传输原理PPT讲稿.ppt

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1、第1页，共15页，编辑于2022年，星期四主要内容主要内容1.介绍一些介绍一些基本概念基本概念2.掌握三种传输的掌握三种传输的类似性类似性3.学习研究传输过程的学习研究传输过程的基本方法基本方法第2页，共15页，编辑于2022年，星期四首先介绍一些基本概念首先介绍一些基本概念传输传输：物理量在某一条件下的传递、输送。：物理量在某一条件下的传递、输送。传输过程传输过程：物理量从非平衡态到平衡态转移的过程。：物理量从非平衡态到平衡态转移的过程。平衡态平衡态：系统内具有强度性质的物理量不存在梯度；：系统内具有强度性质的物理量不存在梯度；非平衡态非平衡态：具有强度性质的物理量在系统内存在梯度。：具有强

2、度性质的物理量在系统内存在梯度。动量传输动量传输：垂直于流体运动方向上的动量由高速区向低速区的转移；：垂直于流体运动方向上的动量由高速区向低速区的转移；热量传输热量传输：热量由高温区向低温区的转移；：热量由高温区向低温区的转移；质量传输质量传输：体系中一个组分或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。：体系中一个组分或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。传输的普遍性：许多工程领域都存在。传输的普遍性：许多工程领域都存在。传输的普遍性：许多工程领域都存在。传输的普遍性：许多工程领域都存在。本课程中研究的本课程中研究的本课程中研究的本课程中研究的物理量物理量物理量物理量为为为为动量动量动量动量、热量热

3、量热量热量和和和和质量质量质量质量，亦即研究亦即研究亦即研究亦即研究动量传输动量传输动量传输动量传输、热量传输热量传输热量传输热量传输和和和和质量传输质量传输质量传输质量传输；第3页，共15页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 动量、热量、质量传输的类似性动量、热量、质量传输的类似性 动动动动量量量量、热热热热量量量量、质质质质量量量量的的的的传传传传输输输输发发发发生生生生的的的的原原原原因因因因是是是是存存存存在在在在相相相相应应应应的的的的梯梯梯梯度度度度（速度梯度、温度梯度、浓度梯度）。（速度梯度、温度梯度、浓度梯度）。（速度梯度、温度梯度、浓度梯度）。（速度梯度、温度梯度、浓度梯

4、度）。1 1 1 1、速度速度速度速度分布不均时，分子传递的结果产生分布不均时，分子传递的结果产生分布不均时，分子传递的结果产生分布不均时，分子传递的结果产生切应力；切应力；切应力；切应力；2 2 2 2、温度温度温度温度分布不均时，分子传递的结果产生分布不均时，分子传递的结果产生分布不均时，分子传递的结果产生分布不均时，分子传递的结果产生热传导；热传导；热传导；热传导；3 3 3 3、系统中若某组分的、系统中若某组分的、系统中若某组分的、系统中若某组分的浓度浓度浓度浓度分布不均时，分子传递的分布不均时，分子传递的分布不均时，分子传递的分布不均时，分子传递的 结果引起该组分的结果引起该组分的结

5、果引起该组分的结果引起该组分的质量扩散质量扩散质量扩散质量扩散。上述三者分子传输性质的数学关系式分别为：上述三者分子传输性质的数学关系式分别为：上述三者分子传输性质的数学关系式分别为：上述三者分子传输性质的数学关系式分别为：牛顿粘性定律牛顿粘性定律、菲克定律菲克定律傅立叶定律傅立叶定律、第4页，共15页，编辑于2022年，星期四一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率，即两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率，即两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率，即两个作直线运动的流体层之间的

6、切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率，即对于均质不可压缩流体，则有：对于均质不可压缩流体，则有：对于均质不可压缩流体，则有：对于均质不可压缩流体，则有：y y垂直于运动方向的坐标（垂直于运动方向的坐标（垂直于运动方向的坐标（垂直于运动方向的坐标（mm）；）；）；）；动量浓度变化率（单位体积流体的动量在动量浓度变化率（单位体积流体的动量在动量浓度变化率（单位体积流体的动量在动量浓度变化率（单位体积流体的动量在y y方向的变化率）（方向的变化率）（方向的变化率）（方向的变化率）（kgkg mm-3-3 s s-1-1）,切应力，动量通量（切应力，动量通量（切应力，动量通量（切应力，动量通量（Pa

7、Pa）；）；）；）；流体的流体的流体的流体的动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度或或或或动力粘度系数动力粘度系数动力粘度系数动力粘度系数（PaPa s s）；）；）；）；流体的流体的流体的流体的运动粘度运动粘度运动粘度运动粘度，也称，也称，也称，也称动量扩散系数动量扩散系数动量扩散系数动量扩散系数（mm2 2/s/s），），），），与与与与 的关系为的关系为的关系为的关系为 流体的密度（流体的密度（流体的密度（流体的密度（kg/mkg/m3 3）；）；）；）；表达式中的表达式中的表达式中的表达式中的负号负号负号负号表示表示表示表示动量通量的方向动量通量的方向动量通量的方向动量通量的方向与与与与速度

8、梯度的方向速度梯度的方向速度梯度的方向速度梯度的方向相反，相反，相反，相反，即动量朝着速度降低的方向传递。即动量朝着速度降低的方向传递。即动量朝着速度降低的方向传递。即动量朝着速度降低的方向传递。第5页，共15页，编辑于2022年，星期四二、傅立叶定律（二、傅立叶定律（FourierFouriers laws law）均匀的、各向同性的材料中，存在稳定的一维温度场，通过导热的方均匀的、各向同性的材料中，存在稳定的一维温度场，通过导热的方均匀的、各向同性的材料中，存在稳定的一维温度场，通过导热的方均匀的、各向同性的材料中，存在稳定的一维温度场，通过导热的方式传输热量如下图所示。式传输热量如下图所

9、示。式传输热量如下图所示。式传输热量如下图所示。第6页，共15页，编辑于2022年，星期四二、傅立叶定律（二、傅立叶定律（FourierFouriers laws law）对于恒定对于恒定对于恒定对于恒定ccccp p p p的物体的物体的物体的物体,则有则有则有则有y y y y-温度发生变化方向坐标（温度发生变化方向坐标（温度发生变化方向坐标（温度发生变化方向坐标（m m m m）；）；）；）；q q q q-热流密度，也称热量通量（单位时间内通过单位面积传递的热量（热流密度，也称热量通量（单位时间内通过单位面积传递的热量（热流密度，也称热量通量（单位时间内通过单位面积传递的热量（热流密度

10、，也称热量通量（单位时间内通过单位面积传递的热量（W/mW/mW/mW/m2 2 2 2)；热导率热导率热导率热导率W/W/（mKmK）；热扩散系数（热扩散系数（热扩散系数（热扩散系数（mm2 2/s/s），），），），热量浓度或焓浓度变化率（热量浓度或焓浓度变化率（热量浓度或焓浓度变化率（热量浓度或焓浓度变化率（JmJm-3-3 mm-1-1）c cp p比定压热容（比定压热容（比定压热容（比定压热容（JkgJkg-1-1-1-1）；）；）；）；原教材此处单位？原教材此处单位？原教材此处单位？原教材此处单位？式中的式中的式中的式中的负号负号负号负号表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热

11、量朝着温度降低的表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热量朝着温度降低的表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热量朝着温度降低的表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热量朝着温度降低的方向传递。方向传递。方向传递。方向传递。此时，传输的热流密度为：此时，传输的热流密度为：此时，传输的热流密度为：此时，传输的热流密度为：第7页，共15页，编辑于2022年，星期四三、菲克定律（三、菲克定律（Ficks law)由两组分由两组分由两组分由两组分A A A A、B B B B构成的系统中，组分构成的系统中，组分构成的系统中，组分构成的系统中，组分A A A A通过分子扩散传递的质量通量密度

12、为通过分子扩散传递的质量通量密度为通过分子扩散传递的质量通量密度为通过分子扩散传递的质量通量密度为:y y y y-组分组分组分组分A A A A的密度发生变化的方向坐标（的密度发生变化的方向坐标（的密度发生变化的方向坐标（的密度发生变化的方向坐标（m m m m）；）；）；）；-j j j jA A A A-组分组分组分组分A A A A的质量通量密度（单位时间内通过单位面积传递的组分的质量通量密度（单位时间内通过单位面积传递的组分的质量通量密度（单位时间内通过单位面积传递的组分的质量通量密度（单位时间内通过单位面积传递的组分A A A A的质量（的质量（的质量（的质量（kgmkgmkgmk

13、gm-2-2-2-2 s s-1-1)；D D D DABABABAB组分组分组分组分A A A A在组分在组分在组分在组分B B B B中的扩散系数（中的扩散系数（中的扩散系数（中的扩散系数（m m m m2 2 2 2/s/s/s/s）；）；）；）；组分组分组分组分A A A A的质量浓度（密度）梯度（的质量浓度（密度）梯度（的质量浓度（密度）梯度（的质量浓度（密度）梯度（kgmkgmkgmkgm-3-3-3-3mmmm-1-1-1-1）；）；）；）；式中的式中的式中的式中的负号负号负号负号表示质量通量的方向与浓度梯度的方向相反，即表示质量通量的方向与浓度梯度的方向相反，即表示质量通量的方

14、向与浓度梯度的方向相反，即表示质量通量的方向与浓度梯度的方向相反，即组分组分组分组分A A A A朝着其浓度降低的方向扩散。朝着其浓度降低的方向扩散。朝着其浓度降低的方向扩散。朝着其浓度降低的方向扩散。第8页，共15页，编辑于2022年，星期四四、三种传输现象的类似性四、三种传输现象的类似性它们的类似性体现在以下几方面：它们的类似性体现在以下几方面：它们的类似性体现在以下几方面：它们的类似性体现在以下几方面：2 2、扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数具有相同的因次，单位均为（具有相同的因次，单位均为（具有相同的因次，单位均为（具有相同的因次，单位均为（mm2 2/s/s ）3 3、通量为单位时间

15、内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、热量和质量；热量和质量；热量和质量；热量和质量；通量的传递方向均与其梯度的方向相反。通量的传递方向均与其梯度的方向相反。通量的传递方向均与其梯度的方向相反。通量的传递方向均与其梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个因此，通量的表达式中都有一个因此，通量的表达式中都有一个因此，通量的表达式中都有一个“”“”现象方程现象方程现象方程现象方程：通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程通常

16、将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程1 1 1 1、数学表达式数学表达式数学表达式数学表达式相似相似相似相似第9页，共15页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 传输过程的研究方法传输过程的研究方法传输过程是物理过程，它的研究方法和物理学中其传输过程是物理过程，它的研究方法和物理学中其它领域的研究方法一样有它领域的研究方法一样有三种三种方法。方法。理论研究理论研究实验研究实验研究数值计算数值计算第10页，共15页，编辑于2022年，星期四理论研究方法理论研究方法一、理论研究方法一、理论研究方法一、理论研究方法一、

17、理论研究方法 理论方法是通过对物理现象或过程进行理论方法是通过对物理现象或过程进行理论方法是通过对物理现象或过程进行理论方法是通过对物理现象或过程进行科学抽象科学抽象科学抽象科学抽象（近似），提（近似），提（近似），提（近似），提出合理的出合理的出合理的出合理的理论模型理论模型理论模型理论模型。对该理论模型，根据相应的物理规律，建立方程组，。对该理论模型，根据相应的物理规律，建立方程组，。对该理论模型，根据相应的物理规律，建立方程组，。对该理论模型，根据相应的物理规律，建立方程组，将原来将原来将原来将原来的物理问题转化为数学问题的物理问题转化为数学问题的物理问题转化为数学问题的物理问题转化为数

18、学问题，在相应的，在相应的，在相应的，在相应的边界条件边界条件边界条件边界条件和和和和初始条件初始条件初始条件初始条件下求解。下求解。下求解。下求解。在理论方法中，引用的主要定理有：在理论方法中，引用的主要定理有：在理论方法中，引用的主要定理有：在理论方法中，引用的主要定理有：质量守恒定律、动量守恒定律质量守恒定律、动量守恒定律质量守恒定律、动量守恒定律质量守恒定律、动量守恒定律牛顿运动第二定律牛顿运动第二定律牛顿运动第二定律牛顿运动第二定律机械能转化与守恒定律，机械能转化与守恒定律，机械能转化与守恒定律，机械能转化与守恒定律，（即动能（即动能（即动能（即动能+压能压能压能压能+位能位能位能位

19、能+能量损失能量损失能量损失能量损失=常数常数常数常数）因此，理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法因此，理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法因此，理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法因此，理论研究方法的关键在于提出理论模型，并能运用数学方法求出理论结果，达到求解问题目的。但由于数学上的困难，许多实求出理论结果，达到求解问题目的。但由于数学上的困难，许多实求出理论结果，达到求解问题目的。但由于数学上的困难，许多实求出理论结果，达到求解问题目的。但由于数学上的困难，许多实际问题还难以精确求解。际问题还难以精确求解。际问题还难以精确求解。际问题还难以精

20、确求解。第11页，共15页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 传输过程的研究方法传输过程的研究方法典型的实验系统有：典型的实验系统有：典型的实验系统有：典型的实验系统有：风洞风洞风洞风洞、水洞水洞水洞水洞、水池水池水池水池等等等等现现现现代代代代测测测测量量量量技技技技术术术术在在在在计计计计算算算算机机机机、光光光光学学学学和和和和图图图图像像像像技技技技术术术术配配配配合合合合下下下下，在在在在提提提提高高高高空空空空间间间间分分分分辨辨辨辨率率率率和和和和实实实实时时时时测测测测量方面已取得长足进步。量方面已取得长足进步。量方面已取得长足进步。量方面已取得长足进步。实验结果能反映工程

21、中的实际规律，发现新现象，检验理论计算的结果等，实验结果能反映工程中的实际规律，发现新现象，检验理论计算的结果等，实验结果能反映工程中的实际规律，发现新现象，检验理论计算的结果等，实验结果能反映工程中的实际规律，发现新现象，检验理论计算的结果等，但结果的普适性较差。但结果的普适性较差。但结果的普适性较差。但结果的普适性较差。测量技术有：测量技术有：测量技术有：测量技术有：激光测速激光测速激光测速激光测速；粒子图像粒子图像粒子图像粒子图像、迹线测速迹线测速迹线测速迹线测速；高速摄影高速摄影高速摄影高速摄影；全息照相全息照相全息照相全息照相；压力压力压力压力、密度测量密度测量密度测量密度测量等。等

22、。等。等。二、实验研究方法二、实验研究方法 许多实用公式和系数都是由实验得来的。至今，工程中的许多问题，即使能用现许多实用公式和系数都是由实验得来的。至今，工程中的许多问题，即使能用现代理论分析与数值计算求解的，最终还要借助实验检验修正。代理论分析与数值计算求解的，最终还要借助实验检验修正。实验研究的一般过程是：在实验研究的一般过程是：在实验研究的一般过程是：在实验研究的一般过程是：在相似理论相似理论相似理论相似理论的指导下建立模拟实验系统，用多种测量技的指导下建立模拟实验系统，用多种测量技的指导下建立模拟实验系统，用多种测量技的指导下建立模拟实验系统，用多种测量技术测量一些参数，然后术测量一

23、些参数，然后术测量一些参数，然后术测量一些参数，然后处理、分析实验数据处理、分析实验数据处理、分析实验数据处理、分析实验数据。第12页，共15页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 传输过程的研究方法传输过程的研究方法三、数值研究方法三、数值研究方法 常用的数值计算方法有：常用的数值计算方法有：常用的数值计算方法有：常用的数值计算方法有：有限差分法有限差分法有限差分法有限差分法、有限元法有限元法有限元法有限元法、边界元法边界元法边界元法边界元法等。等。等。等。数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的多种数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的多种数值方法的优点是能计算理论分析方法无法

24、求解的多种数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的多种问题，比实验方法省时省力，但毕竟是一种近似方法，问题，比实验方法省时省力，但毕竟是一种近似方法，问题，比实验方法省时省力，但毕竟是一种近似方法，问题，比实验方法省时省力，但毕竟是一种近似方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。三种方法各有优缺点，应取长补短，

25、互为补充。数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法，建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法，建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法，建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值方法是在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法，建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量的数值解。近几十年来，该方法发展数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量的数值解。近几十年来，该方法发展数值实验，得到在时间和空间

26、上许多数字组成的集合体，最终获得定量的数值解。近几十年来，该方法发展数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量的数值解。近几十年来，该方法发展快并形成专门学科。快并形成专门学科。快并形成专门学科。快并形成专门学科。第13页，共15页，编辑于2022年，星期四一、一、三种传输的基本规律三种传输的基本规律菲克定律菲克定律菲克定律菲克定律傅立叶定律傅立叶定律傅立叶定律傅立叶定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律第一章小结第一章小结第14页，共15页，编辑于2022年，星期四第一章小结第一章小结二、二、三种传输现象的类似性三种传输现象的类似性1 1 1 1、数学表达式

27、数学表达式数学表达式数学表达式相似相似相似相似2 2、扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数具有相同的因次，单位均为（具有相同的因次，单位均为（具有相同的因次，单位均为（具有相同的因次，单位均为（mm2 2/s/s ）3 3、扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、热量和质量；热量和质量；热量和质量；热量和质量；通量的传递方向均与该量的浓度梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个通量的传递方向均与该量的浓度梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个通量的传递方向均与该量的浓度梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个通量的传递方向均与该量的浓度梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个“”“”现象方程：通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程现象方程：通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程现象方程：通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程现象方程：通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程第15页，共15页，编辑于2022年，星期四