 连续性方程1.连续性方程推导2.连续性方程的分析与简化a.随体导数、 局部导数、 对流导数b.不可压缩流体的连续性方程判别式及例题3.柱和球座标系中的流体连续性方程表示2 流体运动的基本方程1.以随体导数表示的流体受力，牛顿第二定律表示法2.流体受力类型及各力大小、方向分析，力平衡方程3.剪应力与形变（线形变、角形变）关系4.法向应力的表达5.粘性流体的 Navier-Stokes 方程及讨论6. N-S 方程在柱和球座标中的表示3 N-S 方程的应用实例1.无限大平行平板间稳态层流速度分布、平均速度及压强计算2.圆形直管内的稳态层流速度
5、分布、平均速度及压强计算3.环形套管中的稳态层流速度分布、平均速度及压强计算4 爬流1.爬流概念2.球形颗粒表面上爬流的 N-S 方程球坐标解析式3.球形颗粒在流体中的受力Stokes 方程单一流线流线束传递过程原理 湘潭大学化工学院3a.形体阻力、表面阻力b.斯托克斯方程c.阻力系数 (C D)5 流线与流函数1.流线概念2.流线的基本属性3.流线方程4.流函数及其意义5.柱坐标中的流函数定义式6 势线与势函数1.势及势线概念2.势线与流线的基本关系3.势函数与势线方程及其意义第四章 边界层理论基础 1 边界层概念 a.边界层的形成b.边界层的厚度2 阻（曳）力系数与范宁摩擦系数 3 Pra
6、ndtl 边界层方程 4 边界层积分动量方程a. 边界层积分动量方程b. 流体沿平板壁面流动时层流边界层的计算平板壁阻力系数5 边界层分离与形体阻力第四章 湍流 1 湍流的特点、起因和表征 a. 湍流的特点b. 湍流的起因c. 湍流的表征时均量、脉动量d. 湍流强度与湍流标度2 雷诺方程和雷诺应力 3 湍流的半经验理论普兰德动量传递理论 4 光滑管中的湍流a.Prandtl 混合长与通用速度分布方程b.速度分布与流动阻力5 粗糙管中的湍流a.粗糙度与相对粗糙度b.速度分布与流动阻力传递过程原理 湘潭大学化工学院4第五章 热量传递理论与能量方程 1 传热方式a.传导b.对流c.辐射2 能量方程的
7、推导及特定形式 3 稳态热传导 a.无内热源的一维稳态热传导问题解析解b.有内热源的一维稳态热传导c.扩展表面的导热d.二维稳态导热的数值解4 忽略内热阻的非稳态导热集总热容法5 一维非稳态热传导问题解析解a.初始条件和边界条件b.半无限固体的不稳态导热c. 大平板的不稳态导热传递过程原理 湘潭大学化工学院5绪 论 一. 动量热量与质量传递概述1 单纯传递过程早在化工原理课程中有讨论，始于 1920 年初，三者之间的相似性与联系未受到重视，1960 年前后，才有“传递过程”课程。2 传递过程所讨论的主要问题：过程速率过程速率的一般定义：过程速率=过程动力/过程阻力或者：过程速度推动力梯度3“传
8、递过程”的用途及应用： 了解各单元（过程）的传递规律及传递机理，为过程操作设计提供理论基础 为过程的计算机模拟控制提供基础的数学模型 为过程研究提供研究的方法：二 单位制问题推荐使用国际单位制（SI）优点； 统一性：（领域 地区的统一）简明性：省去了换算因数，使各比例系数归一实用性：使用冠词，使单位可大可小。合理性：一个量与一个 SI 单位一一对应科学性：意义准确无误精确性：比较高的精度复现继承性：吸收了其他单位制的合理因数三 单位制（SI）使用注意点(略)实验(经验) 法理论法数学模型法 w= - (du/dy)/ (1/u)q= - (dt/dn) / (1/)JAB = - (dc/dy
9、) / (1/D)传递过程原理 湘潭大学化工学院6第一章 动量、热量与质量传递1 传递过程的类似性11 现象定律1. 传递过程的一般形式（机理）分子传递：纯数学理论法及相应定律描述涡流传递：纯实验方法及准数规则描述2.现象定律：用于描述分子运动引起的动量、热量及质量传递的相应定律。包括：a 动量传递牛顿粘性定律 W = -du X/dy = Fw/Ab 热量传递傅立叶定律 q= -dt/dn =Q/Ac 质量传递费克定律 JAB= - D dp/dy = G/A上述三定律称为线形现象定律（原因与现象关系）3. 梯度：某物理量在沿其传递方向的变化率，常用 Grad(x)表示12 三种通量的普遍（
10、一般）表达式1.牛顿粘性定律：= -/d(u X )/dy= -d(u X )/dy式中：、/运动黏度， m2 /s 绝对黏度，物理黏度，Pasd(u X )/dy 动量（浓度）梯度， kg/m3 s动量通量，N/m 22 .傅立叶定律q= -/Cpd(Cp t)/dn= - d(Cp t)/dn, /Cp导热系数或扩散系数，m 2 /sd(Cpt)/dn热量（浓度）梯度， J/m4 q热量通量 ，J/ m 2 s 或 W/m23.费克定律j= - Dd/dyD质量扩散系数，m 2 /s d/dy质量（浓度）梯度， kg/m4J质量通量，kg/m 2 s13 涡流传递的类似性涡流的存在将使传递
11、过程的速率显著提高。但由于涡流本身的随机性和复杂性（大小、方向、存在时间、强度等） ，使得数学描述难于实现。为了方便，仿照原来分子传递过程的相应定律，引入“涡流扩散系数”概念使之以简要的方程来表征其传递速率大小。如: = - d(u X )/dyq”= - Hdt/dn传递过程原理 湘潭大学化工学院7J= - Md/dy式中 、 H 或 M 既与流体本身性质有关又与流体湍动的程度、设备形式与结构尺寸等有关。一般无法测定，且测定结果无推广使用价值。14 普兰德准数，施密特准数及路易斯准数 Prandtl 准数： Pr=Cp /=/ 反映动量传递与热量传递的类比性Schmidt 准数：Sc= /D
12、 AB =/D AB 反映动量传递与质量传递的类比性Lewis 准数： Le=/CpD AB=/D AB= Sc/ Pr 反映热量传递与质量传递的类比性 当 Pr、Sc、Le 准数接近于 1 时，说明相应的二个传递现象具有类比性。例如 Le=1 则：对于传热过程：若 Nu=0.023 Re0.8 Pr1/3 成立对于传质过程：Sh=0.023 Re 0.8 Sc1/3 亦将成立式中：Nu= d/ , Sh=k Ld/ DAB Pr、Sc、Le 之间的关系Le=Sc/Pr=Sh/Nu2 圆管中的稳态层流21 圆管中的稳态层流时的速度分布要求满足的条件：牛顿型流体，满足牛顿粘性定律处于层流，连续稳
13、定结果： u r=umax1-(r/R)2及p=32Lu/d 2=4L u max/R2 对于任一流动状态（层、湍流）和任何流体（牛顿型、非牛顿性） ，当其稳定流动时：对圆管有： r= wr/R对平板（当下平板固定运动而上平板以 u0 运动）有：p wdy=wL( 上 - 下 )=wLd即： d/dy= p/L故: y = 0 +p/Ly=p/Ly+C 1特别地，若 y= - du/dy , 则：-d 2u/dy2=p/L 结合初始条件：y=0，u=0及边界条件： y=，u= u0= umax则：u = -p/2Ly 2 (p/2L - u 0 /) y当 p/L=0 时，上式即为著名的牛顿内摩擦定律：u= u0/y同理可证明对流体在图 2 中的平板流动时结论亦与图 1 相同，即u=0t上t下L, PP1 P2dyur,y0流 向 图 10 w传递过程原理 湘潭大学化工学院8p=2 u 0L/(/2)2uy= u01-y2/(/2)2yu0 u0 u=0u=0 图 222 主体流速截面平均流速 ub定义：u b= AudA / A dA 对层流下的粘性流体有： ub =1/2 umax对湍流，若速度分布服从尼古拉则（Nicolatz ）规则：u r= umax (R-r
