传递过程原理PPT讲稿.ppt

传递过程原理传递过程原理第1页，共32页，编辑于2022年，星期四 序序 言言三传三传的概念在的概念在19601960年之前并未被人们普遍接受，年之前并未被人们普遍接受，而在而在19601960年前后才出现了年前后才出现了“动量、热量与质动量、热量与质量传递量传递”或或“传递现象传递现象”这一课程。这一课程。事实上，动量、热量与质量的传递是密不事实上，动量、热量与质量的传递是密不可分的，可分的，比如：如何有效移除反应堆中心部位由比如：如何有效移除反应堆中心部位由裂变所产生的热量以防过热！裂变所产生的热量以防过热！第2页，共32页，编辑于2022年，星期四工工业业废废气气排排放放：必必须须使使其其排排放放到到高高层层大大气气中中，以以便便在在污污染染物物下下降降至至地地表表面面时时，其其浓浓度度降降至至允允许许的的国国家家标标准准范范围围以以内内。预预测测该该浓浓度度，需需要了解要了解质量传递质量传递和和动量传递动量传递过程。过程。冷冷却却塔塔：更更是是集集热热量量、动动量量和和质质量量传传递递现现象于一体象于一体 的设施。的设施。与与热热力力学学不不同同，传传递递是是一一门门探探讨讨速速率率过过程程的的科科学学。在在速速率率这这个个概概念念上上，三三种种传传递递过程之间存在着基本的类似性。过程之间存在着基本的类似性。第3页，共32页，编辑于2022年，星期四学习该课程的两个最基本学习该课程的两个最基本目的目的：（1 1）帮帮助助了了解解各各类类传传递递过过程程的的机机理理。这这对对于于涉涉及及传传递递过过程程的的设设备备设设计计、操操作作和和控控制制可可以提供理论基础。以提供理论基础。（2 2）为为所所研研究究的的过过程程提提供供基基础础数数学学模模型型，使过程开发周期大大缩短。使过程开发周期大大缩短。第4页，共32页，编辑于2022年，星期四第一章第一章 动量、热量与质量传递导论动量、热量与质量传递导论平衡态：平衡态：物系的强度性质；如温度、浓度物系的强度性质；如温度、浓度 等物理量不存在梯度等物理量不存在梯度热平衡：指物系内各个点的温度均匀一致热平衡：指物系内各个点的温度均匀一致不平衡态：不平衡态：物系内具有强度性质的物理量物系内具有强度性质的物理量 不均匀时，物系就会发生变化，不均匀时，物系就会发生变化，它要朝着平衡态方向转变。它要朝着平衡态方向转变。第5页，共32页，编辑于2022年，星期四传递过程：传递过程：处于不平衡态的物系内，物理处于不平衡态的物系内，物理 量向平衡方向转移的过程。量向平衡方向转移的过程。一般为质量、能量、动量和电量等。一般为质量、能量、动量和电量等。质量传递：质量传递：高浓度区高浓度区 低浓度区低浓度区能量传递：能量传递：高温区高温区 低温区低温区动量传递：动量传递：垂直于流动方向上，垂直于流动方向上，由高速区由高速区低速区低速区理由：理由：存在梯度之故存在梯度之故第6页，共32页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 动量、热量与质量动量、热量与质量 传递的类似传递的类似现象现象定律：定律：三传三传既可由分子的微观运动既可由分子的微观运动 引起，引起，分子传递分子传递也可由漩涡混合造成流体微团的宏观运也可由漩涡混合造成流体微团的宏观运动引起，动引起，涡流传递涡流传递描述分子传递的描述分子传递的三传定律三传定律分别是：分别是：牛顿粘性牛顿粘性定律，定律，傅立叶傅立叶定律和定律和费克费克定律，定律，它们总称为它们总称为现象现象定律。定律。第7页，共32页，编辑于2022年，星期四一、一、牛顿粘性牛顿粘性定律：定律：理想流体：理想流体：无粘性，两相互接触的流体层无粘性，两相互接触的流体层 间不产生剪切力；间不产生剪切力；实际流体：实际流体：有粘性，流体层间会产生剪切力有粘性，流体层间会产生剪切力两两块块无无限限大大的的平平行行平平板板，上上块块静静止止，下下块块运运动动，速速度度u u，中中间间充充满满流流体体，因因粘粘性性的的存存在在，最最下下层层流流体体必必随随板板运运动动，速速度度u uo o,最最上上层层流流体体也也必必随随板板静静止止，速速度度0 0，u0dyuu-du静止静止u0第8页，共32页，编辑于2022年，星期四同同样样，因因粘粘性性，速速度度为为u uo o的的流流体体必必然然将将其其动动量量的的一一部部分分传传递递给给相相邻邻的的流流体体，而而使使后后者者的的速速度度为为u u，当当然然u u u uo o一一直直这这样样传传下下去去，直直至至上上层层办办流流体体速速度度为为0 0。这这样样就就在在u uo o和和u u之之间间建建立立了了速速度梯度分布。度梯度分布。实实验验证证明明，当当u uo o不不是是很很大大，流流体体处处于于层层流流范范围围内内时时，动动量量传传递递通通量量与与速速度度梯梯度度成成正正比比，即：即：第9页，共32页，编辑于2022年，星期四动量通量又称动量通量又称剪应力剪应力，单位面积上的剪应力。，单位面积上的剪应力。剪应力，剪应力，N/mN/m2 2 粘度（动力粘度），粘度（动力粘度），N NS/mS/m2 2“-”表示动量通量的方向与速度梯度的方向表示动量通量的方向与速度梯度的方向 相反。相反。剪应力剪应力是作用在垂直于是作用在垂直于y y方向单位面积上的方向单位面积上的力，或力，或x x-动量在动量在y y方向上的通量。方向上的通量。粘粘度度：流流体体的的一一种种物物理理性性质质，仅仅与与流流体体状状态态有有关关，即即只只与与流流体体的的压压力力、温温度度、组组成成有有关关，而而与与速度梯度速度梯度和和剪应力剪应力无关。无关。第10页，共32页，编辑于2022年，星期四粘度的规律：粘度的规律：（同种物质在相同温度下（同种物质在相同温度下g L)气体粘度：气体粘度：T g 液体粘度：液体粘度：T L 气体和液体：气体和液体：P 牛顿型流体：牛顿型流体：遵循牛顿粘性定律的流体均是，如：遵循牛顿粘性定律的流体均是，如：所有的气体和大多数低分子量的液体。所有的气体和大多数低分子量的液体。非牛顿型流体：非牛顿型流体：不遵循牛顿粘性定律的流体，如：不遵循牛顿粘性定律的流体，如：泥浆、污水、高分子溶液和油漆等等。泥浆、污水、高分子溶液和油漆等等。属流变学范畴属流变学范畴第11页，共32页，编辑于2022年，星期四二、傅立叶定律（二、傅立叶定律（fouriefouries law)s law)对于导热现象，可用傅立叶定律描述之：对于导热现象，可用傅立叶定律描述之：q/Aq/A 为热通量为热通量,k k 为导热系数为导热系数“-”表表示示热热通通量量与与温温度度梯梯度度的的方方向向相相反反，即即热热量量是是由由高温向低温方向传递高温向低温方向传递.导热系数导热系数k k 是物质的物理性质，是温度的函数。是物质的物理性质，是温度的函数。固体和液体：固体和液体：k k与压力关系不大与压力关系不大气体：气体：k k与压力有关与压力有关第12页，共32页，编辑于2022年，星期四三、费克定律（三、费克定律（FickFicks law)s law)基基于于两两组组分分系系统统，组组分分A A在在组组分分B B中中由由于于分分子子扩扩散所产生的质量通量，可由下式描述：散所产生的质量通量，可由下式描述：j jA A 组分组分A A的质量通量的质量通量D DABAB 组分组分A A在在B B中的扩散系数中的扩散系数“-”表表示示质质量量通通量量的的方方向向与与浓浓度度梯梯度度的的方方向向 相反相反D DABAB 与与组组分分的的种种类类、压压力力、温温度度、组组成成等等因因素素有关。有关。第13页，共32页，编辑于2022年，星期四小小结结：上上述述三三定定律律都都用用来来描描述述由由于于分分子子间间无无规规则则运运动动所所引引起起的的三三类类传传递递现现象象，它它们们具具有有类类似似性性，即即 各各过过程程所所传传递递的的物物理理量量均均与与其其相相应应的的强强度度因因素素的的梯梯度度成成正正比比，并并且且都都沿沿着着负负梯梯度度的的方方向向传传递；递；各各式式的的系系数数都都是是物物性性常常数数，它它们们只只是是状状态态的的函数，与传递的物理量多少和梯度的大小无关。函数，与传递的物理量多少和梯度的大小无关。上述三定律又称为分子传递线性定律上述三定律又称为分子传递线性定律。第14页，共32页，编辑于2022年，星期四 1-2 1-2 三传的普遍表达式三传的普遍表达式一、动量通量一、动量通量 对对于于不不可可压压缩缩流流体体，即即为为常常数数的的流流体体，牛牛顿定律可写成：顿定律可写成：动量通量，其单位为：动量通量，其单位为：第15页，共32页，编辑于2022年，星期四运动粘度，其单位为：运动粘度，其单位为：uu x x动量浓度，其单位为：动量浓度，其单位为：动量浓度梯度，其单位为：动量浓度梯度，其单位为：第16页，共32页，编辑于2022年，星期四从从上上述述各各量量的的因因次次可可以以看看出出：剪剪应应力力即即单单位时间通过单位面积的动量。位时间通过单位面积的动量。因因此此可可表表示示动动量量通通量量，它它等等于于动动量量扩扩散散系系数数（运动粘度）乘以动量浓度梯度的负值。（运动粘度）乘以动量浓度梯度的负值。动量通量动量通量-（动量扩散系数）（动量扩散系数）（动量浓度梯度）（动量浓度梯度）第17页，共32页，编辑于2022年，星期四二、热量通量二、热量通量傅立叶定律可写成：傅立叶定律可写成：热扩散系数热扩散系数该定律可理解为：导热通量该定律可理解为：导热通量（热扩散系数）（热扩散系数）（热量浓度梯度）（热量浓度梯度）第18页，共32页，编辑于2022年，星期四三、质量通量三、质量通量 对对FickFick定定律律中中个个动动量量物物理理意意义义和和单单位位不不需需要要变形就可直接进行分析：变形就可直接进行分析：质量通量质量通量 （质量扩散系数）（质量扩散系数）（质量浓度梯度）（质量浓度梯度）第19页，共32页，编辑于2022年，星期四通过分析可以得出以下几条结论通过分析可以得出以下几条结论:动动量量、热热量量与与质质量量传传递递的的通通量量，都都等等于于该该量量的的扩扩散散系系数数与与该该量量浓浓度度梯梯度度乘乘积积的的负负值值，故故三三类类分分子子传传递递过过程程可可用用一一个个普普遍遍化化的表达式来表达即：的表达式来表达即：通量（扩散系数）通量（扩散系数）（浓度梯度）（浓度梯度）动动量量、热热量量与与质质量量扩扩散散系系数数、和和DAB具有相同的因次，均为具有相同的因次，均为m2/s第20页，共32页，编辑于2022年，星期四 通通量量为为向向量量，它它代代表表动动量量、热热量量与与质质量量传传递递的的方方向向和和量量值值，通通量量的的方方向向永永远远与与该该量量梯梯度度的的方方向向相相反反，故故其其表表达达式式中中有有“负负”号。号。现象方程：现象方程：（phenomenological equation）将将通通量量等等于于扩扩散散系系数数乘乘以以浓浓度度梯梯度度的的方方程程称称为现象方程。为现象方程。三传有着统一的三传有着统一的现象方程现象方程。第21页，共32页，编辑于2022年，星期四梯度与通量的方向作如下规定：梯度与通量的方向作如下规定：沿沿坐坐标标轴轴的的方方向向是是通通量量的的正正方方向向，坐坐标标轴轴的的负负方方向向则则是是梯梯度度的的正正方方向向。因因此此：现现象象方方程程中有中有“负负”号时表示传递方向与坐标轴同向；号时表示传递方向与坐标轴同向；反反之之，现现象象方方程程中中有有“正正”号号时时，表表示示传传递递方方向与坐标轴反向，而梯度与坐标轴同向。向与坐标轴反向，而梯度与坐标轴同向。第22页，共32页，编辑于2022年，星期四1-3 涡流传递的类似性涡流传递的类似性 前前述述的的现现象象方方程程是是用用来来描描述述分分子子运运动动所所产产生生的的传传递递方方向向的的，而而这这种种传传递递过过程程只只在在少少数数情情况况下下出出现现，如如固固体体或或静静止止的的液液体体或或层层流流流流动动的的流流体内的传热或动量、质量传递便属于体内的传热或动量、质量传递便属于分子传递分子传递。实实际际工工作作状状态态下下，大大多多数数流流体体都都处处于于湍湍流流流流动。动。在在湍湍流流流流体体中中，由由于于存存在在大大大大小小小小的的漩漩涡涡，故除了分子传递外，还有故除了分子传递外，还有涡流传递涡流传递。第23页，共32页，编辑于2022年，星期四漩漩涡涡的的运运动动和和交交换换会会引引起起流流体体微微团团的的混混合合，从从而可使动量、热量或质量的传递过程大大加剧。而可使动量、热量或质量的传递过程大大加剧。在在湍湍动动十十分分强强烈烈的的情情况况下下，涡涡流流传传递递的的强强度度大大大大超超过过分分子子传传递递的的强强度度，此此时时，三三传传的的湍湍流也可仿照现象方程处理为：流也可仿照现象方程处理为：涡流动量传递涡流动量传递:第24页，共32页，编辑于2022年，星期四式中式中r r涡流剪应力又叫雷诺应力；涡流剪应力又叫雷诺应力；涡流粘度，涡流粘度，m2/s涡流热通量：涡流热通量：H H涡流热扩散系数，涡流热扩散系数，m2/s组分组分A的涡流质量通量：的涡流质量通量：第25页，共32页，编辑于2022年，星期四式中式中M M涡流质量扩散系数，涡流质量扩散系数，m2/s、H H和和M M的的因因次次也也与与分分子子扩扩散散系系数数、和和DAB的因次相同，均为的因次相同，均为m2/s。在在涡涡流流传传递递中中，、H H和和M M大大致致相相等等，在在某某些情况下，其中两者或三者完全相等。些情况下，其中两者或三者完全相等。因此可用类比的方法研究三传因此可用类比的方法研究三传。第26页，共32页，编辑于2022年，星期四需需要要注注意意：分分子子扩扩散散系系数数、和和DAB是是物物性性常常数，它们仅与数，它们仅与温度、压力及组成温度、压力及组成等因素有关；等因素有关；但但涡涡流流扩扩散散系系数数、H H和和M M则则与与流流体体性性质质无无关关，而而与与湍湍动动程程度度、流流道道中中的的位位置置、边边壁壁粗粗糙糙度度等因素有关，因此较难确定。等因素有关，因此较难确定。第27页，共32页，编辑于2022年，星期四 三传通量表达式一览表三传通量表达式一览表 动量动量通量通量 只有分子运动只有分子运动 的传递的传递涡流为主涡流为主的传递的传递两者兼有两者兼有的传递的传递热量热量通量通量 质量质量通量通量 第28页，共32页，编辑于2022年，星期四1-4 1-4 普兰特数、施密特数和刘易斯数普兰特数、施密特数和刘易斯数 实实际际中中往往往往是是二二种种或或三三种种传传递递过过程程同同时时存存在在，这这时时可可以以使使用用如如下下三三个个无无因因次次数数群群中中的的两两个个或或三三个个来来表表达达不不同同的的传传递递过过程程之之间间的的关关系。系。它们是它们是 普兰特数（普兰特数（plandtl numberplandtl number）第29页，共32页，编辑于2022年，星期四 施密特数施密特数 (Schmidt number)(Schmidt number)刘易斯数刘易斯数 (lewis number)(lewis number)第30页，共32页，编辑于2022年，星期四当系统中当系统中动量动量和和热量热量同时传递时，用同时传递时，用PrPr数数 动量动量和和质量质量同时传递时，用同时传递时，用ScSc数数 质量质量和和热量热量同时传递时，用同时传递时，用LeLe数数大多数气体大多数气体PrPr1 1，ScSc1 1液体的液体的PrPr和和ScSc值变化范围较宽。值变化范围较宽。第31页，共32页，编辑于2022年，星期四 当当PrPr和和或或ScSc或或LeLe等等于于1 1时时，表表示示相相应应的的两两种种传传递递过过程程具具有有类类比比性性，可可以以同同一一类类传传递递过过程程的的结果去预测另一类传递过程结果去预测另一类传递过程。如如PrPr1 1则则可可用用摩摩擦擦系系数数的的值值去去估估算算对对流流传传热热系数的值系数的值。第32页，共32页，编辑于2022年，星期四