傳遞過程原理

1、傳遞過程原理 第1頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日 序 言三傳的概念在1960年之前并未被人們普遍接受，而在1960年前后才出現(xiàn)了“動量、熱量與質(zhì)量傳遞”或“傳遞現(xiàn)象”這一課程。事實上，動量、熱量與質(zhì)量的傳遞是密不可分的，比如：如何有效移除反應(yīng)堆中心部位由裂變所產(chǎn)生的熱量以防過熱！第2頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日工業(yè)廢氣排放：必須使其排放到高層大氣中，以便在污染物下降至地表面時，其濃度降至允許的國家標準范圍以內(nèi)。預(yù)測該濃度，需要了解質(zhì)量傳遞和動量傳遞過程。冷卻塔：更是集熱量、動量和質(zhì)量傳遞現(xiàn)象于一體 的設(shè)施。 與熱力學(xué)不同，傳遞是一門探討

2、速率過程的科學(xué)。在速率這個概念上，三種傳遞過程之間存在著基本的類似性。第3頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日學(xué)習(xí)該課程的兩個最基本目的：（1）幫助了解各類傳遞過程的機理。這對于涉及傳遞過程的設(shè)備設(shè)計、操作和控制可以提供理論基礎(chǔ)。（2）為所研究的過程提供基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，使過程開發(fā)周期大大縮短。第4頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日第一章 動量、熱量與質(zhì)量傳遞導(dǎo)論平衡態(tài)：物系的強度性質(zhì)；如溫度、濃度 等物理量不存在梯度熱平衡：指物系內(nèi)各個點的溫度均勻一致不平衡態(tài)：物系內(nèi)具有強度性質(zhì)的物理量 不均勻時，物系就會發(fā)生變化， 它要朝著平衡態(tài)方向轉(zhuǎn)變。第5頁，

3、共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日傳遞過程：處于不平衡態(tài)的物系內(nèi)，物理 量向平衡方向轉(zhuǎn)移的過程。 一般為質(zhì)量、能量、動量和電量等。質(zhì)量傳遞：高濃度區(qū) 低濃度區(qū)能量傳遞：高溫區(qū) 低溫區(qū)動量傳遞：垂直于流動方向上， 由高速區(qū)低速區(qū)理由： 存在梯度之故第6頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日第一節(jié) 動量、熱量與質(zhì)量 傳遞的類似現(xiàn)象定律：三傳既可由分子的微觀運動 引起，分子傳遞也可由漩渦混合造成流體微團的宏觀運動引起，渦流傳遞描述分子傳遞的三傳定律分別是：牛頓粘性定律，傅立葉定律和費克定律，它們總稱為現(xiàn)象定律。第7頁，共32頁，2022年，5月20日，22點1

4、1分，星期日一、牛頓粘性定律：理想流體：無粘性，兩相互接觸的流體層 間不產(chǎn)生剪切力；實際流體：有粘性，流體層間會產(chǎn)生剪切力兩塊無限大的平行平板，上塊靜止，下塊運動，速度u，中間充滿流體，因粘性的存在，最下層流體必隨板運動，速度uo , 最上層流體也必隨板靜止，速度0，u0dyuu-du靜止u0第8頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日同樣，因粘性，速度為uo的流體必然將其動量的一部分傳遞給相鄰的流體，而使后者的速度為u，當然u uo一直這樣傳下去，直至上層辦流體速度為0。這樣就在uo和u之間建立了速度梯度分布。實驗證明，當uo不是很大，流體處于層流范圍內(nèi)時，動量傳遞通量與速

5、度梯度成正比，即：第9頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日動量通量又稱剪應(yīng)力，單位面積上的剪應(yīng)力。 剪應(yīng)力，N /m2 粘度（動力粘度），NS /m2“-”表示動量通量的方向與速度梯度的方向 相反。剪應(yīng)力是作用在垂直于y方向單位面積上的力，或x-動量在y方向上的通量。粘度：流體的一種物理性質(zhì)，僅與流體狀態(tài)有關(guān)，即只與流體的壓力、溫度、組成有關(guān)，而與速度梯度和剪應(yīng)力無關(guān)。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日粘度的規(guī)律：（同種物質(zhì)在相同溫度下g L )氣體粘度： T g 液體粘度： T L 氣體和液體： P 牛頓型流體：遵循牛頓粘性定律的流體均是，

6、如： 所有的氣體和大多數(shù)低分子量的液體。非牛頓型流體：不遵循牛頓粘性定律的流體，如： 泥漿、污水、高分子溶液和油漆等等。 屬流變學(xué)范疇第11頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日二、傅立葉定律（fouries law)對于導(dǎo)熱現(xiàn)象，可用傅立葉定律描述之：q /A 為熱通量, k 為導(dǎo)熱系數(shù)“-”表示熱通量與溫度梯度的方向相反，即熱量是由高溫向低溫方向傳遞.導(dǎo)熱系數(shù)k 是物質(zhì)的物理性質(zhì)，是溫度的函數(shù)。固體和液體：k與壓力關(guān)系不大氣體： k與壓力有關(guān)第12頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日三、費克定律（Ficks law) 基于兩組分系統(tǒng)，組分A在組分B

7、中由于分子擴散所產(chǎn)生的質(zhì)量通量，可由下式描述： jA 組分A的質(zhì)量通量DAB 組分A在B中的擴散系數(shù)“-”表示質(zhì)量通量的方向與濃度梯度的方向 相反DAB 與組分的種類、壓力、溫度、組成等因素有關(guān)。第13頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日小結(jié)：上述三定律都用來描述由于分子間無規(guī)則運動所引起的三類傳遞現(xiàn)象，它們具有類似性，即 各過程所傳遞的物理量均與其相應(yīng)的強度因素的梯度成正比，并且都沿著負梯度的方向傳遞； 各式的系數(shù)都是物性常數(shù)，它們只是狀態(tài)的函數(shù)，與傳遞的物理量多少和梯度的大小無關(guān)。 上述三定律又稱為分子傳遞線性定律。第14頁，共32頁，2022年，5月20日，22點1

8、1分，星期日 1-2 三傳的普遍表達式一、動量通量 對于不可壓縮流體，即為常數(shù)的流體，牛頓定律可寫成：動量通量，其單位為： 第15頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日運動粘度，其單位為： u x動量濃度，其單位為： 動量濃度梯度，其單位為： 第16頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日從上述各量的因次可以看出：剪應(yīng)力即單位時間通過單位面積的動量。因此可表示動量通量，它等于動量擴散系數(shù)（運動粘度）乘以動量濃度梯度的負值。動量通量-（動量擴散系數(shù)）（動量濃度梯度）第17頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日二、熱量通量傅立葉定律可寫成：

9、熱擴散系數(shù)該定律可理解為：導(dǎo)熱通量（熱擴散系數(shù)）（熱量濃度梯度）第18頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日三、質(zhì)量通量 對Fick定律中個動量物理意義和單位不需要變形就可直接進行分析：質(zhì)量通量 （質(zhì)量擴散系數(shù)）（質(zhì)量濃度梯度）第19頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日通過分析可以得出以下幾條結(jié)論: 動量、熱量與質(zhì)量傳遞的通量，都等于該量的擴散系數(shù)與該量濃度梯度乘積的負值，故三類分子傳遞過程可用一個普遍化的表達式來表達即：通量（擴散系數(shù)）（濃度梯度） 動量、熱量與質(zhì)量擴散系數(shù)、和DAB具有相同的因次，均為m2/s第20頁，共32頁，2022年，5月20

10、日，22點11分，星期日 通量為向量，它代表動量、熱量與質(zhì)量傳遞的方向和量值，通量的方向永遠與該量梯度的方向相反，故其表達式中有“負”號?，F(xiàn)象方程：（phenomenological equation）將通量等于擴散系數(shù)乘以濃度梯度的方程稱為現(xiàn)象方程。三傳有著統(tǒng)一的現(xiàn)象方程。第21頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日梯度與通量的方向作如下規(guī)定： 沿坐標軸的方向是通量的正方向，坐標軸的負方向則是梯度的正方向。因此：現(xiàn)象方程中有“負”號時表示傳遞方向與坐標軸同向；反之，現(xiàn)象方程中有“正”號時，表示傳遞方向與坐標軸反向，而梯度與坐標軸同向。第22頁，共32頁，2022年，5月2

11、0日，22點11分，星期日1-3 渦流傳遞的類似性 前述的現(xiàn)象方程是用來描述分子運動所產(chǎn)生的傳遞方向的，而這種傳遞過程只在少數(shù)情況下出現(xiàn)，如固體或靜止的液體或?qū)恿髁鲃拥牧黧w內(nèi)的傳熱或動量、質(zhì)量傳遞便屬于分子傳遞。實際工作狀態(tài)下，大多數(shù)流體都處于湍流流動。在湍流流體中，由于存在大大小小的漩渦，故除了分子傳遞外，還有渦流傳遞。第23頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日漩渦的運動和交換會引起流體微團的混合，從而可使動量、熱量或質(zhì)量的傳遞過程大大加劇。在湍動十分強烈的情況下，渦流傳遞的強度大大超過分子傳遞的強度，此時，三傳的湍流也可仿照現(xiàn)象方程處理為：渦流動量傳遞:第24頁，共3

12、2頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日式中r渦流剪應(yīng)力又叫雷諾應(yīng)力；渦流粘度，m2/s渦流熱通量： H渦流熱擴散系數(shù)，m2/s組分A的渦流質(zhì)量通量：第25頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日式中M渦流質(zhì)量擴散系數(shù)，m2/s、H和M的因次也與分子擴散系數(shù)、和DAB的因次相同，均為m2/s。在渦流傳遞中，、H和M大致相等，在某些情況下，其中兩者或三者完全相等。因此可用類比的方法研究三傳。第26頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日需要注意：分子擴散系數(shù)、和DAB是物性常數(shù)，它們僅與溫度、壓力及組成等因素有關(guān)；但渦流擴散系數(shù)、H和M則與流體性質(zhì)無

13、關(guān)，而與湍動程度、流道中的位置、邊壁粗糙度等因素有關(guān)，因此較難確定。第27頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日 三傳通量表達式一覽表 動量通量 只有分子運動 的傳遞渦流為主的傳遞兩者兼有的傳遞熱量通量 質(zhì)量通量 第28頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日1-4 普蘭特數(shù)、施密特數(shù)和劉易斯數(shù) 實際中往往是二種或三種傳遞過程同時存在，這時可以使用如下三個無因次數(shù)群中的兩個或三個來表達不同的傳遞過程之間的關(guān)系。它們是 普蘭特數(shù)（plandtl number）第29頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日 施密特數(shù) (Schmidt number) 劉易斯數(shù) (lewis number)第30頁，共32頁，2022年，5月20日，22點11分，星期日當系統(tǒng)中動量和熱量同時傳遞時，