《传热与传质学第十四章 对流传质1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传热与传质学第十四章 对流传质1（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第十四章 对 流 传 质,思 考：,对流换热是什么传热机理作用的结果？ 对流换热影响因素是什么？ 对流换热系数是一个物性量吗？,定义：流体与相界面之间所发生的质量传递过程称为对流传质 公式：对流传质的速度方程（类似牛顿冷却定律） NAkccA 对流传质过程由两种作用完成： 1.对流传递作用：在对流条件下，流体质点不断运动和混和，把物质由一处带到另一处,称为质量对流； 2.分子扩散作用。,14-1 概 述,传质膜系数kc是这两种作用的综合指标。 影响对流传质的因素(类似前面的对流换热）：如流动原因、流动状态、流体物性、壁面几何参数等都会影响对流传质过程，由此可见它是一个比较复杂的物理现象。,
2、传质膜系数kc,对流传质研究方法,三传（动量、热量、质量）类比法 目的：cf 和 kc的关系,14-2 层流和紊流边界层及浓度边界层,一、浓度边界层 1.定义：当流体与相界面之间有浓度差时，由于浓度在相界面法线方向的变化，将会产生浓度边界层。 2. C和t关系：它和热边界层相类似，但厚度不相同。,浓度边界层厚度,浓度边界层：在y=0处，流体浓度为cA,S，离开壁面y=C处，流体浓度近似等于主流区流体浓度cA,，该区域称为浓度边界层（传质边界层及扩散边界层） 浓度边界层内：最显著的浓度变化， 浓度边界层以外：可认为浓度梯度等于零，是一个等浓度区域。,在层流边界层中和紊流边界层的层流底层中主要靠分
3、子扩散来传递质量， 在紊流边界层的层流底层以外的紊流核心区中，主要靠质量对流。,对流传质的机理,二、对流传质的常用准则数,动量传递准则：雷诺数Re和欧拉数Eu， 对流换热准则：普朗特数Pr和努谢尔特数Nu， 对流传质准则：？ 分析质量、动量和热量传递得知:运动粘度 / 动量扩散能力热扩散率 /cp 热量扩散能力分子扩散系数 DAB 质量扩散能力它们具有相同的因次，因此这三个扩散率中任意两个之比都是无因次的。,1.施密特数Sc 定义：Sc/DAB/（DAB）对流换热中：Pr=/a=cp/Pr的物理意义：动量扩散能力和热量扩散能力的对比关系。 物理意义：动量扩散能力和质量扩散能力的对比关系。 施密
4、特数Sc在对流传质中的作用类似普朗特数Pr的作用。,2.路（刘）易斯数Le 定义：Le=a/DAB= /(cpDAB) 物理意义：热量扩散能力和质量扩散能力的对比关系。 当过程同时涉及质量和热量传递时，就要用到Le数。,3.舍伍德数 Sh 定义：Sh=kcL/DAB Sh在对流传质中的作用类似对流换热中的努塞尔特数Nu。 物理意义：表征对流传质的强弱；表示表面处的浓度梯度与总浓度梯度之比。,表面处的浓度梯度与总浓度梯度之比,14-3 因次分析在对流传质中的应用,一、受迫对流中传质 kc=f(D，u，DAB)其中包含的六个物理量的量纲在下表表示：,应用柏金汉方法(或称定律法）可定出三个无因次组，
5、以DAB、和D作为核心变量，可得到三个组合。 1DABabDckc2DABdeDfu 3DABghDi将1中各物理量的量纲代入： 1=L2T-1aML-3bLcLT-1 L：02a3bc1 T：0a1M：0b 联立求解这些方程得a-1；b；c。,将a、b、c代入1的表达式得到 1=kcD/DAB=Sh 另外两个组合也可用同样方法求得2D u/DAB 3/(DAB)Sc2/3D u/DABDAB/D u /ReShf(Re，Sc) 与对流换热的准则关系式Nuf(Re，Pr)相类似。,二、自然对流中传质 kc=f(L，DAB， ， ，gA ）其中包含的六个物理量的量纲在下表表示：,Shf(GrAB
6、,Sc)式中GrAB传质格拉晓夫数GrAB LgA/（2)与自然对流换热准则方程Nu=f(Gr,Pr)类似。,同理：,其他准则数（表14-1）： 1.传热斯坦顿（登）数St:St=Nu/(RePr)=/（ucp) 2.传质斯坦顿（登）数StD:StD=Sh/(ReSc)=kc/u,14-4质量、动量和热量传递的类比,一、紊流质扩散系数 紊流流动的特点：脉动和由脉动带来的横向掺混。 紊流中任一点的流动方向和速度均是不规则的， 涡流运动引起整个紊流核心的混和，这一过程称 为“涡流扩散”。 时均值：虽然变动，但是始终围绕一个值上下波动,在紊流中总切应力可表示成：lt （14-7） 式中l层流切应力，
7、即du/dy；t 紊流切应力。 引入普朗特混合长度假说可以证明：,EH紊流热扩散系数 ED紊流质扩散系数,二、质量、动量和热量传递的类比 “三传类比”的方法：由于紊流流动的机理十分复杂，所以EM、EH和ED都无法用纯数学方法求得，一般均应用类比法来解紊流流动问题，即根据摩擦系数，由类比关系推算出对流换热系数及传质膜系数。,1.系统具有常物性参数； 2.系统中不产生和消失能量和质量（无源无汇）； 3.忽略辐射作用； 4.无粘性损耗； 5.进行低速率的质量传递，所以质量传递对速度分布无影响。,假设条件,四种类比方法,雷诺类比 普朗特类比 卡门类比 切尔顿-柯尔朋类比(j因子关系式),(一)雷诺类比
8、 在层流中，不存在紊流动量扩散系数和紊流热扩散系数，所以由式(14-9)和式(14-10)得：假定q/在任意y处都是相同的，并且取壁面处的值。,在紊流中，雷诺假定整个流动场是由单一的高度紊流区构成，亦即认为不存在层流底层。由于紊流扩散的强度要比分子扩散的强度大得多，即认为EH; EM。故与可以忽略不计，又假定E，则得:,同样，将上式从壁面到主流积分，并假设q/在任意点上都相等，q和均取壁面处的数值得: 与刚才层流的式子比较：,对于Pr的流体来说，层流底层与紊流核心中的qs/s是相等的。雷诺类比就可以应用了。,当Pr1(cp/),cf:边界层动量传递的摩擦阻力系数。,紊流,层流,St= /（uc
9、p)= cf/2=jM (14-12),St= /（ucp)= cf/2=jM (14-12)jM称为动量传递的j因子 jM = cf/2jH称为热量传递的j因子 jH = St= /（ucp)同理，在Sc=1时用质量传递和动量传递进行类比可以得到：StD=kc/ u = cf/2=jM (14-13)jD称为质量传递的j因子 jD = StD=kc/ u在Pr=1和Sc=1的情况下有：St=StD =jM = cf/2,jH,jD,jH,jD,(二)普朗特类比普朗特假设紊流流动是由层流底层和紊流核心组成。 当Sc=1时，变为雷诺类比式（14-13）。,(三)卡门类比 卡门假定紊流流动是由层流
10、底层、过渡层和紊流核心组成的，从而导得质量传递的卡门类比为：当Sc=1时，变为雷诺类比式（14-13）。,(四)切尔顿-柯尔朋类比(j因子关系式)质量传递的切尔顿-柯尔朋类比为：当Pr，Sc时，得jHjDjM (14-18) 这就是雷诺类比式。,此式适用于气体和液体，在0.6Sc2500和0.6Pr100的范围内。,kc的影响因素,kc=f(u,T ,Ts,DAB,L,) 和对流换热影响因素类似：流动原因、流态、物性、几何结构形状、相态变化。温度对kc的影响主要体现在对物性的影响，为考虑这种影响，要进行物性修正，修正方法如下：,三传类比的物理意义,三传类比的物理意义在于对三种不同的传递过程找出
11、其间的共性，以进行综合的考查，并得出其间的一些定量关系，从而可将一种传递过程的规律用于条件类似的其它过程。特别是两种或三种传递经常同时进行，可对其间的内在联系作出估计。,三传类比的不足之处,从理论导出的类比式具有一定的局限性和近似性，这是由于事先作了一些简化假定，其中包括：忽略了物性随位置的变化(如传热时假定物性均为定性温度下之值)，及“三传”之间的相互影响(如传热、传质引起的对流现象)等。,三传类比的实用意义,实用意义在于：随着工业的迅速发展，常会遇到缺乏需要的数据，这时可应用类比关系作近似的分析和推算。例如，从易测定的摩擦因数估算传热、传质膜系数，能提供有益的参考。,例题14-1,头部包有
12、湿纱布的“湿球”温度计置于1105N/m2的空气中，温度计读数为18，水的蒸发压力为0.02105m2，汽化潜热为2478kJ/kg，cH2O,s8710-5kmol/m3，空气的密度为1.216kg/m，比热为1.005kJ/(kg)，Pr0.72,Sc0.61。试求空气温度为多少。,对流传质的常用准则数Sc、Le、Sh、GrAB、St、StD的定义； 、a、DAB、Sc、Le、Sh、GrAB的物理意义；三个j因子的定义； 强迫对流传质、自然对流传质准则方程的基本形式； 雷诺类比式是什么？在什么条件下成立？ 普朗特类比、卡门类比、切尔顿-柯尔朋类比什么情况下成为雷诺类比？ 普朗特类比、卡门类比的各自的主要假设是？ 切尔顿-柯尔朋类比式是什么？ Kc的影响因素有？ 三传类比的物理意义、不足之处、实用意义？,对流传质,
