二、对流传质系数的类比求解(动量、热量与质量传递的类似律).doc

化工传质与分离过程二、对流传质系数的类比求解（动量、热量与质量传递的类似律）以上讨论的对流传质系数分析求解方法一般只适用于具有简单边界条件的层流传质过程。然而，层流传质问题并不多见，为了强化传质过程，在工业传质设备中多采用湍流操作。对于湍流传质问题，由于其机理的复杂性，尚不能用分析方法求解，一般用类比的方法或由经验公式计算对流传质系数。现讨论运用质量传递与动量传递、热量传递的类似性，求解湍流传质系数的方法。1. 三传类比的基本概念动量、热量和质量三种传递过程之间存在许多类似之处，主要体现在以下几点：（1）传递过程的机理类似。（2）描述传递过程的数学模型（包括数学表达式及边界条件）类似。（3）数学模型的求解方法类似。（4）数学模型的求解结果类似。根据三传的类似性，对三种传递过程进行类比和分析，建立一些物理量间的定量关系，该过程即为三传类比。探讨三传类比，不仅在理论上有意义，而且具有一定的实用价值。它一方面将有利于进一步了解三传的机理，另一方面在缺乏传热和传质数据时，只要满足一定的条件，可以用流体力学实验来代替传热或传质实验，也可由一已知传递过程的系数求其它传递过程的系数。当然，由于动量、热量和质量传递还存在各自特性，所以类比方法具有局限性，一般需满足以下几个条件：（1）物性参数可视为常数或取平均值；（2）无内热源；（3）无辐射传热；（4）无边界层分离，无形体阻力；（5）传质速率很低，速度场不受传质的影响。2. 动量、热量和质量传递的类似律(1) 雷诺类似律1874年，雷诺通过理论分析，首先提出了类似律概念。图片1-15 雷诺类似律模型图图片1-15所示为雷诺类似律的模型图。雷诺认为，当湍流流体与壁面间进行动量、热量和质量传递时，湍流中心一直延伸到壁面，故雷诺类似律为单层模型。设单位时间单位面积上，流体与壁面间所交换的质量为M，若湍流中心处流体的速度、温度和浓度分别为ub、fb和cAb，壁面上的速度、温度和浓度分别为us、fs和cAs，则单位时间单位面积上交换的动量为即 交换的热量为即 组分A交换质量为即 由于单位时间单位面积上所交换的质量相同，联立以上三式得 或写成（1-124）即（1-125）式中称为传质的斯坦顿数，它与传热的斯坦顿数相对应。式1-124和式1-125即为湍流情况下，动量、热量和质量传递的雷诺类似律表达式。应予指出，雷诺类似律把整个边界层作为湍流区处理，但根据边界层理论，在湍流边界层中，紧贴壁面总有一层流内层存在，在层流内层进行分子传递，只有在湍流中心才进行涡流传递，故雷诺类似律有一定的局限性。只有当=l及=l时，才可把湍流区一直延伸到壁面，用简化的单层模型来描述整个边界层。(2) 普兰德（Prandtl） 泰勒（Taylor）类似律前已述及，雷诺类似律只适用于=l和=l的条件下，然而许多工程上常用物质的和明显地偏离1，尤其是液体，其和往往比1大得多，这样，雷诺类似律的使用就受到了很大的局限。为此，普兰德一泰勒对雷诺类似律进行了修正，提出了两层模型，即湍流边界层由湍流主体和层流内层组成。根据两层模型，普兰德一泰勒导出以下类似律关系式动量和热量传递类似律（1-126）动量和质量传递类比(1-127)式中ub为圆管的主体流速。由式 1-26和式 1-127可看出，当Pr=Sc=1时，则两式可简化为式 1-125，回到雷诺类似律。对于Pr=Sc=0.52.0的介质而言，普兰德一泰勒类似律与实验结果相当吻合。(3) 冯 卡门（Von Krmn）类似律普兰德一泰勒类似律虽考虑了层流内层的影响，对雷诺类似律进行了修正，但由于未考虑到湍流边界层中缓冲层的影响，故与实际不十分吻合。卡门认为，湍流边界层由湍流主体、缓冲层、层流内层组成，提出了三层模型。根据三层模型，卡门导出以下类似律关系式动量和热量传递类似律（1-128）动量和质量传递类似律（1-129）卡门类似律在推导过程中所根据的是光滑管的速度侧型方程，但它也适用于粗糙管，对于后者仅需将式中的摩擦系数 f 用粗糙管的 f 代替即可。但对于Pr、Sc极小的流体，如液态金属，该式则不适用。(4) 柯尔本（Colburn）类似律柯尔本采用实验方法，关联了对流传热系数与范宁摩擦因子、对流传质系数与范宁摩擦因子之间的关系，得到了以实验为基础的类似律关系式。动量传递与热量传递类比（1-130）式中 jH 称为传热j 因数。动量传递与质量传递类似律（1-131）式中 jD 称为传质j 因数。联系