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1、传递过程导论化工学院 孙志仁,管道中的流体流动,换热器中的热量交换,吸收塔中的质量传递,传递现象?,前言,天然气管道输送,节能装修,烟气扩散,烟气上升,高尔夫Golf由绿（Green）、氧气（Oxygen）、阳光（Light）和友谊（Friendship）四个单词组成。流传十五世纪一位苏格兰牧人在放牧时，偶然用一根棍子将一颗圆石击入野兔子洞中，从中得到启发，发明了后来称为高尔夫球的运动。十八世纪开始流传到世界各地，并逐渐奠定了优雅、高贵的形象，作为一种时尚或某种身份的隐约暗示。,第一章 分子传递现象,1.1 你了解“流体”吗？,1.1.1 基本假定连续介质模型,连续介质模型 流体微团相对于分子
2、尺度足够大，相对于设备尺度充分小，且连续一片。,微团尺度对密度的影响,流体内有空隙吗？,1.1.2 流体受力,p 压力,剪切应力,静止流体内部 p=p0+g h 流体静力学平衡定律,剪切变形,剪切变形速率,速度梯度,加速度,随体导数,例1-1 吊盐水,吊盐水中恒定滴速,控制面 C、B、D、E,现象问题,物理模型,水位降至 B 面之前（H2-H1）不变，pD 恒定，滴速不变。,B-C：pC+g H1=pB=p0,C-D：pD=pC+g H2,pD=p0+g（H2-H1）,原理：流体静力学平衡定律 p=p0+g h,数学模型,解析结果,规律结论,pD+g h+p=pE pM,工程联系高位槽流量控制
3、,问题探讨,课后思考,1.农家的烟囱为什么能自动排烟？2.工厂的烟囱为什么造得那么高？,1.1.3 流体流动,截面平均速度,体积流率,质量流率,m/s,m3/s,kg/s,流体层相对运动产生了内摩擦力，宏观表现为流体的“粘性”。,1.2 分子传递机理,1.2.1 牛顿粘性定律,y x：剪切应力 N/m2,：粘度 Ns/m 2,：ux 在 y 方向上的梯度,牛顿粘性定律,问题探讨剪切应力（）与动量（mu）之间有何联系？,例1-2 平板间流体流动,非定常,定常,一维问题,板间定常流动速度分布,牛顿粘性定律,边界条件,速度分布,取长1、宽1、厚dy控制体，对定常流动有,课后思考,4.由奈维-斯托克斯
4、方程(教材P226,式6-10)简化求解例1-2 平板间流体的速度分布。,3.在单位面积流体表面上标出力F的各个分量及符号。,奈维-斯托克斯方程,平板间流体的速度分布,牛顿流体与非牛顿流体,凡符合牛顿粘性定律的流体，称牛顿流体，不符合的称非牛顿流体。,牛顿流体：水、空气、甘油、天然气等,幂律流体,宾汉流体：牙膏、雪花膏等,非牛顿流体,凯森流体：血液、油漆等,假塑性流体：CMC溶液、油墨等,胀塑性流体：淀粉糊、阿拉伯树胶等,傅立叶定律,qx:导热通量 J/m2s,k:热导率 W/mK,:温度梯度 K/m,负号表明热量由高温传向低温。,1.2.2 傅立叶导热定律,平壁玻璃内的温度分布,通过平壁玻璃
5、的导热速率,例1-3 玻璃窗散热,对多层串联复合平壁,热流体对流传热给壁面，平壁内导热传给另一侧壁面，再对流传给冷流体。,类似欧姆定律有,对多层串联复合圆筒，类似有,其中,AiAj分别为某层圆筒的内外面积,例1-4 管道保温,管道保温,最大散热临界半径,对R0管道，保温层加厚，起散热作用。当大于C 点时，才保温。,5.用双层玻璃取代单层玻璃能节省多少能量?6.家用和工业用电热棒结构如图，石英砂层阻碍加热吗？,课后思考,例1-5 大地升温,大地初始温度 T0，突然暖风吹来，温度升为 TW，并维持不变。大地内温度仅沿 x 方向变化，为一维非定常导热。,傅立叶定律,解得：,式中：,erf()为高斯误
6、差函数,若温度5的大地，表面突然升至37。.1小时后地表面下0.05m处的温度？.0，t与t,2t内单位面积传热量之比。已知：大地 a=4.6510-7 m2/s。,.,.,1.2.3 费克扩散定律,JAy:扩散通量 kmol/m 2.s,若浓度用A 表示,DAB:扩散系数 m 2/s,:浓度梯度,例1-6 湖水中的氧扩散,冰冻的湖面融化，水中的氧含量随时间，沿深度变化。,式中：,查误差函数表得,已知：CA0=3.010-5 kmol/m3，CAW=3.0610-4 kmol/m3，DAB=1.5810-9 m 2/s。求：三天后，离湖面0.06m深处的氧浓度。,将湖水简化为半无限大平壁，氧扩
7、散为非定常分子扩散。,氧浓度为,解：,例1-7 缓释药片的扩散速率,在药粒外包覆一层薄膜,药物以分子扩散方式通过薄膜,实现缓释作用。,根据质量守恒原理,忽略高阶小量，得,（CA0、CAW 恒定）,积分,再积分,代费克定律,得,边界条件,薄膜内浓度分布,缓释速率,问题探讨缓释速率的控制 药粒浓度CA0，薄膜材料DAB，薄膜厚度。,课后思考,7.缓释化肥和缓释农药有何优点。如何控制其缓释速率。,1.3 类似现象,费克分子扩散定律,傅立叶导热定律,牛顿粘性定律,粘性系数,动量浓度,热量通量,导温系数,热量浓度,动量通量,扩散系数,质量浓度,质量通量,平壁玻璃的导热速率,缓释药片的扩散速率,平板间流动
8、阻力,传递现象的本质,三传之间的类似，对传递现象的研究奠定了基础。,分子热运动,碰撞,交换,完成传递,式中：,式中：,例1-8 半无限大平壁非定常分子传递现象,问题探讨动量传递中类似的现象？,课后思考,8.平板间流体流动与传热、传质中何种现象类似？9.平壁传热与传质中何种现象类似？,？,？,第二章 有限控制体分析守恒原理,确定对象及范围：控制面 控制体,2.1 质量守恒,流体在管道内流动进：W1=1 U1 A1 出：W2=2 U2 A2,累积：,生成：R=0,根据质量守恒原理,不可压流体1=2 U1 A1=U2 A2,对定常,例2-1 高位槽加料,高位槽加料时，若出料和进料速度恒定，求槽内液位
9、上升速度。,解：根据质量守恒原理,问题探讨 不调节出料阀K2，U2是否能保持恒定？,1.推导连续性方程,课后思考,理想流体流动的机械能守恒式:,动能 静压能 位能(单位体积),一维流动 无换热 无外功 无支流 定常 不可压,同一水平面上：,伯努利方程,三种能量之间可以相互转换，但总和不变。,2.2 机械能守恒,课外链接,欧拉方程,参考书：戴干策、陈敏恒编著，化工流体力学 化学工业出版社，1988，P148-152,沿流线积分,无旋条件下积分,伯努利方程（同一根流线上）,伯努利方程（不同流线之间）,例2-2 虹吸,原理：伯努利方程 控制面：AB,问题探讨,问题：h，U？,20下饱和水蒸汽压强：2
10、334Pa,解：应用伯努利方程,例2-3 文丘里流量计,已知：流体流经如图管道，密度；指示液密度L。不计阻力损失，求：V=f（R）。,例2-4 吹火筒,嘴靠近 嘴远离,问题探讨水冲真空泵（水老鼠）,课后思考,2.你了解座便器的抽吸原理吗？3.当列车进站时，为什么要站在安全线后？,牛顿第二定律：,对定常管流：,矢量式可用x，y，z 方向的分量式计算。,F包括压力FP、摩擦力Ff、重力Fg、其它外力FR。,2.3 动量守恒,例2-5 飞 盘,现象问题,旋转飞盘能在空中平行飞行,物理模型,数学模型,控制体,动量守恒定律,飞盘,下面气体：,上面气体：,解析结果,飞盘受力：,问题：固定喷嘴所需的力,动量
11、变化率：,合力：,解：选控制体，以表压计。,例2-6 喷嘴,固定喷嘴所需的力：,课后思考,4.水以2m/s的流速从直径为10cm的圆管中流出，垂直射向对面的容器平壁，求水流对容器壁的冲击力。5.用软管浇水时，一不小心滑落，水管会安静地躺在地上吗？,层流 湍流,分子传递 抛物面 涡流传递 对数,3.1.1 雷诺试验,3.1 流动状态层流与湍流,第三章 动量传递,流动状态的判别雷诺数Re,判据：,对圆管流动：,Re 10000 湍流 稳定,临界雷诺数Rexc=2100,Re数的物理含义：,3.2 管内层流,3.2.1 管内层流速度分布抛物线分布,3.2.2 管道沿程阻力压降,摩擦阻力系数,动量变化
12、率：,动量守恒：,薄壳圆环微元控制体,合力：,3.2.1 管内层流速度分布抛物线分布,积分：,边界条件：,牛顿流体：,积分：,边界条件：,速度分布：,哈根-泊谡叶方程,流量：,平均速度：,速度分布：,速度分布：,家用燃气热水器因煤气压力较小致使水温偏低，若将原有1/2英寸(内径 15.75mm)的煤气管道用3/4英寸(内径 21.25mm)管道替换。试求：两种管道的流率之比。,解：设流动为层流,例3-1 煤气管道安装,课后思考,1.管内层流截面上最大速度在何处？最大速度与截面平均速度的比值？2.奥氏粘度计和乌氏粘度计测量粘度的原理？使用中应注意哪些问题？,3.2.2 管道沿程阻力压降,摩擦阻力
13、系数,3.3.1 流场显示,示踪法,光学法,3.3 研究流体流动的实验方法,3.3.2 速度测试,激光测速仪,热丝(膜)流速仪,毕托管测速,例3-2 粒子成像测速仪PIV,3.3.3 量纲分析,物理方程量纲和谐,基本量纲,导出量纲,质量M、长度L、时间T、温度K,速度LT-1、粘度ML-1T-1、力MLT-2等,无量纲数,雷诺数,努塞尔数,等,考察对象：牛顿流体在长直光滑水平圆管 中作定常层流流动。求解问题：管流压降变化规律。解决方案：管流压降与相关变量的函数关系；管流压降无量纲数的函数关系。,例3-3 管内层流实验,选择影响过程的物理量,沿程压降,理论推导,L D U 密度 粘度 管长 管径
14、 流速,管流压降与相关变量的函数关系,采用控制变量法（即只改变一个变量，其它变量保持常数），上式分解为,实验求得函数关系,需要注意：以上实验结果是针对某一特定的管道系统,管流压降无量纲数的函数关系,幂指数形式,量纲形式（基本量纲：质量M、长度L、时间T）,描述一个物理过程的物理量有n个(x1，x2xn),其中如含m个基本量纲，则该过程可由N=n-m个无量纲数（）进行描述,确定a、c、d，则,定理,欧拉数 雷诺数 长径比,通过实验求函数关系,对牛顿流体在长直光滑水平圆管中作定常层流流动的系统，上图的结果皆适用。,压降与长度成正比，有,定义,摩擦阻力系数,对数坐标,课后思考,3.如何利用毕托管测量
15、圆管内流体流量？毕托管测速安装需注意哪些问题？4.用量纲分析法决定雨滴从静止云层中降落的终端速度ut的无量纲数。考虑影响雨滴行为的变量有：雨滴的半径r，空气的密度空气和粘度，还有重力加速度g，表面张力可忽略。,毕托管测速,3.4 湍流理论,3.4.2 时均模型,湍流特性.脉动性.有旋性.扩散性.间歇性.拟序性 耗能性,湍流混合层中的涡结构,脉动值 时均值，仅 几%。但频率极高，几百次/s。脉动产生的附加应力t L 粘性应力。,对脉动,用统计方法描述,对时均,用唯象理论描述,湍流强度,相关系数,湍流尺度,雷诺应力,涡流粘度模型,混合长模型,湍流场总剪切应力：,通用速度分布：y+30：u+=2.5
16、 ln y+5.5,3.4.3 壁面湍流速度分布,定义：,布拉休斯经验阻力定律,例3-4 管内流动截面上的速度,已知：U、D、,（0,5 u+=y+（5,30 u+=5.05 ln y+-3.05（30,）u+=2.5 ln y+5.5,ux=u+u*,层,湍,解：,f=0.079 Re-1/4=7.8010-3,湍流,若水以平均流速0.21m/s，在直径为50mm的圆管中作湍流流动。已知：=1.005103Pa.s，=1000kg/m3。试求：U/umax=？,y=25mm，ux=umax,u+=2.5 ln y+5.5=19.94ux=umax=u+u*=0.259m/s U/umax=0
17、.21/0.2590.8,对粗糙管,布拉休斯经验阻力定律,3.4.4 圆管湍流压降,课后思考,5.房地产开发使某地区居住人口增加，生活用水量增大，需更换原有主供水管道。若用水量增加十倍，水管道管径应增加几倍？6.油轮卸油，油品密度800kg/m3、粘度0.75cP，输油管道内径0.3m。若使流量达到3000m3/h，求长400m 管道的压降？,3.5 边界层理论,1904年，普朗特提出“边界层”概念,概念和特点,流体区域以99%U 作为边界，内层区为粘性流体ux，外层区为理想流体U。,特点,.慢：边界层内 ux U0，壁面 ux=0。,.陡：很大。,.增：x，。,.薄：x。,.逆压，失速会分离
18、（绕曲面流动时的表现）。,.旋：微团有旋。,.惯、粘同量级：惯性力与粘性力在边界层内量级相当。,.截面等压力：无压差流动。,.流型会转变：x xc时，层流湍流。,层流,湍流,3.5.2 平板边界层阻力,临界雷诺数Rexc=5105,3.5.3 圆管进口段,管内流动状态与边界层发展的关系：,层流：Le100D 湍流：Le50D,层流汇交，层流 湍流汇交，湍流,进口段：沿流动方向 ux 分布变化，中心速度加速，边界层厚度增加直至交汇。,3.5.4 绕球边界层分离,边界层分离条件,层流边界层分离,湍流边界层分离,失速,3.6 绕流阻力阻力系数,阻力机理,摩擦阻力 DF；与接触面有关。p 压差（形体）
19、阻力 Dp；与形状有关。,两者相对大小取决于：,定义：,A 迎流投影面,绕球爬流（Re1）：斯托克斯阻力定律,问题探讨落球法测粘度,阻力系数,.爬流区：无尾流。,例3-5 CDRe变化曲线,.卡门涡街区：尾流从稳定变为不稳定。两侧交替，对称，有周期地释放旋涡。,.阻力平方区：层流边界层分离，Re，D而CD不变。,.阻力危机区：当 Re3105 时，层流边界层转变为湍流边界层分离。尾流区大幅度减小，总阻力 D，因而使 CD。,.湍流区：Re，CD。,.流线型,3.6.3 减阻,.吹喷技术,.包橡皮膜,.加减阻剂,.人工湍流,.开缝导流,水中加5ppm的聚氧化乙烯，当Re=1105时，摩擦阻力系数
20、可减小40%。,课后思考,7.高尔夫球为什么是“麻子球”，而不是光滑球？8.流体流经图示弯管时的阻力称局部阻力,其形状与边界层分离有何关系?,第四章 热量传递,影响因素：.物性特征：、k、CP、等。（物性是温度的函数，特性温度）.几何特征：尺度、形状、方位等。.动力学特征：流动状态（层流、湍流）等。,4.1 传热机理,热传导，热对流，热辐射。,例4-1 热水瓶保温,例4-2 芯片散热,增大传热面积,提高传热系数,减小接触热阻,傅立叶定律,4.1.1 热传导,qx:导热通量 J/m2s,k:热导率 W/mK,:温度梯度 K/m,负号表明热量由高温传向低温。,其规律符合牛顿冷却定律：,式中：h 对
21、流传热系数 W/m2K，通常由实验测定。,湍流 层流、强制对流 自然对流、相变 无相变,Q=q A=hA（TW-Tf）,流体相对于固体作宏观运动时，引起微团尺度上的热量传递。,4.1.2 热对流,4.1.3 热辐射,:黑度，由实验测得，其值为01,C0:黑体辐射系数，其值为5.67 W/m2K4,T:绝对温度 K,防热辐射套装,4.2 管内层流换热,工业上常见的圆管加热方式有两种：,.恒壁温（夹套蒸气加热）TW=常数.恒热流（电加热）qW=常数,截面平均温度Tb 随 z的变化如下图：,截面的温度分布T 决定换热效果,在 dz 段上壁面处的导热速率应等于流体和壁面之间的对流换热速率。,壁面处导热
22、速率：,对流换热速率：Q=h2Rdz(TW-Tb),问题探讨 圆管层流换热细管好,还是粗管好?,对圆管层流换热恒 TW：Nu=3.66恒 qW：Nu=4.36,定义努塞尔数,管壳式换热器,板式换热器,4.3 间壁式换热器,工程上：Q=KAT,式中：K 称传热系数,强化传热途径：增大 A，提高T，强化 K。,例4-3 环氧树脂的加热,静态混合器,盘管加热器,课后思考,1.制皂生产中需通过加热减压蒸发将皂基中的多余水份除去。生产过程中，发现减压蒸发器出口皂基含水率升高。检查换热器，蒸汽温度不变，皂基流量和进口温度不变，只是出口温度降低。技术员怀疑是管内的传热系数变化所致。你认为呢？,4.4 绕流传
23、热,4.4.1 传热边界层,类似流动边界层，以T-TW=99%（T0-TW）为界线。,问题探讨芯片冷却速率,热边界层厚度,湍流,层流,课后思考,2.用传热边界层分析圆管热进口段特点。并与流动进口段对比。3.图示圆管局部传热系数随z变化关系，讨论其规律。,4.4.2 绕圆柱传热,层流边界层发展，T，h；至约81处，边界层分离，h；原因是旋涡冲刷表面。,先是层流边界层发展,T,h；层流湍流，h,而后湍流边界层发展,T,h；至约130处，湍流边界层分离，又促使h。,h 随的变化,毕奥数 Bi 0.1,反应器中的球形催化剂颗粒体积V，表面积A，初始温度T0，通入温度为Tf 的热气流，颗粒温度将随时间升
24、高。,简化：忽略颗粒内部导热热阻，集总参数法。,4.4.3 小球传热,（1）传热原理,T 时刻通过对流换热，颗粒的加热量 Q1=hA（Tf-T）,颗粒的热量变化率,能量守恒 Q1=Q2,温度随时间变化关系,（2）远程实验,控制界面,实验视频http:/202.120.96.135:86,小球温度随时间的变化关系,数据处理,（3）实验结果讨论,自然对流,强制对流,流化床,固定床,单个颗粒,颗粒群,对Pr=1的流体,对流传热系数与相关变量的函数关系,采用控制变量法，只改变U，其它变量保持常数，上式为,通过实验得函数关系,需要注意：以上实验结果是针对某一特定的系统，换作其它流体或颗粒就不适用了。,例
25、4-3 强制对流传热规律,无量纲数的函数关系,通过实验得函数关系,对气体（20Re 180000）,对Pr1的流体,问题探讨单个颗粒与颗粒群的传热对比,强制对流,固定床,课后思考,4.影响小球对流传热系数的相关变量有,5.热电偶支架是不锈钢管，用焊接将其与小球连接，试分析对实验结果有何影响。,用量纲分析法导出,第五章 质量传递,5.1 质量与热量传递类似,对流传递,分子传递,对流传质模型 牛顿冷却定律NA=k(CAW-CAf)q=h(TW-Tf),费克分子扩散定律,傅立叶导热定律,恒CAW Sh=3.66 恒TW Nu=3.66恒NAW Sh=4.36 恒qW Nu=4.36,圆管层流,许密特
26、数,Shx=0.323Rex1/2Sc1/3 Nux=0.323Rex1/2Pr1/3,普朗特数,平板边界层,休伍德数,努塞尔数,5.2 对流传质,对流传质模型 NA=k(CAW-CAf),式中：k为 对流传质系数 m/s，通常由实验测定。,问题探讨扩散和对流总是同时发生？,例5-1 工业废气处理,填料吸收塔,酸雾喷淋塔,理论发展：溶质渗透、表面更新、涡旋模型,双膜论,溶质极易溶解于液相，为气膜控制系统。溶质极难溶解于液相，为液膜控制系统。,例5-2 膜分离,海水淡化,问题探讨人工肾,反渗透脱盐,平壁上层流时无因次浓度分布。,5.3 质量传递的特点uyw0,问题探讨 质量、热量、动量传递现象的类似，有何启迪？,成功速率,勤奋,懒惰,=,勤奋求实 励志明德,
