化工傳遞過程基礎課件

化工傳遞過程基礎化工傳遞過程基礎一、化工研究的基本問題？緒論圖0-1McCabe-Thiele圖平衡線精餾段操作線提餾段操作線過程的平衡和限度–《化工熱力學》過程的速率和實現(xiàn)過程所需要的設備

化學反應速率和設備–《化學反應動力學》和《化學反應工程》物理過程速率和設備–《化工傳遞》和《化工單元操作》化工傳遞過程基礎推動力：溫度差推動力：濃度差二、本課程的學習內(nèi)容？動量傳遞熱量傳遞質量傳遞物理過程的速率和傳遞機理的探討推動力：速度差化工傳遞過程基礎第一章傳遞過程概論第一節(jié)流體流動導論一、靜止流體的特性（一）流體的密度（ρ）均質流體：非均質流體：ρ：點密度dM：微元質量dV：微元體積

流體：氣體和液體的統(tǒng)稱圖1-1均質水溶液圖1-2非均質溶液方法：取一微元，設微元質量為dM，體積為dV密度：化工傳遞過程基礎（二）不可壓縮流體與可壓縮流體不可壓縮流體：密度不隨空間位置和時間變化的流體；通常液體可視為不可壓縮流體可壓縮流體：密度隨空間位置或時間變化的流體；氣體為可壓縮流體；但如氣體等溫流動且壓力改變不大時，可近似為不可壓縮流體。流體的比體積（質量體積υ）：[m3/kg]重要化工傳遞過程基礎（三）流體的壓力流體表面均勻受力p:點壓力,dP:垂直作用在微元體表面的力,dA:微元體表面積壓力單位及換算壓力表示方法圖1-3均勻受力圖壓力P圖1-4非均勻受力圖流體表面非均勻受力壓力P1atm=1.013×105Pa=1.013bar=1.033kgf·cm-2=7.60×102mmHg絕對壓力和相對壓力（表壓力和真空度）表壓力=絕對壓力-大氣壓力真空度=大氣壓力-絕對壓力e.g，p=2atm絕對壓力為2標準大氣壓p=3x105N/m2（表壓）p=500mmHg（真空度）化工傳遞過程基礎（四）流體平衡微分方程平衡狀態(tài)（物理意義）：流體微元受力分析：質量力和表面力質量力（體積力）：如重力，靜電力，電磁力等化學工程中，質量力指重力（FB）表面力：是流體微元的表面與其相鄰流體作用所產(chǎn)生（Fs）靜止狀態(tài)：表面力表現(xiàn)為靜壓力運動狀態(tài)：表面力除壓力外，還有粘性力流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）壓力P流體平衡條件：FB+Fs=0化工傳遞過程基礎流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）的推導流體平衡條件：x方向平衡條件：FB+Fs=0

x方向作用力：質量力（dFBx）：表面力（dFsx靜壓力產(chǎn)生）：化工傳遞過程基礎x方向微分平衡方程：y方向微分平衡方程：z方向微分平衡方程：

靜止流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）重要自己推？化工傳遞過程基礎（五）流體靜壓力學方程歐拉平衡微分方程質量力：X=0，Y=0，Z=-g流體靜力學方程積分得：對于一定密度的液體，壓力差與深度h成正比，故液柱高度h可用來表示壓力差的大?。╩mHg,mH2O)化工傳遞過程基礎？？二、流體流動的基本概念（一）流速與流率流速：流體流動的速度，表示為流速不均勻分布情況下，點流速（在dθ時間內(nèi)流體流過距離ds）流率：單位時間內(nèi)流體通過流動截面的量[m/s]以流體的體積計量稱為體積流率（流量，Vs）m3/s以質量計量稱為質量流率（w），kg/s計算：在流動截面上任取一微分面積dA，其點流速為ux，則通過該微元面積的體積流率dVs？通過整個流動截面積A的體積流率Vs？求解：1.體積流率定義式:2.體積流率積分:3.質量流率（w）:化工傳遞過程基礎主體平均流速（ub）:截面上各點流速的平均值質量流速（G）:單位時間內(nèi)流體通過單位流動截面積的質量（用于氣體）[kg/(m2s)]（二）穩(wěn)態(tài)流動和不穩(wěn)態(tài)流動

穩(wěn)態(tài)流動：當流體流過任一截面時，流速、流率和其他有關的物理量不隨時間而變化，稱為穩(wěn)態(tài)流動或定常流動；數(shù)學特征：e.g與時間θ無關不穩(wěn)態(tài)流動：流體流動時，任一截面處的有關物理量中只要有一個隨時間而變化，稱為不穩(wěn)態(tài)流動或不定常流動；重要化工傳遞過程基礎（三）粘性定律和粘度1.牛頓粘性定律負號“-”剪應力，單位截面積上的表面力，N/m2；產(chǎn)生：相鄰兩層流體之間由于粘性作用而產(chǎn)生，粘性力，表面力的一種；動力粘度（粘度），流體的一種物性參數(shù)，試驗測定，查物化手冊；ux在y軸方向上的速度梯度；表示當y增加時，ux減少，速度梯度dux/dy為負值。當dux/dy為正值“+”時，可將負號“-”去掉。重要化工傳遞過程基礎物理意義：單位速度梯度時，作用在兩層流體之間的剪應力；單位：SI單位和物理單位2.動力粘度（μ）SI單位制：物理單位制：3.運動粘度（ν）特性：是溫度、壓力的函數(shù)；流體的動力粘度與密度的比值，稱為運動粘度（ν）壓力對液體粘度影響可忽略，氣體的粘度在壓力較低時（＜1000kPa）影響較小，壓力大時，隨壓力升高而增大。氣體的粘度隨溫度的升高而增大；液體隨溫度的升高而減少；1P=100cP化工傳遞過程基礎（五）粘性流體和理想流體（四）牛頓型流體和非牛頓型流體牛頓型流體：遵循牛頓粘性定律的流體；非牛頓型流體：不遵循牛頓粘性定律的流體；所有氣體和大多數(shù)低分子量的液體，如水、空氣等某些高分子溶液、油漆、血液等粘性流體：具有粘性的流體，也叫實際流體；理想流體：完全沒有粘性的流體，即μ=0的流體，自然界不存在；簡化問題，對于粘度較小的流體，如水和空氣化工傳遞過程基礎（六）流動形態(tài)與雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)1.雷諾試驗層流(laminarflow)：流速較小時，流體成直線狀平穩(wěn)流動。表明流體中各質點沿著彼此平行的直線而運動，與側旁的流體五任何宏觀混合。湍流(紊流turbulentflow)：流速較大時，流體中各質點除了沿管路向前運動之外，各質點還作不規(guī)則的脈動，且彼此之間相互碰撞與混合。雷諾實驗化工傳遞過程基礎2.雷諾數(shù)（Re）

u和d稱為流體流動的特征速度和特征尺寸物理意義：作用在流體上的慣性力和粘性力的比值

Re＜2000，總是層流；

Re＞10000，一般都為湍流；

2000＜Re＜10000，過渡狀態(tài)。若受外界條件影響，如管道直徑或方向的改變、外來的輕微振動都易促使過渡狀態(tài)下的層流變?yōu)橥牧髦匾斄恐睆綀A截面d矩形截面環(huán)形截面d2-d1化工傳遞過程基礎（七）動量傳遞現(xiàn)象假定： （1）兩層分子交換數(shù)相等，有N個分子參與交換； （2）N個分子的總質量為W；則，從流層2轉入1中的x方向動量：從流層1轉入2中的x方向動量：流層2在x方向凈輸出動量給流層1：動量由高速區(qū)向低速區(qū)傳遞化工傳遞過程基礎動量通量：單位時間通過單位垂直于y方向面積上傳遞的動量[kg·(m/s)/(m2·s)]層流流體在流向上的動量，沿其垂直方向由高速流層向低速流層傳遞，導致流層間剪應力τ（內(nèi)摩擦力）的產(chǎn)生。本質上是分子微觀運動的結果，屬于分子傳遞過程。剪應力[N/m2=kg·(m/s2)/(m2)=kg·(m/s)/(m2·s)]湍流流體在流向上的動量，分子傳遞+渦流傳遞?；鬟f過程基礎牛頓粘性定律1.分子間動量傳遞

傅立葉定律

費克定律2.分子間熱量傳遞——熱傳導3.分子間質量傳遞——分子擴散高溫低溫第二節(jié)動量、熱量與質量傳遞的類似性化工傳遞過程基礎一、分子傳遞的基本定律速度梯度動量通量牛頓粘性定律溫度梯度熱量通量

傅立葉定律粘度導熱系數(shù)濃度梯度質量通量

費克定律組分A在組分B中的擴散系數(shù)推動力通量定律化工傳遞過程基礎二、動量通量、熱量通量與質量通量的普遍表達式（一）動量通量τ：動量通量ν：動量擴散系數(shù)d(ρux/dy)：動量濃度梯度（動量通量）=—（動量擴散系數(shù)）x（動量濃度梯度）重要化工傳遞過程基礎（二）熱量通量q/A：熱量通量α：熱量擴散系數(shù)d(ρcpt/dy)：熱量濃度梯度（熱量通量）=—（熱量擴散系數(shù)）x（熱量濃度梯度）重要化工傳遞過程基礎（三）質量通量jA：組分A的質量通量DAB：質量擴散系數(shù)d(ρA/dy)：質量濃度梯度（質量通量）=—（質量擴散系數(shù)）x（質量濃度梯度）重要化工傳遞過程基礎二、動量通量、熱量通量與質量通量的普遍表達式（通量）=—（擴散系數(shù)）x（濃度梯度）例1-1：已知一圓柱形固體由外表面向中心導熱，試寫出沿徑向的導熱現(xiàn)象方程求解：zroq現(xiàn)象方程：化工傳遞過程基礎三、渦流傳遞的類似性動量通量熱量通量質量通量化工傳遞過程基礎動量、熱量和質量傳遞的通量表達式僅有分子運動的傳遞過程以渦流運動為主的傳遞過程兼有分子運動和渦流運動的傳遞過程動量通量熱量通量質量通量化工傳遞過程基礎Review一、物理量基本概念密度非均質流體可壓縮流體不可壓縮流體壓力受力不均流體表面流速粘度雷諾數(shù)化工傳遞過程基礎二、基本狀態(tài)平衡狀態(tài)流體物質：穩(wěn)態(tài)流動三、方程與定律靜止流體平衡微分方程流體靜壓力學方程牛頓粘性定律（分子動量傳遞）傅立葉定律（分子熱量傳遞）費克定律（分子質量傳遞）化工傳遞過程基礎四、動量、熱量和質量傳遞的通量表達式僅有分子運動的傳遞過程以渦流運動為主的傳遞過程兼有分子運動和渦流運動的傳遞過程動量通量熱量通量質量通量化工傳遞過程基礎第一篇動量傳遞化工傳遞過程基礎第二章連續(xù)性方程和運動方程第一節(jié)描述流動問題的兩種觀點一、歐拉觀點和拉格朗日觀點（一）歐拉觀點以相對于坐標固定的流場內(nèi)的任一空間點為研究對象，研究流體流經(jīng)每一空間點的力學性質；特點：選定研究對象的體積、位置固定，通過研究對象的物理量隨時間改變；（二）拉格朗日觀點研究對象是流體運動的質點或微團，研究每個流體質點自始至終的運動過程；特點：選定研究對象的質量固定，位置和體積隨時間改變；化工傳遞過程基礎二、物理量的時間導數(shù)

偏導數(shù)、全導數(shù)和隨體導數(shù)e.g河流中魚的濃度（c）隨空間位置和時間變化（一）偏導數(shù)表示某一固定空間點上的流動參數(shù)隨時間的變化率本例：當觀察者站在岸邊，觀察得到河流中某一固定位置處魚的濃度隨時間的變化率?；鬟f過程基礎（二）全導數(shù)對c進行全微分同除以dθ其中，表示當觀察者在流體中以任意速度運動時，觀測到的流動參數(shù)隨時間的變化率本例：當觀察者駕著船，在船上所觀察到的水中魚的濃度隨時間的變化率就是全導數(shù)，它等于岸邊觀察的結果，再疊加因船的運動而導致的魚的濃度變化?；鬟f過程基礎（三）隨體導數(shù)（拉格朗日導數(shù)）隨體導數(shù)是全導數(shù)的一個特殊情況，即當vx=ux,vy=uy,vz=uz（ux，uy和uz是流體的速度）表示當觀察者在流體中以與流體完全相同的速度運動時，其觀測到的流動參數(shù)隨時間的變化率。后三項為對流導數(shù)，表示因流體流動而導致的流動參數(shù)隨時間的變化率。本例：當獨木船跟隨著流體一起漂流運動時，觀察者在船上所觀察到的水中魚的濃度隨時間的變化率就是隨體導數(shù)。化工傳遞過程基礎第二節(jié)連續(xù)性方程一、連續(xù)性方程的推導歐拉觀點，取流場中一空間點M,M點處的流速和密度為：u=u(x,y,z,θ),ρ=ρ(x,y,z,θ)方法：微分質量衡算（流出質量流率）-（流入質量流率）+（累積質量流率）=0x方向：流入質量流率：流出質量流率：（流出質量流率）-（流入質量流率）=化工傳遞過程基礎累積質量流率：（流出質量流率）-（流入質量流率）=y方向：（流出質量流率）-（流入質量流率）=z方向：（流出質量流率）-（流入質量流率）=x方向：微分質量衡算連續(xù)性方程化工傳遞過程基礎二、對連續(xù)性方程的分析連續(xù)性方程另一表達形式：對時間求隨體導數(shù)：或化工傳遞過程基礎連續(xù)性方程的幾種簡化形式穩(wěn)態(tài)流動：連續(xù)性方程：穩(wěn)態(tài)流動時的連續(xù)性方程：不可壓縮流體：ρ是常數(shù)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動：重要！化工傳遞過程基礎例2-1某一非穩(wěn)態(tài)二維流場的速度分布為:由題設條件得即故該流體為不可壓縮流體試證明該流場中的流體為不可壓縮流體?；鬟f過程基礎三、柱坐標與球坐標系的連續(xù)性方程(一)柱坐標系(二)球坐標系式中,θ’為時間；r為徑向坐標；z為軸向坐標,θ為方位角；ur、uθ和uz分別為流速在柱坐標(r,θ,z)方向上的分量。式中，r為徑向;θ為余緯度；Ф為方位角；ur、uФ和uθ分別為流速在球坐標系（r,θ,Ф）方向上的分量；θ’為時間。化工傳遞過程基礎第三節(jié)運動方程運動方程的推導：拉格朗日觀點和牛頓第二運動定律（動量守恒定律）一、用應力表示的運動方程（一）動量守恒定律在流體微元上的表達式理解：流體的動量隨時間的變化率應等于作用在該流體上的諸外力向量之和。拉格朗日觀點：化工傳遞過程基礎慣性力在x，y，z方向上的分量：x方向：y方向：z方向：化工傳遞過程基礎（二）作用在流體上的外力分析1.體積力（FB）2.表面力（Fs）分解為兩個向量：一個與作用表面相切，稱剪切力；一個與作用表面相垂直，稱法向力；x方向：y方向：z方向：化工傳遞過程基礎（三）用應力表示的運動方程x方向：由前面得到：未知化工傳遞過程基礎dFsx的求解：化工傳遞過程基礎x方向：y方向：z方向：化工傳遞過程基礎x方向：y方向：z方向：化工傳遞過程基礎原理：扭矩平衡10個未知變量，3個方程組！x方向：y方向：z方向：化工傳遞過程基礎二、牛頓型流體的本構方程(一）剪應力牛頓粘性定律牛頓型流體！化工傳遞過程基礎(二）法向力不僅有p還有μ化工傳遞過程基礎三、奈維-斯托克斯方程牛頓型流體將以上三式寫成向量形式，為化工傳遞過程基礎不可壓縮牛頓型流體將以上三式寫成向量形式，為重要化工傳遞過程基礎四、對奈維-斯托克斯方程的分析（一）方程組的可解性（二）初始條件和邊界條件理論上可解，理論上既適用于層流又適用于湍流初始條件（I.C.）：θ=0時，u=u(x,y,z),p=p(x,y,z)化工傳遞過程基礎邊界條件（B.C.）：（1）靜止固面在靜止固面上，由于流體具有粘性，u=0；（2）運動固面在運動固面上，流體應滿足u流=u固；（3）自由表面通常的自由表面系指一個流動的液體暴露于氣體（多為大氣）中的部分界面。此時，在自由表面上滿足上式表明，自由表面上法向應力分量在數(shù)值上等于氣體的壓力，而剪應力分量為零化工傳遞過程基礎（三）關于重力項的處理歐拉平衡微分方程ps：流體的靜壓力靜止流體化工傳遞過程基礎不可壓縮流體的奈維-斯托克斯方程：令流體的動力壓力，簡稱動壓力，是流體流動所需要的壓力化工傳遞過程基礎封閉管道中流體流動將以上三式寫成向量形式，為不可壓縮流體的奈維-斯托克斯方程化工傳遞過程基礎不可壓縮流體的奈維-斯托克斯方程不可壓縮流體的連續(xù)性方程？？化工傳遞過程基礎第三章運動方程的運用第一節(jié)阻力系數(shù)（一）繞流流動與曳力系數(shù)曳力：流體對物體施加的總曳力遠離物體表面的流體速度物體表面的受力面積曳力系數(shù)化工傳遞過程基礎（二）管內(nèi)流動與范寧摩擦系數(shù)流體的平均流速圓管壁面處的剪應力范寧摩擦因數(shù)化工傳遞過程基礎第二節(jié)平壁間與平壁面上的穩(wěn)態(tài)層流一、平壁間的軸向平行層流應用場合：板式熱交換器，各種平板式膜分離裝置等；特點：平壁無限寬，忽略平壁寬度方向流動的變化，可認為是一維流動；一維流動：不可壓縮流體：平壁無限寬：連續(xù)性方程化工傳遞過程基礎y方向奈維-斯托克斯方程：z方向奈維-斯托克斯方程：x方向奈維-斯托克斯方程：化工傳遞過程基礎平壁間不可壓縮流體作穩(wěn)態(tài)層流的速度分布忽略流道進、出口處的影響，流體速度分布呈拋物線形狀最大流速（umax）y=0時ux與umax之間的關系：“-”？雷諾試驗化工傳遞過程基礎主體流速ub與umax之間的關系：重要流動阻力：化工傳遞過程基礎例3-1

10攝氏度的水以4m3/h的流率流過以寬1m，高0.1m的矩形水平管道。假定流動已經(jīng)充分發(fā)展，流動為一維，試求截面上的速度分布及通過每米長管道的壓力降。已知10攝氏度水的粘度為1.307mN*s/m2

解：主體流速為了判斷此情況下流體的流型，需計算Re，流道為矩形，故Re中的幾何尺寸應采用當量直接de替代，de的值為化工傳遞過程基礎故流動為層流，可采用式（3-24）確定速度分布方程，即每米長管道的壓力降可利用（3-30）求算為化工傳遞過程基礎二、平壁面上的降落液膜流動應用場合：膜狀冷凝，濕壁塔吸收等；特點：穩(wěn)態(tài)層流，一維流動；一側緊貼壁面，另一側為自由表面；

不可壓縮流體在液膜內(nèi)速度分布方程：

主體流速：

液膜厚度：重要化工傳遞過程基礎例3-2某流體的運動粘度為2*10-4m2/s，密度為800kg/m3，欲使該流體沿寬為1m的垂直平壁下降的液膜厚度達到2.5mm，則液膜下降的質量流率應為多少？解：由式（3-37），得因此，單位寬度的質量流量為上述計算結果僅當液膜內(nèi)流動為層流時才是正確的，因此，需要驗算流動的Re數(shù)。當量直徑化工傳遞過程基礎故由此可知，流動確為層流，上述計算結果是正確的?；鬟f過程基礎第三節(jié)圓管中的軸向穩(wěn)態(tài)層流

不可壓縮流體在水平圓管中作穩(wěn)態(tài)層流流動速度分布方程：最大流速：主體流速：重要化工傳遞過程基礎流動阻力：范寧摩擦系數(shù)f：摩擦系數(shù)λ=64/Re重要圓管壁面處的剪應力：化工傳遞過程基礎例3-3毛細管粘度計測量流體粘度的原理是使被測流體在一細長的圓管（毛細管）中作穩(wěn)態(tài)層流流動，測定流體流過整個圓管的壓力降，從而求出流體的粘度。已知甘油在299.6K下流過長度為0.3048m，內(nèi)徑為0.00254m的水平圓管。在體積流率為1.878*10-6m3/s時，測得壓降為2.76*105pa。在299.6K時甘油的密度為1261kg/m3。試求甘油的粘度？解：由式（3-51）得式中化工傳遞過程基礎

L=0.3048m將以上各值代入上式中，得校核流動的雷諾數(shù)因此流動為層流，計算是正確的?；鬟f過程基礎奈維-斯托克斯方程Case1：粘性力＞＞慣性力，則可忽略慣性力爬流（蠕動流）：流速非常低的流動e.g.細粒子在流體中的自由沉降、氣溶膠粒子的運動以及某些潤滑問題雷諾數(shù)Case2：慣性力＞＞粘性力，則可忽略粘性力勢流：理想流體的無旋流動e.g.流體繞過沉浸物體流動Re<1,CD雷諾數(shù)非常大貼近物體壁面區(qū)域粘性力不能忽略！化工傳遞過程基礎速度勢函數(shù)速度勢函數(shù)表達式使用條件：流動必須是無旋的！化工傳遞過程基礎流函數(shù)流函數(shù)表達式使用條件：不可壓縮流體的二維平面流！化工傳遞過程基礎第四章邊界層流動速度邊界層定義、邊界層的形成、發(fā)展和分離邊界層的概念和定義邊界層分離條件和分離后果

速度邊界層微分和積分方程沿平板流動，層流邊界層圓管不考慮，Rexc速度分布、應力分布、流量的求取化工傳遞過程基礎

平壁間不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)層流充分發(fā)展流段圓管中不可壓縮流體的軸向穩(wěn)態(tài)層流化工傳遞過程基礎一、流體在平板間流動二、流體在圓管內(nèi)流動xc化工傳遞過程基礎一、普蘭德邊界層理論的要點速度邊界層的定義：在壁面附近區(qū)域，存在著一薄的流體層。在該層流體中，與流動相垂直方向上的速度梯度很大。這樣的一層流體稱為邊界層。粘性力不能忽略！大雷諾數(shù)的流動：整個流動劃分為兩個性質截然不同的區(qū)域：重要其一：緊貼物體壁面一層非常薄的區(qū)域，邊界層。慣性力和粘性力都要考慮。其二：邊界層之外的流動區(qū)域，外部流動區(qū)。粘性力可忽略。P74化工傳遞過程基礎二、邊界層的形成與發(fā)展平板壁面形成：一流體以u0流到平板前緣時，緊貼壁面的流體停滯不動，流速為零，從而在垂直于流動的方向上建立起一個速度梯度。與此速度梯度相應的剪應力將促使靠近壁面的一層流體的流速減慢，開始形成邊界層。發(fā)展：隨著流體沿平板的向前流動，邊界層在壁面上逐漸加厚。在平板前部的一段距離內(nèi)，邊界層的厚度較小，流體維持層流流動，相應的邊界層稱為層流邊界層。經(jīng)過這段距離后，邊界層中的流動型態(tài)由層流經(jīng)一過渡區(qū)逐漸轉為湍流，此時的邊界層稱為湍流邊界層。湍流邊界層包括：層流內(nèi)層（層流底層），緩沖層（過渡層），湍流邊界層重要P75化工傳遞過程基礎臨界距離（xc）由層流邊界層開始轉變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x；xc的大小與壁面前緣的形狀、壁面的粗糙度、流體的性質以及流速等因素有關；壁面愈粗糙、前緣愈鈍，則xc愈短臨界雷諾數(shù)Rexc；對于光滑的平板壁面，邊界層由層流開始轉變?yōu)橥牧鞯腞exc范圍是：化工傳遞過程基礎圓管邊界層形成與發(fā)展：一粘性流體以流速u0流進水平圓管時，由于流體的粘性作用在管壁處形成邊界層并逐漸加厚。在距管進口的某一段距離處，邊界層在管中心匯合，此后便占據(jù)管的全部截面，邊界層厚度即維持不變。管內(nèi)流動兩個區(qū)域：一是邊界層匯合以前的區(qū)域，稱之為進口段流動；另一是邊界層匯合以后的流動，稱為充分發(fā)展的流動。邊界層的兩種情形：（i）u0較小，層流邊界層→充分發(fā)展的層流流動；（ii）u0較大，層流內(nèi)層→緩沖層→充分發(fā)展的湍流主體；化工傳遞過程基礎三、邊界層厚度的定義邊界層厚度δ邊界層厚度δ約在10-3m的量級化工傳遞過程基礎四、邊界層的分離現(xiàn)象：當一粘性流體流過曲面物體，物體表面曲率較大時，邊界層與固體壁面相脫離。后果：壁面附件的流體發(fā)生倒流并產(chǎn)生漩渦，導致流體能量的大量損失。必要條件：物面附件的流動區(qū)域中存在逆壓梯度；流體的粘性；重要逆壓梯度：e.gdp/dx>0，壓力沿流動方向遞增，而流速遞減。此區(qū)域稱為逆壓區(qū)。發(fā)生場合：流體流經(jīng)管件、閥門、管路突然擴大與突然縮小以及管路的進出口等局部地方；當流體繞過物體運動時，在什么情況下會出現(xiàn)”逆壓力梯度”？存在壓力梯度的條件下，是否一定會發(fā)生邊界層分離，為什么？P93-94化工傳遞過程基礎第二節(jié)普蘭德邊界層方程一、平板層流邊界層微分方程普蘭德邊界層方程：不可壓縮流體的Navier-Stokes方程，利用量級分析進行簡化。ux=O(1),x=O(1),y=O(δ)e.gO(1)是O(δ)的103倍將寫成差分形式，即?化工傳遞過程基礎量級？解：Rex愈大，邊界層厚度δ越愈小！題：化工傳遞過程基礎普蘭德邊界層方程求解（精確解）：引入流函數(shù)ψ代替ux和uy引入一無因次的位置變量η(x,y)代替位置x和y無因次流函數(shù)f(η)orP82表4-1：η、f、f’、f’’化工傳遞過程基礎重要對于給定的位置（x,y）解題思路：（無因次流函數(shù)f(η)及其導數(shù)表）查表（P82）求出ux，uy找出對應的f和f’化工傳遞過程基礎平板壁上層流邊界層厚度：局部壁面剪應力：流體流過長度為L，寬度為b的平板壁面，總曳力：化工傳遞過程基礎【例4-1】25oC的空氣在常壓下以6m/s的速度流過一薄平板壁面。試求距平板前緣0.15m處的邊界層厚度，并計算該處y方向上距壁面1mm處的、及在y方向上的速度梯度值。已知空氣的運動粘度為1.55密度為。解：首先計算距平板前緣0.15m處的雷諾數(shù)，確定流型<流動在層流邊界層范圍之內(nèi)。（1）計算邊界層厚度化工傳遞過程基礎（2）計算y方向上距壁面1mm處的、及已知x=0.15m,y=0.001m,由式（4-15）得查表4-1，當時由式（4-25）得由式（4-26）得u0=6m/sx=0.15my=1mm化工傳遞過程基礎再由式（4-19）可得好小呀!化工傳遞過程基礎二、平板層流邊界層積分動量方程卡門：邊界層進行微分動量衡算，用ux（y）近似代替真實速度ux（x，y）平板層流邊界層積分動量方程：若已知ux=ux(y)，代入方程左側積分，右側微分，得到邊界層厚度等邊界層內(nèi)速度側形的確定：化工傳遞過程基礎1.線性多項式兩個邊界條件：2.二次多項式化工傳遞過程基礎3.三次多項式4.四次多項式重要？？化工傳遞過程基礎平板層流邊界層積分動量方程近似解平板層流邊界層積分動量方程精確解化工傳遞過程基礎【例4-2】常壓下溫度為20的空氣以5的流速流過一塊寬1m的平板壁面。試計算距平板前緣0.5m處的邊界層厚度的質量流率，并計算這一段平板壁面的曳力系數(shù)和承受的摩擦曳力。設臨界雷諾數(shù)。解：由有關數(shù)據(jù)表中查處空氣在1和20下的物性值為計算的雷諾數(shù)故距平板前緣0.5m處的邊界層為層流邊界層。（1）求邊界層厚度由式（4-52）得化工傳遞過程基礎（2）求算進入邊界層的質量流率ωx在任意位置x處，進入邊界層的質量流率ωx可根據(jù)下試求出式中，b為平板的寬度；ux為距平板垂直距離y處空氣的流速，層流邊界層內(nèi)的速度分布可采用式（4-46a）表示將式（2）代入式（1）積分=0.0214kg/s化工傳遞過程基礎（3）求算曳力系數(shù)及曳力化工傳遞過程基礎臨界距離（xc）：由層流邊界層開始轉變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x；臨界雷諾數(shù)Rexc對于光滑的平板壁面，邊界層由層流開始轉變?yōu)橥牧鞯腞exc是：邊界層：化工傳遞過程基礎平板層流邊界層積分動量方程近似解ux與y之間的關系式層流邊界層計算公式：阻力計算公式：阻力系數(shù)計算公式：其中：化工傳遞過程基礎第五章湍流概念湍流（特點、起因及表征）；瞬時量、脈動量和時均量；普蘭德混合長；光滑管和粗糙管（水力光滑、半粗糙和完全粗糙）；計算通用速度分布方程（計算層流內(nèi)層、緩沖層、湍流邊界層內(nèi)的速度分布和各層厚度）；光滑管和粗糙管的阻力計算；平板壁面湍流邊界層的近似計算化工傳遞過程基礎第一節(jié)湍流的特點、起因及表征一、湍流的特點質點的脈動；湍流流動阻力遠遠大于層流流動阻力；質點高頻脈動和混合，使在流動垂直的方向上，流體速度分布較層流均勻；二、湍流的起因（必要條件）

漩渦形成后脫離原來的流層或流束進入臨近的流層或流束；

漩渦的形成；流體的粘性、流層的波動、邊界層的分離、流體流過某些尖緣處；茹科夫斯基升力、慣性力、形體阻力和摩擦阻力；內(nèi)部結構的改觀，產(chǎn)生漩渦的交換；形成湍流。重要化工傳遞過程基礎三、湍流的表征（一）時均量和脈動量時均速度脈動速度總速度（二）湍流強度速度的平均值，穩(wěn)態(tài)湍流指時均值不隨時間變化因脈動高于或低于時均速度的部分湍流流動三維表示，一維湍流指時均速值僅沿一個坐標方向變化。其他兩個方向的脈動速度仍然存在。e.gI小？I大？化工傳遞過程基礎第二節(jié)湍流時的運動方程

不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動層流流動湍流流動連續(xù)性方程化工傳遞過程基礎層流流動湍流流動

運動方程雷諾應力化工傳遞過程基礎第三節(jié)湍流的半經(jīng)驗理論

普蘭德混合長理論湍流流動中，流體團的脈動與分子的隨機運動相似，即在一定距離內(nèi)，脈動的流體團將不和其他流體團相碰因而保持自己的動量不變。只是在走了的距離后才和那里的流體團摻混，改變了自己的動量，稱為普蘭德混合長。

雷諾應力與時均速度之間的關系式基本上與流速無關，有長度的因次化工傳遞過程基礎第四節(jié)圓管中的湍流一、光滑圓管湍流時的通用速度分布方程（1）層流內(nèi)層(0≤y+≤5)（2）緩沖層(5≤y+≤30)（3）湍流主體(y+≥30)式中，u+和y+為無因次速度和無因次距離化工傳遞過程基礎二、光滑圓管中的速度與流動阻力與范寧摩擦系數(shù)f相連摩擦系數(shù)的經(jīng)驗公式布拉修斯：化工傳遞過程基礎Re→f→u*→y*

→y+（通用速度方程）→u+→u解題思路：→各層邊界層厚度（各層邊界層公式）化工傳遞過程基礎三、粗糙管中的速度分布與流動阻力絕對粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度，以e表示；相對粗糙度：指絕對粗糙度與管徑的比值，以e/d表示；（1）水力光滑管粗糙度對層流和過渡區(qū)幾乎沒有影響，可不必區(qū)分光滑管和粗糙管；圓管內(nèi)流體流動為湍流時，粗糙度會嚴重影響阻力系數(shù)的數(shù)值；與粗糙度無關！（2）過渡型圓管（3）完全粗糙管既與Re，又和相對粗糙度相關！只與相對粗糙度相關！化工傳遞過程基礎第五節(jié)平板壁面上湍流邊界層的近似解邊界層積分動量方程+布拉修斯的1/7次方定律化工傳遞過程基礎Review第一章傳遞過程概論基本概念流體；密度和比體積；流速與流率；粘度與運動粘度；雷諾數(shù)；不可壓縮流體；穩(wěn)態(tài)流動；牛頓型流體；理想流體；動量、熱量及質量通量的普遍表達式；第二章連續(xù)性方程與運動方程隨體導數(shù)；微分質量衡算方程；基本概念不可壓縮流體的連續(xù)性方程；計算公式化工傳遞過程基礎第三章運動方程的應用基本概念爬流及勢流；計算公式阻力及阻力系數(shù)；平板及圓管（充分發(fā)展流段）的速度分布及流動阻力；第四章邊界層流動（層流）基本概念邊界層定義、形成與發(fā)展；邊界層厚度；邊界層分離；計算公式臨界距離；臨界雷諾數(shù)；邊界層厚度；速度分布；流動阻力；第五章湍流基本概念湍流特點、起因及表征；粗糙管與流動阻力；計算公式邊界層厚度；速度分布；流動阻力；化工傳遞過程基礎基本概念密度和比體積：流速與流率：主體流動速度：邊界層內(nèi)流率：流體：氣體和液體統(tǒng)稱為流體化工傳遞過程基礎粘度與運動粘度：雷諾數(shù)物理意義：平板上：臨界雷諾數(shù)：平板長L：化工傳遞過程基礎穩(wěn)態(tài)流動：當流體流過任一截面時，流速等有關的物理量不隨時間而變化不可壓縮流體：密度不隨空間位置和時間變化的流體理想流體；完全沒有粘性的流體牛頓型流體；遵循牛頓粘性定律的流體通量的普遍表達式：（通量）=—（擴散系數(shù)）x（濃度梯度）化工傳遞過程基礎隨體導數(shù)微分質量衡算方程（流出質量流率）-（流入質量流率）+（累積質量流率）=0爬流及勢流；爬流：流速非常低的流動（粘性力＞＞慣性力），可忽略慣性力Re<1勢流：理想流體的無旋流動（慣性力＞＞粘性力），可忽略粘性力Re非常大貼近物體壁面區(qū)域粘性力不能忽略！化工傳遞過程基礎邊界層定義在壁面附近區(qū)域，存在著一薄的流體層。在該層流體中，與流動相垂直方向上的速度梯度很大，這樣的一層流體稱為邊界層。形成與發(fā)展形成：一流體以u0流到平板前緣時，緊貼壁面的流體停滯不動，流速為零，從而在垂直于流動的方向上建立起一個速度梯度。與此速度梯度相應的剪應力將促使靠近壁面的一層流體的流速減慢，開始形成邊界層。發(fā)展：隨著流體沿平板的向前流動，邊界層在壁面上逐漸加厚。在平板前部的一段距離內(nèi)，邊界層的厚度較小，流體維持層流流動，相應的邊界層稱為層流邊界層。經(jīng)過這段距離后，邊界層中的流動型態(tài)由層流經(jīng)一過渡區(qū)逐漸轉為湍流，此時的邊界層稱為湍流邊界層。邊界層厚度；化工傳遞過程基礎邊界層分離；現(xiàn)象：當一粘性流體流過曲面物體，物體表面曲率較大時，邊界層與固體壁面相脫離。后果：壁面附件的流體發(fā)生倒流并產(chǎn)生漩渦，導致流體能量的大量損失。必要條件：物面附件的流動區(qū)域中存在逆壓梯度；流體的粘性；逆壓梯度：dp/dx>0，壓力沿流動方向遞增，而流速遞減。此區(qū)域稱為逆壓區(qū)?；鬟f過程基礎湍流的特點質點的脈動；湍流流動阻力遠遠大于層流流動阻力；質點高頻脈動和混合，使在流動垂直的方向上，流體速度分布較層流均勻；湍流的起因（必要條件）

漩渦形成后脫離原來的流層或流束進入臨近的流層或流束；

漩渦的形成；流體的粘性、流層的波動、邊界層的分離、流體流過某些尖緣處；茹科夫斯基升力、慣性力、形體阻力和摩擦阻力；內(nèi)部結構的改觀，產(chǎn)生漩渦的交換；形成湍流。湍流的表征（時均速度、脈動速度、總速度）化工傳遞過程基礎管中流動阻力層流區(qū)：粗糙管與光滑管中的阻力系數(shù)相同；過渡區(qū)：幾乎也和相對粗糙度（e/d）無關；湍流區(qū)：視管內(nèi)粗糙度而定；（1）水力光滑管與粗糙度無關！（2）過渡型圓管（3）完全粗糙管既與Re，又和相對粗糙度相關！只與相對粗糙度相關！化工傳遞過程基礎計算公式不可壓縮流體的連續(xù)性方程阻力平板壁面上層流邊界層：平板壁面（充分發(fā)展流段）流動阻力：圓管（充分發(fā)展流段）流動阻力：化工傳遞過程基礎速度分布：平板壁面（層流邊界層）：平板壁面（湍流邊界層）：平板壁面（充分發(fā)展流段）：圓管（充分發(fā)展流段）：化工傳遞過程基礎邊界層厚度層流：湍流：化工傳遞過程基礎考題：選擇題（1分）1.若對一長度超過臨界長度的平板，采用湍流阻力系數(shù)計算該板所受的摩擦阻力，則結果A.合理B.不合理C.偏大D.偏小2.下面哪個因素與湍流的起因無關？A.不穩(wěn)定流動B.粘性流體C.漩渦的形成D.漩渦脫離原來流層3.本書所介紹的速度邊界層厚度的定義為？A.90B.100C.99D.80化工傳遞過程基礎4.在完全粗糙狀態(tài)下，阻力系數(shù)與什么因素有關？A.相對粗糙度B.粗糙度和雷諾數(shù)C.雷諾數(shù)D.相對粗糙度和雷諾數(shù)5.空氣已速度u0分別沿平板的長度方向和寬度方向（長是寬的3倍）層流流動，在此情況平板所受到的摩擦阻力是？A.不變的B.前者是后者情況的3倍C.前者小于后者D.前者大于后者6.爬流的條件？A.Re>2100B.Re<2100C.Re>1D.Re<17.沿管一維穩(wěn)定湍流流動時，存在著脈動速度的最完整答案是？A.徑向、繞軸B.軸向、繞軸C.徑向、軸向、繞軸D.繞軸、軸向化工傳遞過程基礎8.在什么流型下管壁的粗糙度對速度分布可能有影響？A.層流B.湍流C.自由流D.爬流9.一流體以u0沿板層流流動，已知層流時的摩擦阻力系數(shù)為f=1.328Re-1/2，當流速增為2u0時（仍為層流），阻力增為原來的幾倍？A.2.83B.2C.4D.2.3810.分子導熱之所以發(fā)生是由于體系內(nèi)部存在著？A.動量梯度B.濃度梯度C.溫度梯度D.速度梯度化工傳遞過程基礎填空題（每題1分）1.所謂牛頓型流體，其條件是指2.的物理意義3.是方程4.在水力光滑區(qū)中，湍流中心的速度分布不受的影響，粗糙管與光滑管所受阻力名詞解釋（每題3分）1.時均速度（用脈動速度和瞬時速度來表示）2.分子傳遞化工傳遞過程基礎簡答題（每題6分）1.有效直徑和質量都相同的流線型物體和圓球，在粘性很大的流體中緩慢下落，試討論哪個物體先落地，您的依據(jù)是什么？計算題（每題10分）1.流體（μ=0.01Ns/㎡，ρ=1000kg/m3）以2m/s速度在平板壁面上流動。假定臨界雷諾數(shù)為：Rexc=5x105，壁面上所受曳力：試計算（1）距平板前緣0.08m處邊界層厚度；（2）若平板壁面的寬度為0.5m，長度0.08m，求平板壁面上所受曳力；化工傳遞過程基礎第二篇熱量傳遞化工傳遞過程基礎第六章熱量傳遞概論與能量方程第一節(jié)熱量傳遞的基本方式一、熱傳導定義：熱量依靠物體內(nèi)部粒子的微觀運動而不依靠宏觀混合運動從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的過程稱為熱傳導，簡稱導熱。氣體導熱：氣體分子作不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果；液體導熱：導熱機理與氣體類似；固體導熱：自由電子的遷移和晶格振動；傅立葉定律化工傳遞過程基礎二、對流傳熱定義：由流體內(nèi)部各部分質點發(fā)生宏觀運動而引起的熱量傳遞過程，因而對流傳熱只能發(fā)生在有流體流動的場合。強制對流：將外力（泵或攪拌器）施加于流體上，從而促使流體微團發(fā)生運動；自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差而形成流體的密度差，從而使流體微團在固體壁面與其附近流體之間產(chǎn)生上下方向的循環(huán)運動；牛頓冷卻定律對流傳熱速率與傳熱方向垂直的傳熱面積固體壁面與流體主體之間的溫度差對流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)重點化工傳遞過程基礎三、輻射傳熱定義：由于溫度差而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳熱過程稱為輻射傳熱，簡稱熱輻射。無需任何介質；以電磁波的形式向空間傳播；化工傳遞過程基礎地板采暖示意圖BBQ以什么方式進行熱傳遞？化工傳遞過程基礎考題：在火災現(xiàn)場處于上風處的油罐也發(fā)生了爆炸，其主要原因可能是A熱傳導B熱對流C熱傳導和熱對流的聯(lián)合作用D熱輻射選擇題名詞解釋氣體導熱化工傳遞過程基礎第二節(jié)能量方程一、微分能量衡算方程熱力學第一定律：系統(tǒng)總能量的變化等于系統(tǒng)所吸收的熱與環(huán)境所作的功之差。拉格朗日方法：化工傳遞過程基礎（一）對流體微元加入的熱速率x方向輸入流體微元的熱速率：x方向輸出流體微元的熱速率：x方向凈輸入流體微元的熱速率：化工傳遞過程基礎（二）表面應力對流體微元所作的功率流體微元所做的膨脹功率流體微元因粘性力作用而作的功率，散逸熱速率化工傳遞過程基礎（二）能量微分方程流體微元內(nèi)能的增長速率由環(huán)境導入流體微元的熱速率流體微元的發(fā)熱速率流體微元所做的膨脹功率流體微元因粘性力作用而作的功率化工傳遞過程基礎二、能量方程的特定形式（一）無熱內(nèi)源不可壓縮流體的對流傳熱熱擴散系數(shù)或導溫系數(shù)：k：導熱系數(shù)cp：定壓比熱容化工傳遞過程基礎（二）固體中的導熱有內(nèi)熱源固體中的導熱：無內(nèi)熱源固體中的導熱：傅立葉第二導熱定律穩(wěn)態(tài)導熱：穩(wěn)態(tài)導熱：ux，uy，uz=0可寫成化工傳遞過程基礎第七章熱傳導針對固體中的熱傳導：直角坐標：柱坐標：化工傳遞過程基礎第一節(jié)穩(wěn)態(tài)熱傳導一、無內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導直角坐標柱坐標例如：方形燃燒爐的爐壁、蒸汽管的管壁、列管式換熱器的管壁以及球形壓力容器的器壁等?；鬟f過程基礎（一）單層平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導過程的溫度分布為一條直線！化工傳遞過程基礎（二）單層筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導通過筒壁進行徑向一維穩(wěn)態(tài)熱傳導時，溫度分布是r的對數(shù)函數(shù)！化工傳遞過程基礎第二節(jié)不穩(wěn)態(tài)熱傳導邊界條件第一類邊界條件是：給出任何時刻物體端面的溫度分布(t)；第二類邊界條件是：給出所有時刻物體端面處的導熱通量(q/A)；第三類邊界條件是：物體端面與周圍流體介質進行熱交換，端面處的導熱速率等于端面與流體之間對流傳熱速率；化工傳遞過程基礎一、忽略內(nèi)部熱阻的不穩(wěn)態(tài)導熱與集總熱容法（熱良導體）集總熱容法條件假設物體內(nèi)部熱阻與外部熱阻相比，可忽略不計的一種分析方法固體的導熱系數(shù)很大或熱內(nèi)阻很小，而環(huán)境流體與該固體表面之間的對流傳熱熱阻有比較大時，便可忽略熱內(nèi)阻，即認為在任一時刻固體內(nèi)部各處的溫度均勻一致。tb流體化工傳遞過程基礎熱量衡算，放熱速率應等于其表面與流體間的對流傳熱速率，即初始條件：令τ=t-tb初始條件：tb流體化工傳遞過程基礎忽略物體熱內(nèi)阻情況下，物體溫度與時間呈指數(shù)的定量關系式流體的主體溫度物體的初始溫度任一時刻物體的溫度流體與物體表面的對流傳熱系數(shù)物體的表面積導熱時間物體密度物體體積物體的比熱容化工傳遞過程基礎畢渥數(shù)（Biotnumber）物理意義：即，畢渥數(shù)表示了物體內(nèi)部的導熱熱阻與表面對流熱阻之比。重要！當Bi<0.1時，系統(tǒng)的傳熱可采用集總熱容法處理化工傳遞過程基礎傅立葉數(shù)（Fouriernumber）物理意義：時間之比，即無因次時間。書P142更正化工傳遞過程基礎二、忽略表面熱阻的不穩(wěn)態(tài)導熱（一）半無限大固體的不穩(wěn)態(tài)導熱表面熱阻比熱內(nèi)阻小，即Bi>>0.1；表面溫度在θ>0的所有時間內(nèi)均為一個常數(shù)，等于環(huán)境溫度；e.g相對厚（如某些墻壁）或相當長的柱體（如長棒）可近似地視為無限厚或無限長的固體?？蓪⑦@類物體的導熱問題視為只沿x方向進行的一維導熱問題處理。xyztst0（1）地面氣溫突然變化時土壤溫度隨之變化的問題；（2）大建筑物表面溫度變化時內(nèi)部溫度隨之變化的問題；（3）大塊鋼錠的熱處理問題等等：化工傳遞過程基礎熱傳導方程：初始條件和邊界條件：（1）θ=0，t=t0（對于任何x）（2）x=0，t=ts（當θ>0時）（3）x→∞，t=t0（當θ≥0時）求解：拉普拉斯變換法和合成變量法拉普拉斯變換法：求解微分方程轉變?yōu)榍蠼獯鷶?shù)方程合成變量法：兩個定解條件合并為一個定解條件化工傳遞過程基礎方程求解：引入無因次變量其中初始溫度某一端面的溫度誤差函數(shù)（高斯誤差積分）總熱量截面面積導熱系數(shù)時間化工傳遞過程基礎考題：某地區(qū)土壤的溫度初始為3.7oC，寒潮來臨使土壤表面的溫度突然降至-10oC，試計算距土壤表面1m深處的土壤層降至0oC時所經(jīng)歷的時間t(s)。已知，土壤的α=0.194x10-6m2/s土壤層內(nèi)的溫度分布遵循高斯誤差函數(shù)其中，0.760.780.800.820.720.730.740.75t0=3.7+293=296.7K，求解：ts=-10+293=283K，t=0+293=293Kη=0.78θ=588h化工傳遞過程基礎（二）兩個端面均維持恒定溫度的大平板的不穩(wěn)定導熱e.g側面方向為無限大的扁平板；側面隨不大，但絕熱良好的薄平板、短棒；邊界條件可以有兩類：（1）兩個端面均維持恒定溫度（第一類邊界條件）；（2）兩個端面與周圍流體介質進行熱交換（第三類邊界條件）；化工傳遞過程基礎熱傳導方程：初始條件和邊界條件：（1）θ=0，t=t0（2）x=±L，t=ts（3）x=0，分離變量法求解xtsts2L化工傳遞過程基礎三、內(nèi)部熱阻和表面均不能忽略時的大平板的的不穩(wěn)態(tài)導熱兩平板端面與周圍介質有熱交換時的不穩(wěn)態(tài)導熱，第三類邊界條件。熱傳導方程：初始條件和邊界條件：（1）θ=0，t=t0（2）x=L，（3）x=-L，xtsts2L化工傳遞過程基礎書P152化工傳遞過程基礎簡易圖算法：無因次溫度相對熱阻無因次時間相對位置物體的初始溫度流體介質的溫度某一瞬時、某一位置處的溫度物體表面與周圍介質之間的對流傳熱系數(shù)物體的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)平板的半厚度或由絕熱面算起的厚度某一瞬時由平板中心面或絕熱面至某點的距離化工傳遞過程基礎簡易圖算法的應用條件：（1）物體內(nèi)部無熱源；（2）一維不穩(wěn)態(tài)導熱；（3）物體初始溫度均勻為t0；（4）物體的導熱系數(shù)k為常數(shù)；（5）第三類邊界條件；（6）物體界面溫度隨時間而變；（7）流體介質的主體溫度tb為恒定值；化工傳遞過程基礎一厚度為46.2mm、溫度為278K的方塊奶油由冷藏室移至298K的環(huán)境中，奶油盛于容器中，除頂面與環(huán)境直接接觸外，各側面和底面均包在容器之內(nèi)。設容器為絕熱體。試計算5h后奶油頂面、中心面和底面處的溫度。k=0.197W/(mK),c=2300J/(kgk),ρ=998kg/m3,h=8.52W/(m2K)x1=0.0462m頂面：x=0.0462m化工傳遞過程基礎中心面：底面：化工傳遞過程基礎四、多維不穩(wěn)態(tài)導熱紐曼（Newman）法則：將一維分析解推廣到二維或三維導熱的問題。e.g二維不穩(wěn)態(tài)導熱問題可化為兩個一維不穩(wěn)態(tài)導熱問題處理；三維不穩(wěn)態(tài)導熱時的無因次溫度可以用三個一維不穩(wěn)態(tài)導熱的無因次溫度的乘積表示；化工傳遞過程基礎例：直徑為40cm，長度為40cm的圓柱形鋁棒，初始溫度為200oC。將鋁棒置于溫度為70oC環(huán)境中，求10min后距一端面4cm遠、徑向距離10cm處的溫度值。例：短圓柱：不是無限長圓柱，不能用一維熱傳導（二維）無限長圓柱和無限大平板一維不穩(wěn)態(tài)導熱的無因次溫度乘積表示求相對位置n？其他形狀的簡單物體，可視為由無限平面和無限長圓柱體組合而成；化工傳遞過程基礎微分能量方程推導：引入隨體導數(shù)概念：無熱內(nèi)源不可壓縮流體的對流傳熱化工傳遞過程基礎（一）無熱內(nèi)源不可壓縮流體的對流傳熱化工傳遞過程基礎第八章對流傳熱

對流傳熱過程中，除熱的流動外，還涉及到流體的運動。溫度場與速度場將會發(fā)生相互作用。牛頓冷卻定律對流傳熱速率與傳熱方向垂直的傳熱面積固體壁面與流體主體之間的溫度差對流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)化工傳遞過程基礎第一節(jié)對流傳熱的機理與對流傳熱系數(shù)一、對流傳熱機理固體壁面處的熱量熱傳導層流內(nèi)層熱傳導緩沖層熱傳導、渦流傳熱湍流中心渦流傳熱溫度趨于一致熱傳導渦流傳熱化工傳遞過程基礎熱阻：層流內(nèi)層的熱阻占總對流傳熱熱阻的大部分；湍流核心的溫度則較為均勻，熱阻很小；化工傳遞過程基礎二、溫度邊界層(熱邊界層)與對流傳熱系數(shù)（一）溫度邊界層(熱邊界層）定義：流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界層，亦稱熱邊界層化工傳遞過程基礎（二）對流傳熱系數(shù)牛頓冷卻定律對流傳熱速率與傳熱方向垂直的傳熱面積固體壁面(ts)與流體主體(tb)之間的溫度差對流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)tb的選?。浩桨灞诿孢吔鐚又袀鳠釙r：取流體的平均溫度t0；管內(nèi)強制層/湍流時：取截面上流體的主體溫度或平均溫度tb；h是關鍵化工傳遞過程基礎平板壁面（對流傳熱系數(shù)h）假設壁面溫度高于流體溫度，對于某一壁面距離x處的微元面積而言，流體與壁面之間的對流傳熱速率可表示為：由于緊貼壁畫的一層流體其速度為零，故通過該微元面積向流體的傳熱是以熱傳導方式進行的，因此傳熱速率可用傅立葉定律描述．即穩(wěn)態(tài)傳熱時化工傳遞過程基礎局部對流傳熱系數(shù)hx與壁面流體溫度梯度的關系為：平均對流傳熱系數(shù)hm與hx的關系為：hm：流體流過距離L的平均對流傳熱系數(shù)化工傳遞過程基礎第二節(jié)平板壁面對流傳熱系數(shù)與平板壁面溫度不同的流體，在其上做穩(wěn)態(tài)平行層流時，在壁面附近將同時建立速度邊界層(流動邊界層)和溫度邊界層(熱邊界層)。溫度邊界層速度邊界層溫度邊界層速度邊界層速度邊界層和溫度邊界層同時發(fā)展速度邊界層和溫度邊界層相差x0δt可以>，<，或=δ，視普蘭德數(shù)Pr定化工傳遞過程基礎（一）邊界層能量方程首先結合相應的邊界條件，由普蘭德邊界層方程出發(fā)，求出邊界層內(nèi)的速度分布，然后將此速度分布代人能量方程中，并結合邊界條件解出溫度分布，最后通過溫度梯度與對流傳熱系數(shù)的關系式，計算對流傳熱系數(shù)h。求解步驟：化工傳遞過程基礎（二）邊界層能量方程的精確解普蘭德常數(shù)：局部努塞爾數(shù)：化工傳遞過程基礎局部對流傳熱系數(shù)：局部努塞爾數(shù)：平均對流傳熱系數(shù)：平均努塞爾數(shù)：化工傳遞過程基礎溫度邊界層（層流）：適用于恒壁溫條件下光滑平板壁面上層流邊界層的穩(wěn)態(tài)傳熱的計算，應用范圍為0.6＜Pr＜15．ReL＜5x105。各式中的物性值采用平均溫度tf下的值，tf可表示為化工傳遞過程基礎化工傳遞過程基礎牛頓冷卻定律h是關鍵對流傳熱速率與傳熱方向垂直的傳熱面積固體壁面(ts)與流體主體(tb)之間的溫度差對流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)化工傳遞過程基礎局部對流傳熱系數(shù)：局部努塞爾數(shù)：溫度邊界層（層流）：適用于恒壁溫條件下光滑平板壁面上層流邊界層的穩(wěn)態(tài)傳熱的計算，應用范圍為0.6＜Pr＜15．ReL＜5x105。各式中的物性值采用平均溫度tf下的值，tf可表示為平均對流傳熱系數(shù)：平均努塞爾數(shù)：化工傳遞過程基礎例題：常壓下20℃的空氣，以15m/s的速度流過一溫度為100℃的光滑平板壁面，試求臨界長度處速度邊界層厚度、溫度邊界層厚度及對流傳熱系數(shù)。設傳熱由平板前緣開始，試求臨界長度一段平扳單位寬度的總傳熱速率。已知Rexc＝5x105。解：定性溫度為在60oC的溫度下，空氣的物性值由有關數(shù)據(jù)表查出為ν＝0.1897×10-4m2/s,k＝2.893×10-2W/(m·K),求臨界長度Pr＝0.698化工傳遞過程基礎求速度邊界層厚度δ求溫度邊界層厚度δt求對流傳熱系數(shù)hx，hm和傳熱速率q通過L=0.63m、寬度為1m平板壁面的傳熱速率為：化工傳遞過程基礎二、平板壁面上層流傳熱的近似解溫度邊界層熱流方程：適用條件：流動并非高速、流體亦不具有很高的粘性；既適用于層流邊界層的傳熱計算，也適用于湍流邊界層的計算必須知道速度分布方程和溫度分布方程求解該式：化工傳遞過程基礎速度分布方程：溫度分布方程：化工傳遞過程基礎溫度邊界層厚度近似解：平均對流傳熱系數(shù)：平均努塞爾數(shù)：以上各式中的物性值的定性溫度均取t0與ts的平均溫度，即取化工傳遞過程基礎三、圓管湍流傳熱的類似律類比法：基本原理是利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性，通過動量傳遞中易于求得的摩擦系數(shù)求取對流傳熱系數(shù)。斯坦頓數(shù)(stantonnumber)，記為St（一）雷諾(Reynolds)類似律雷諾假設，當湍流流體與壁面間進行動量、熱量傳遞時，湍流中心一直延伸至壁面，故雷諾類似律為一層模型。化工傳遞過程基礎（二）普蘭德(Prandtl)-泰勒(Taylor)類似律普蘭德和泰勒認為湍流邊界層內(nèi)湍流主體和層流內(nèi)層組成，此即所謂的二層模型。（三）馮·卡門(vonKarman)類似律卡門認為，湍流邊界層由湍流主體、緩沖層和層流內(nèi)層組成。此即所謂的三層模型?；鬟f過程基礎（四）柯爾本(Colburn)類似律契爾頓(Chilton)和柯爾本(Colburn)采用實驗方法，關聯(lián)了對流傳熱系數(shù)與范寧摩擦系數(shù)之間的關系，得到了以實驗為基礎的類似律，稱為柯爾本類似律或jH因數(shù)類似法。化工傳遞過程基礎熱量傳遞復習化工傳遞過程基礎第六章熱量傳遞概論與能量方程熱量傳遞的基本形式熱傳導、對流傳熱、輻射傳熱能量方程的特定形式（一）無熱內(nèi)源不可壓縮流體的對流傳熱（二）固體中的導熱有內(nèi)熱源固體中的導熱穩(wěn)態(tài)導熱無內(nèi)熱源固體中的導熱穩(wěn)態(tài)導熱化工傳遞過程基礎熱擴散系數(shù)或導溫系數(shù)：k：導熱系數(shù)：cp：定壓比熱容：（一）無熱內(nèi)源不可壓縮流體的對流傳熱化工傳遞過程基礎（二）固體中的導熱有內(nèi)熱源固體中的導熱：無內(nèi)熱源固體中的導熱：傅立葉第二導熱定律穩(wěn)態(tài)導熱：穩(wěn)態(tài)導熱：ux，uy，uz=0可寫成化工傳遞過程基礎定義：熱量依靠物體內(nèi)部粒子的微觀運動而不依靠宏觀混合運動從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動的過程稱為熱傳導，簡稱導熱。氣體導熱：氣體分子作不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果；液體導熱：導熱機理與氣體類似；固體導熱：自由電子的遷移和晶格振動；第七章熱傳導基本能量微分方程：直角坐標：柱坐標：化工傳遞過程基礎忽略內(nèi)熱源不穩(wěn)態(tài)熱傳導邊界條件：第一類邊界條件是：給出任何時刻物體端面的溫度分布(t)；第二類邊界條件是：給出所有時刻物體端面處的導熱通量(q/A)；第三類邊界條件是：物體端面與周圍流體介質進行熱交換，端面處的導熱速率等于端面與流體之間對流傳熱速率；忽略內(nèi)熱源一維穩(wěn)態(tài)導熱：直角坐標柱坐標重點化工傳遞過程基礎

忽略內(nèi)部熱阻的熱傳導----集總熱容法條件定義：假設物體內(nèi)部熱阻與外部熱阻相比，可忽略不計的一種分析方法。固體的導熱系數(shù)很大或熱內(nèi)阻很小，而環(huán)境流體與該固體表面之間的對流傳熱熱阻有比較大時，便可忽略熱內(nèi)阻，即認為在任一時刻固體內(nèi)部各處的溫度均勻一致。畢渥數(shù)（Biotnumber）即，畢渥數(shù)表示了物體內(nèi)部的導熱熱阻與表面對流熱阻之比。重要！當Bi<0.1時，系統(tǒng)的傳熱可采用集總熱容法處理化工傳遞過程基礎忽略物體熱內(nèi)阻情況下，物體溫度與時間呈指數(shù)的定量關系式流體的主體溫度物體的初始溫度任一時刻物體的溫度流體與物體表面的對流傳熱系數(shù)物體的表面積導熱時間物體密度物體體積物體的比熱容化工傳遞過程基礎忽略表面熱阻的熱傳導----半無限大固體的不穩(wěn)態(tài)導熱（1）地面氣溫突然變化時土壤溫度隨之變化的問題；（2）大建筑物表面溫度變化時內(nèi)部溫度隨之變化的問題；（3）大塊鋼錠的熱處理問題等等：其中初始溫度某一端面的溫度誤差函數(shù)（高斯誤差積分）總熱量：截面面積導熱系數(shù)時間溫度分布：化工傳遞過程基礎

內(nèi)部熱阻和表面均不能忽略時的大平板的的不穩(wěn)態(tài)導熱簡易圖算法：相對位置平板的半厚度或由絕熱面算起的厚度某一瞬時由平板中心面或絕熱面至某點的距離兩平板端面與周圍介質有熱交換時的不穩(wěn)態(tài)導熱，第三類邊界條件。適用于：無限大平板、無限長圓柱體、球體；一維導熱；xtsts2Lx1x1化工傳遞過程基礎多維不穩(wěn)態(tài)導熱紐曼（Newman）法則：將一維分析解推廣到二維或三維導熱的問題。定義：二維或三維不穩(wěn)態(tài)導熱，稱為多維不穩(wěn)態(tài)導熱。e.g長方體：三維導熱問題（x,y,z）

紐曼法則：三個無限大平板的一維不穩(wěn)態(tài)導熱；化工傳遞過程基礎e.g短圓柱體：二維導熱問題（徑向和軸向）

紐曼法則：無限長圓柱和無限大平板兩個一維不穩(wěn)態(tài)導熱化工傳遞過程基礎第八章對流傳熱定義：由流體內(nèi)部各部分質點發(fā)生宏觀運動而引起的熱量傳遞過程，因而對流傳熱只能發(fā)生在有流體流動的場合。溫度場與速度場將會發(fā)生相互作用。牛頓冷卻定律對流傳熱速率與傳熱方向垂直的傳熱面積固體壁面(ts)與流體主體(tb)之間的溫度差對流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)tb的選?。浩桨灞诿孢吔鐚又袀鳠釙r：取流體的平均溫度t0；管內(nèi)強制層/湍流時：取截面上流體的主體溫度或平均溫度tb；h是關鍵化工傳遞過程基礎熱阻分布（根據(jù)對流傳熱機理）：層流內(nèi)層的熱阻占總對流傳熱熱阻的大部分；湍流核心的溫度則較為均勻，熱阻很小；化工傳遞過程基礎溫度邊界層(熱邊界層）：流動流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界層。

光滑平板壁面上層流邊界層的穩(wěn)態(tài)傳熱：局部對流傳熱系數(shù)：局部努塞爾數(shù)：平均對流傳熱系數(shù)：平均努塞爾數(shù)：化工傳遞過程基礎溫度邊界層（層流）：適用于恒壁溫條件下光滑平板壁面上層流邊界層的穩(wěn)態(tài)傳熱的計算，應用范圍為0.6＜Pr＜15．ReL＜5x105。各式中的物性值采用平均溫度tf下的值，tf可表示為化工傳遞過程基礎溫度邊界層熱流方程：必須知道速度分布方程和溫度分布方程速度分布方程：溫度分布方程：層流：層流：湍流：湍流：化工傳遞過程基礎圓管湍流傳熱的類似律

類比法：基本原理是利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性，通過動量傳遞中易于求得的摩擦系數(shù)求取對流傳熱系數(shù)。（一）雷諾(Reynolds)類似律雷諾假設，當湍流流體與壁面間進行動量、熱量傳遞時，湍流中心一直延伸至壁面，故雷諾類似律為一層模型。（二）普蘭德(Prandtl)-泰勒(Taylor)類似律普蘭德和泰勒認為湍流邊界層內(nèi)湍流主體和層流內(nèi)層組成，此即所謂的二層模型?；鬟f過程基礎（三）馮·卡門(vonKarman)類似律卡門認為，湍流邊界層由湍流主體、緩沖層和層流內(nèi)層組成。此即所謂的三層模型。（四）柯爾本(Colburn)類似律契爾頓(Chilton)和柯爾本(Colburn)采用實驗方法，關聯(lián)了對流傳熱系數(shù)與范寧摩擦系數(shù)之間的關系，得到了以實驗為基礎的類似律，稱為柯爾本類似律或jH因數(shù)類似法。化工傳遞過程基礎一、選擇題直接給出邊界上的值屬于（）P141A.第一類邊界條件B.第二類邊界條件C.第三類邊界條件D.初始條件2.分子導熱之所以發(fā)生是由于體系內(nèi)部存在著（）A.動量梯度B.濃度梯度C.溫度梯度D.速度梯度3.測量溫度的熱電偶（球形），其球形內(nèi)的溫度變化可以用什么函數(shù)或方法來描繪P141A.球形非穩(wěn)定導熱法B.高斯誤差函數(shù)C.球形穩(wěn)定導熱法D.集總熱容法4.方程為（）P130A.傅里葉方程B.傅里葉第二定律C.傅里葉第三定律D.導熱定律化工傳遞過程基礎5.測量人體溫度的水銀溫度計，其圓柱形水銀泡內(nèi)的溫度變化用什么函數(shù)或方法來描繪？（）P141A.圓柱的穩(wěn)定導熱法B.集總熱容法C.高斯誤差函數(shù)D.無窮級數(shù)函數(shù)6.將溫度為200℃，直徑為40cm，長度為40cm的圓柱形棒置于50℃的環(huán)境中冷卻，可以通過查下面哪種類型的不穩(wěn)態(tài)導熱算圖，求棒內(nèi)的溫度分布？（）P156A.一維不穩(wěn)定導熱B.二維不穩(wěn)定導熱C.三維穩(wěn)定導熱D.三維穩(wěn)定導熱7.將溫度為200℃，長度為5cm，寬度為4cm，高為80cm的長方形金屬棒置于50℃的環(huán)境中冷卻，可通過查下面哪種類型的不穩(wěn)態(tài)導熱算圖，求棒內(nèi)的溫度分布（）P147A.無限長圓柱和無限大平板B.無限長圓柱C.球體D.無限大平板8.在火災現(xiàn)場處于上風處的油罐發(fā)生了爆炸，其主要原因可能是（）A.熱傳導B.熱對流C.熱傳導和熱對流的聯(lián)合作用D.熱輻射化工傳遞過程基礎二、填空題寫出沿平板傳熱的努賽爾數(shù)Nu與對流傳熱系數(shù)h的關系式P170根據(jù)Newman法則，長方體不穩(wěn)定導熱可采用個解的乘積來求解。P156大平板厚度18mm，采用圖算法求離板平面3mm處的溫度，查圖時x應取為P152對于忽略內(nèi)部熱阻的導熱過程，準數(shù)溫度分布與時間呈

的函數(shù)關系。P142化工傳遞過程基礎三、名詞解釋1、氣體導熱P1232、多維不穩(wěn)態(tài)流動P1553、Newman法則P155化工傳遞過程基礎四、問答題寫出畢渥數(shù)Bi的定義和物理意義，并說明為何Bi<0.1可按集總熱容法處理。P142化工傳遞過程基礎P171化工傳遞過程基礎化工傳遞過程基礎第三篇質量傳