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1、 研究生课程教学大纲研究生课程教学大纲（科学学位科学学位 专业学位）专业学位）课程名称课程名称 动量、热量和质量传递过程原理动量、热量和质量传递过程原理 所在院（所、部）所在院（所、部） 化工学院化工学院 学科点或课程组学科点或课程组 化学工程与技术化学工程与技术 湘潭大学研究生处制湘潭大学研究生处制2011 年年 2 月月 12 日日2一、课程基本信息课程代码：0817003 课程名称：动量、热量和质量传递过程原理 英文名称：Fundamentals of Momentum, Heat & Mass Transfer 课程类别：专业基础课 学 时：45 学时 学 分：3 学分 适用对象：化学
2、工程与技术一级学科科学学位硕士研究生 考核方式：闭卷考试；平时考核以考勤和作业形式进行；平时成绩与期末成绩 的比例为 2:8。 先修课程：高等数学、数理方程、数值计算、化工原理二、课程简介本课程以类比的方法论述粘性流体的动量、热量和质量传递过程基本原理， 借助数学方法，应用分子传递理论、边界层理论和湍流理论对这些传递过程的 速率问题进行分析，建立描述过程速率的基本微分方程，并对一些特定条件下 的传递过程速率问题进行求解和工程实际应用讨论。三、课程性质与教学目的课程性质：化学工程与技术一级学科科学学位硕士研究生基础理论课程。 教学目的：通过本课程的学习，帮助学生较深入地了解和掌握化工过程中质量、
3、 动量和能量传递的基本规律和发生机制，找出描述过程规律的正确方法和研究 方法；根据过程的基本规律及其基本理论，正确地设计、选择过程进行所需的 适当单元设备来完成指定的操作任务；为强化、调节或控制过程进行的程度， 正确组织和决策工业生产提供理论基础。帮助学生强化 “工程观念”，为其所从 事的科技开发工作提供基础数学模型，并为学生在化学反应工程、化工分离过 程、化工传热与节能等专业课学习打好理论基础。四、教学时数分配教学环节教学环节教学时数教学时数 课程内容课程内容授课授课研讨课研讨课上机与上机与 实验实验小计小计第一章动量、热量和质量传递导论3h3h/6h 1动量、热量和质量传递理论发展历史1h
4、/1h32动量、热量和质量传递现象及其类似 性1h/1h3圆管中的稳定层流1h /1h 4总质量、总动量和总能量衡算/3h/3h 4.1 总质量衡算 /1h/ 4.2 总能量衡算/1h/ 4.3 总动量衡算 /1h/第二章粘性流体流动的微分方程8h7h/15h 1连续性方程2h/2h 2运动方程3h/3h 3运动方程的应用/5h/5h 3.1 平壁间的稳定层流/1h/ 3.2 圆管和环形套管中的稳定层流/1h/ 3.3 爬流/1h/ 3.4 流线和流函数/1h/ 3.5 势线和势函数/1h/ 4边界层理论3h2h/5h 4.1 边界层概念和阻力系数1h/ 4.2 边界层微分方程1h/ 4.3
5、边界层积分动量方程及其应用/2h/ 4.4 边界层分离1h/第三章湍流4h/4h 1湍流的特点、起因和表征1h/1h 2雷诺方程和雷诺应力1h/1h 3普兰德动量传递理论1h/1h4光滑和粗糙圆管中的湍流阻力1h/1h第四章热量传递理论与能量方程6h3h/9h 1热量传递的基本方式1h/1h 2能量方程1h/1h 3热传导/3h/3h 3.1 稳态热传导/1h/ 3.2 无内热阻的非稳态热传导/1h/ 3.3 一维非稳态热传导的解析解 /1h/ 4对流传热4h/4h 4.1 对流传热机理和膜系数1h/ 4.2 层流下的热量传递1h/ 4.3 湍流下的热量传递1h/ 4.4 相变过程传热1h/第
6、五章质量传递概论和传质微分方程 11h/11h 1分子传质和对流传质1h/1h42分子传质速率与通量1h/1h 3质量传递微分方程1h/1h 4分子扩散传质4h/4h 4.1 稳态分子扩散的通用速率方程1h/ 4.2 气体中的分子扩散1h/ 4.3 液体中的分子扩散1h/ 4.4 固体中的分子扩散1h/ 5对流传质4h/4h 5.1 对流传质系数1h/ 5.2 层流下的质量传递1h/ 5.3 湍流下的质量传递1h/ 5.4 对流传质关联系数1h/合计合计32h13h/45h五、教学内容及要求第一章第一章动量、热量和质量传递导论动量、热量和质量传递导论 （一）目的与要求 1.了解传递理论的发展历
7、史； 2.了解和掌握不同传递过程之间的类似性和表达规律； 3.掌握传递过程总质量、总动量和总能量衡算方法。 （二）教学内容第一节第一节 动量、热量和质量传递理论发展历史动量、热量和质量传递理论发展历史 1主要内容：动量、热量和质量传递理论发展历史；传递过程速率的一般定义方法；学习“传递过程”课程的目的；单位制问题。 2基本概念和知识点：传递过程速率的一般定义。 3问题与应用（能力要求）：掌握单位制换算问题。 第二节第二节 动量、热量和质量传递现象及其类似性动量、热量和质量传递现象及其类似性 1主要内容：传递现象定律及其类似性； 2基本概念和知识点：梯度；现象定律；通量；几个与传递过程相关的 重
8、要准数及其物理意义。 3问题与应用（能力要求）：几个准数的计算及关联。 第三节第三节 圆管中的稳定层流圆管中的稳定层流 1主要内容：圆管中稳态层流时的速度分布；截面平均流速。 2基本概念和知识点：层流；圆管中稳态层流时的速度分布和截面平均 流速。 3问题与应用（能力要求）： 圆管中稳态层流时的速度分布式推导及5压降计算。 第四节第四节 总质量、总动量和总能量衡算总质量、总动量和总能量衡算 1主要内容：传递过程的总质量、总动量和总能量衡算。 2基本概念和知识点：连续流动系统的质量、动量和能量守恒定律及其 表达；理想流体柏努利方程。 3问题与应用（能力要求）：具有化学反应的多组分连续流动体系物料
9、衡算；流体动量的表达及流动体系的动量守恒计算；夹角弯管的受力 分析。 （三）思考与研究 1. 几个与传递过程相关的重要准数及其物理意义，准数之间的关联方法， 因次一致性原则。 2. 从牛顿第二定律出发得到的机械能守恒方程和动量守恒方程其联系与 区别。 3. 流体机械能与固体机械能的联系与区别。 4. 流体运动的复杂性基本原因何在。 5. 流体运动过程产生阻力的主要内在原因何在。 6. 梯度与现象定律之间的基本关系；不同传递过程之间类似性的联系与 表达方法。第二章第二章 粘性流体流动的微分方程粘性流体流动的微分方程 （一）目的与要求 1.掌握流体连续性方程的推导方法、方程的物理意义及其在判断流体
10、 可压缩性方面的应用；2.掌握流体微元运动的受力分析、Navier-Stokes 方程推导方法； 3.掌握流体在规则物体表面层流运动时的 Navier-Stokes 方程解析计算 方法； 4.掌握爬流、流线、势线概念，掌握流函数和势函数的数学定义表达 及物理意义； 5.掌握边界层概念及边界层微分和积分动量方程的应用； 6.了解边界层分离的基本原理和流体阻力的形成机制。 （二）教学内容第一节第一节 流体运动的连续性方程流体运动的连续性方程 1主要内容：流体连续性假定；流体线形变与体形变；流体线形变与体 形变速率；流体的可压缩性及其判别。 2基本概念和知识点：连续流体；流体线形变与体形变及其形变速
11、率； 随体导数、对流导数、局部导数。63问题与应用（能力要求）：掌握（直角、柱、球等）不同座标系中连 续性方程的推导方法；掌握利用连续性方程判断流体可压缩性的方法。第二节第二节 流体运动的流体运动的 Navier-Stokes 方程方程 1. 主要内容： 流体运动的考察方法；流体微元运动的受力分析；剪应 力与角变形的关系；Navier-Stokes 方程推导方法。 2. 基本概念和知识点：轨线；流线；剪切应力；法向应力；流体角形变 速率。 3. 问题与应用（能力要求）：掌握直角座标系中 Navier-Stokes 方程的 推导方法。 第三节第三节 流体运动的流体运动的 Navier-Stoke
12、s 方程应用方程应用 1. 主要内容：应用 Navier-Stokes 方程求解稳定层流下平壁间、圆管内 和环形套管间的流体速度分布和压降计算；爬流下颗粒的沉降速度及 运动阻力；流函数方程和流线计算；势函数方程和势线计算。 2. 基本概念和知识点：流线和流函数意义；势线和势函数意义；爬流； 表面阻力；形体阻力；Stokes 方程；流线与势线的正交关系。 3. 问题与应用（能力要求）：掌握流体在规则物体表面层流运动时的 Navier-Stokes 方程解析计算基本方法。 第四节第四节 边界层理论边界层理论 1.主要内容：边界层形成机制；阻力系数与范宁系数定义；二维理想流 体运动边界层方程的量级分
13、析方法；普兰德边界层微分方程；卡门边 界层动量积分方程推导及其应用；布拉修斯公式；充分发展的边界层； 边界层分离机制。2.基本概念和知识点：Prandtl 边界层；范宁系数；量级分析方法；卡 门边界层动量积分方程。 3.问题与应用（能力要求）：掌握运用卡门边界层动量积分方程计算边 界层厚度的方法。 （三）思考与研究 1. 流体连续性假定的科学意义和适应条件。 2. 不同（直角、柱、球）座标系中流体连续性方程的推导方法。 3. 二维平面上牛顿粘性定律的表达方法。 4. 对流导数的物理意义。 5. 不同（直角、柱、球）座标系中 Navier-Stokes 方程程的推导方法。 6. 计算流体力学的学
14、科内容与 Navier-Stokes 方程的关系。 7. 运用边界层分离原理，讨论高速运动物体减阻设计的原则和方法。7第三章第三章 湍流湍流 （一）目的与要求 1了解湍流的特点、起因和表征方法； 2掌握流体运动的时均值、瞬时值和脉动值之间关系； 3掌握雷诺转换的基本法则、雷诺应力的表达方法； 4掌握普兰德混合长的基本理论和假定； 5掌握圆管中湍流下阻力计算的方法。 （二）教学内容 第一节第一节 湍流的特点、起因和表征湍流的特点、起因和表征 1. 主要内容：湍流的特点、起因和表征方法。 2. 基本概念和知识点：湍流的概念；湍流所对应的临界雷诺数；时均量 与脉动量；湍流强度与标度及其物理意义。 3
15、. 问题与应用（能力要求）：掌握湍流强度的计算方法。 第二节第二节 雷诺方程和雷诺应力雷诺方程和雷诺应力 1. 主要内容：时均值计算规则；雷诺应力与脉动速度关系；雷诺运动方程。2. 基本概念和知识点：雷诺应力。 3. 问题与应用（能力要求）：掌握雷诺应力与脉动速度的关系。 第三节第三节 普兰德动量传递理论普兰德动量传递理论 1. 主要内容：普兰德混合长假定；普兰德混合长理论的意义。 2. 基本概念和知识点：普兰德混合长概念。 3. 问题与应用（能力要求）：掌握普兰德混合长的物理意义及其在解决湍 流状态下流体阻力计算的作用。第四节第四节 光滑和粗糙圆管中的湍流阻力光滑和粗糙圆管中的湍流阻力 1.
16、 主要内容：光滑管中湍流速度分布规律；粗糙管中湍流速度分布规律； 速度衰减定律；卡门（Von Karman）方程；尼古拉则（Nikuradse）方 程。 2. 基本概念和知识点：摩擦速度；无因次速度；无因次层流内层厚度； 粗糙度；相对粗糙度；摩擦系数。 3. 问题与应用（能力要求）：掌握运用卡门方程或尼古拉则方程计算光 滑或粗糙圆形管道中湍流状态下流体流动阻力的方法。 （三）思考与研究 1普兰德混合长与湍流标度之间的区别和联系。 2湍流下流体高频脉动的本质和后果。83提出雷诺应力的理论意义何在。 4Navier-Stokes 方程与雷诺方程之间的联系与区别。 5标度的物理意义。 6涡流粘度的属性和影响因素是什么。第四章第四章 热量传递理论与能量方程热量传递理论与
