传递过程原理

1、2021-7-51传传 递递 现现 象象 导导 论论Introduction to Transport Phenomena 2021-7-52传递现象导论教学安排：教学安排： 32学时（学时（1-8周），周），2学分，考试课程。学分，考试课程。 星期二：星期二：7-8节节 星期五：星期五：3-4节节 学习章节学习章节1、绪论、第一章、绪论、第一章 分子传递现象（分子传递现象（8学时）学时）2、第二章、第二章 有限控制体分析（有限控制体分析（2学时学时 ）3、第三章、第三章 动量传递（动量传递（12学时）学时）4、第四章第四章 能量传递（能量传递（6学时）学时）5、第五章、第五章 质量传递（质量

2、传递（4学时）学时）2021-7-53传递现象导论课程性质、目的和任务课程性质、目的和任务 本课程介绍动量、热量和质量三种传递过程的本课程介绍动量、热量和质量三种传递过程的原理、规律、研究方法、计算及应用的一门技术基原理、规律、研究方法、计算及应用的一门技术基础课程。它作为数学、物理课程的延伸，置于化础课程。它作为数学、物理课程的延伸，置于化工原理课程之前开设，有利于学生由基础课学习工原理课程之前开设，有利于学生由基础课学习向专业课学习时，尽快适应思维方式的转变，即由向专业课学习时，尽快适应思维方式的转变，即由严密的逻辑推理转向工程上综合判断，在数理基础严密的逻辑推理转向工程上综合判断，在数理

3、基础课与技术基础课化工原理间起桥梁作用。课与技术基础课化工原理间起桥梁作用。 2021-7-54传递现象导论本门课程的任务是：本门课程的任务是： 研究动量、热量和质量传递过程的规律（速率）研究动量、热量和质量传递过程的规律（速率） 及影响因素：及影响因素： 探讨动量、热量和质量传递之间的类似性及共同探讨动量、热量和质量传递之间的类似性及共同 的研究方法。的研究方法。 介绍动量、热量和质量传递规律的应用。介绍动量、热量和质量传递规律的应用。 学习以动量传递为主。学习以动量传递为主。特点：特点： 数学推导多，理论性强数学推导多，理论性强抽象；抽象； 研究方法统一，逻辑性强研究方法统一，逻辑性强前后

4、关联大；前后关联大； 工程应用性强。工程应用性强。2021-7-55传递现象导论 课程教学紧密联系数理基础，从工程问题出发，课程教学紧密联系数理基础，从工程问题出发，以物理概念、工程简化、建立模型、一维处理为主。以物理概念、工程简化、建立模型、一维处理为主。通过对工程问题的物理分析，阐明如何进行合理简化通过对工程问题的物理分析，阐明如何进行合理简化、建立物理模型和数学模型，学习解析计算的方法及、建立物理模型和数学模型，学习解析计算的方法及在工程上的典型应用。在工程上的典型应用。 要求要求掌握掌握动量、热量和质量的传递基本特点和基动量、热量和质量的传递基本特点和基本规律；本规律；掌握掌握利用守恒

5、原理和特征方程建立数学模型利用守恒原理和特征方程建立数学模型的方法；的方法；熟悉熟悉三种传递现象的类似性和研究方法，三种传递现象的类似性和研究方法，了了解解传递现象在工程中的典型应用。传递现象在工程中的典型应用。教学基本要求教学基本要求2021-7-56传递现象导论教材：教材： 传递现象导论（第二版）传递现象导论（第二版） 戴干策等著戴干策等著 化学工业出版社，化学工业出版社，2008年。年。 参考书：参考书：化工传递过程基础，陈化工传递过程基础，陈 涛、张国亮著，化学工涛、张国亮著，化学工业出版社，业出版社，2002年。年。 动量热量与质量传递，王绍亭动量热量与质量传递，王绍亭 、陈涛著天津

6、科、陈涛著天津科学技术出版社，学技术出版社，1986年。年。传递现象相似，夏光榕等，中国石化出版社，传递现象相似，夏光榕等，中国石化出版社，1997年。年。2021-7-57 绪绪 论论1、化工生产过程、化工生产过程 什么是化工生产？什么是化工生产？ 化工生产过程（或技术）化工生产过程（或技术）化学工艺化学工艺(Chemical Technology)。化工生产就是人们利用化工生产就是人们利用原料（矿物、植物、空原料（矿物、植物、空气和水等）经过气和水等）经过化学加化学加工工，以生产人们所需的，以生产人们所需的各种产品的一门产业。各种产品的一门产业。2021-7-58绪论 聚氯乙烯流程图聚氯乙

7、烯流程图乙炔、氯混合器氯乙烯反应器水洗塔（吸收）碱洗塔（吸收）冷凝器（换热）精馏塔（精馏）聚氯乙烯聚合釜冷却器（换热）离心机（过滤）干燥器（干燥）旋风分离（沉降）C2H2Cl2成品热风水放空水碱液2021-7-59绪论绪论 合成氨流程图合成氨流程图CO脱硫（吸收）饱和（吸收）CO变换H2热交换器水洗（吸收）铜洗（吸收）氨洗（吸收）氢氮气压缩机氨合成塔循环机氨分离器（换热）水冷（换热） 合成氨加水加氨半水煤气热水贫液铜液2021-7-510绪论绪论 对任何化工生产过程，不管其工艺如何千对任何化工生产过程，不管其工艺如何千差万别，它们都有一个共性差万别，它们都有一个共性在很多相同的设备中进行着原理

8、相同的物理过在很多相同的设备中进行着原理相同的物理过程。程。 任何化工生产过程中都包含两大类过程：任何化工生产过程中都包含两大类过程：化学反应过程和物理转化过程化学反应过程和物理转化过程。2021-7-511绪论绪论2、化学工程、化学工程 任何一个化工过程，不管其规模如何，都可以分解任何一个化工过程，不管其规模如何，都可以分解为为数不多的为为数不多的 通用物理过程。这些物理过程有相同的通用物理过程。这些物理过程有相同的规律、使用同样的设备，称其为规律、使用同样的设备，称其为单元操作（单元操作（Unit Operation）。 把具有共性的单元操作抽出来，可以深入研究其原把具有共性的单元操作抽出

9、来，可以深入研究其原理、设计方法、操作应用等。理、设计方法、操作应用等。2021-7-512绪论绪论 传递过程（传递过程（ Transport Process ） 单元单元操作之间也存在着共性。单元操作中最基本操作之间也存在着共性。单元操作中最基本的过程是动量、热量、质量的传递，简称的过程是动量、热量、质量的传递，简称“三传三传”。在单元操作中，三个传递过程有时。在单元操作中，三个传递过程有时单独起作用，如过滤；有时两个、三个传递单独起作用，如过滤；有时两个、三个传递过程同时起作用，如对流传热、传质。过程同时起作用，如对流传热、传质。 2021-7-513绪论绪论 化学工程化学工程(Chemi

10、cal Engineering)： 研究化学工业生产过程中的研究化学工业生产过程中的共同规律共同规律，用，用以指导化工以指导化工装置放大装置放大、设计设计和和生产操作生产操作的学科。的学科。 传递过程（单元操作）、反应工程组成了传递过程（单元操作）、反应工程组成了化学工程学科的两大支柱，简称化学工程学科的两大支柱，简称“三传一反三传一反”。在两个支柱的基础上，又派生出一些其他分支在两个支柱的基础上，又派生出一些其他分支学科，如解决过程极限问题的学科，如解决过程极限问题的热力学热力学，解决工，解决工艺过程配置组合的艺过程配置组合的化工过程设计及优化化工过程设计及优化等。等。2021-7-514绪

11、论绪论 所谓所谓“化工化工”即是化学工业、化学工艺和化即是化学工业、化学工艺和化学工程的总称。学工程的总称。2021-7-515绪论绪论 反应工程（反应工程（reaction Engineering ） 各各种各样的化学反应也可归纳为数不多的几种种各样的化学反应也可归纳为数不多的几种类型，从而形成了反应工程这个学科，以研类型，从而形成了反应工程这个学科，以研究化学反应的规律，从而探讨化学反应器的究化学反应的规律，从而探讨化学反应器的设计方法和操作应用等。设计方法和操作应用等。2021-7-516绪论绪论3. 传递过程传递过程 传递过程是单元操作的基础。实际上三传递过程是单元操作的基础。实际上三

12、种传递过程在自然界无处不在，例如：用洗种传递过程在自然界无处不在，例如：用洗衣机洗衣服、电扇降温、暖气取暖、泡茶等衣机洗衣服、电扇降温、暖气取暖、泡茶等等日常活动都会受传递过程规律支配。等日常活动都会受传递过程规律支配。 传递过程的研究内容：传递过程的研究内容： 任何学科之所以任何学科之所以成为一门学科，必须具备两个条件：成为一门学科，必须具备两个条件：一是要一是要有统一的研究对象；二是要有统一的研究方有统一的研究对象；二是要有统一的研究方法。法。2021-7-517绪论绪论 学科的研究对象是：学科的研究对象是：研究流体动量、热研究流体动量、热量、质量的变化速率（传递速率）规律及影响量、质量的

13、变化速率（传递速率）规律及影响因素。因素。 研究方法研究方法：一是：一是数学模型法数学模型法。即在对。即在对过程深入分析的基础上，建立简化的物理模型，过程深入分析的基础上，建立简化的物理模型，进而写出数学模型，经简化引入的模型参数，进而写出数学模型，经简化引入的模型参数，由实验确定，因此该理论也称由实验确定，因此该理论也称半理论半实验法半理论半实验法。另一方法为另一方法为经验法经验法，即直接通过实验测定过程，即直接通过实验测定过程参数的变化，拟合出过程规律。参数的变化，拟合出过程规律。2021-7-518绪 论 传递过程研究中用的最多的是半理论半经传递过程研究中用的最多的是半理论半经验法。经验

14、法在工程上应用广泛。而纯理论法验法。经验法在工程上应用广泛。而纯理论法只能用来解决一些很简单的传递现象。只能用来解决一些很简单的传递现象。 传递过程所回答的基本问题：传递过程所回答的基本问题： （1）阐述）阐述“三传三传”基本理论；基本理论； （2）定量描述）定量描述“三传三传”现象的基本方法现象的基本方法 （其（其 基础为：质量、能量、动量守恒）；基础为：质量、能量、动量守恒）； （3）“三传三传”理论在工业上的典型应用。理论在工业上的典型应用。2021-7-519绪论绪论4、学习要点、学习要点 （1）转变思维方式，树立工程观点；）转变思维方式，树立工程观点； （2）掌握基本概念，熟悉数学模

15、型法；）掌握基本概念，熟悉数学模型法； （3）重点学习）重点学习“方法方法”；看淡烦琐推导；看淡烦琐推导； （4）重视学习过程）重视学习过程预习、笔记、作业。预习、笔记、作业。2021-7-520第一章第一章 分子传递现象分子传递现象1.1 静态过程和动态过程静态过程和动态过程平衡和速率平衡和速率 宏观上，物体的运动状态只有两种，即：宏观上，物体的运动状态只有两种，即：静态和动态静态和动态。 静态和动态是相对而言的。当原有条件静态和动态是相对而言的。当原有条件被破坏，静态可以转化为动态，而动态可以转被破坏，静态可以转化为动态，而动态可以转化为静态。平衡过程和速率过程即是如此。化为静态。平衡过程

16、和速率过程即是如此。2021-7-521概 论 1、平衡过程、平衡过程 自然界中存在着大量的正反两个方向的自然界中存在着大量的正反两个方向的变化，如：盐的溶解与解析、蒸发与凝结、变化，如：盐的溶解与解析、蒸发与凝结、吸附与脱附、氧化与还原反应等。当这些正吸附与脱附、氧化与还原反应等。当这些正反两方向的变化达到势均力敌的状态即极限反两方向的变化达到势均力敌的状态即极限状态，就是所谓的状态，就是所谓的平衡状态平衡状态，如相平衡、化，如相平衡、化学平衡。学平衡。2021-7-522概 论 平衡时净速率为零，如平衡条件发生化，平衡时净速率为零，如平衡条件发生化，则物系将偏离平衡状态，发生某种物理量的转

17、则物系将偏离平衡状态，发生某种物理量的转移，使物系再次趋向平衡。平衡过程的规律是移，使物系再次趋向平衡。平衡过程的规律是热力学要探讨的问题。热力学要探讨的问题。2021-7-523概概 论论 2、速率过程、速率过程 不平衡时，正反两个方向上的速率不相不平衡时，正反两个方向上的速率不相等，过程的某些量将随时间而变，过程的净等，过程的某些量将随时间而变，过程的净速率不为零。速率过程的规律是动力学要探速率不为零。速率过程的规律是动力学要探讨的问题。讨的问题。2021-7-524概概 论论 动力学分为化学动力学和传递动力学。化动力学分为化学动力学和传递动力学。化学动力学探讨化学变化的速率及各种因素对化

18、学动力学探讨化学变化的速率及各种因素对化学反应速率的影响；传递动力学探讨物理变化学反应速率的影响；传递动力学探讨物理变化的速率及有关影响因素。的速率及有关影响因素。 本门课中讨论传递动力学即动量、热量、本门课中讨论传递动力学即动量、热量、质量传递过程的速率。质量传递过程的速率。2021-7-525概概 论论 速率与速度的区别：速率与速度的区别： 速度指单位时间内物理量的变化。速度指单位时间内物理量的变化。 任何传递过程的速率均可写成：任何传递过程的速率均可写成： 速率速率 = 推动力推动力 / 阻力阻力 速率指单位时间、单位面积上物理量的变速率指单位时间、单位面积上物理量的变化化通量。通量。2

19、021-7-526概概 论论1.2 传递过程的基本变量和基本概念传递过程的基本变量和基本概念1、质点与连续性假定、质点与连续性假定 质点（微团）质点（微团）含大量分子的流体微团含大量分子的流体微团 分子自由程分子自由程 质点尺寸质点尺寸 设备尺寸设备尺寸 连续性假定连续性假定流体是由大量质点组成的、流体是由大量质点组成的、彼此没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。彼此没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。2021-7-527概概 论论 2 2、速度与速度分布、速度与速度分布 物理学定义：动量物理学定义：动量= =质量质量m m速度速度u u。 速度可理解为速度可理解为单位质量物质所具有的动量单

20、位质量物质所具有的动量。即：速度即：速度 = = 动量动量 / / 质量质量 同一物质，速度不同，其动量也不同同一物质，速度不同，其动量也不同。2021-7-528概概 论论 动量传递动量传递 当物系中当物系中不同分子或质点不同分子或质点具具有不同的动量时，分子或质点相互接触，就有不同的动量时，分子或质点相互接触，就将发生动量传递，即由高流速分子或质点传将发生动量传递，即由高流速分子或质点传向低流速分子或质点。向低流速分子或质点。动量传递过程的特征变量是流速：动量传递过程的特征变量是流速： 流速流速 = 动量动量 / 单位质量。单位质量。2021-7-529概概 论论 速度分布速度分布 江河里

21、的水流，中间快，岸边慢，甚至为江河里的水流，中间快，岸边慢，甚至为零，这种现象说明，沿江截面，流速有某种分零，这种现象说明，沿江截面，流速有某种分布。流体在管道和设备中流动时，沿径向截面布。流体在管道和设备中流动时，沿径向截面上各点的流速也不同，并存在一定的规律，此上各点的流速也不同，并存在一定的规律，此即即速度分布速度分布。2021-7-530概概 论论 （1）理想流体速度分布）理想流体速度分布 （2）平板内速度分布）平板内速度分布2021-7-531概论概论 （3）圆管内速度分布）圆管内速度分布2021-7-532概概 论论 在工程计算时，为简便起见，常用平均速在工程计算时，为简便起见，常

22、用平均速度来代替速度分布。度来代替速度分布。/AUudA AVA 假定流体沿截面做均匀流动，按各截面体假定流体沿截面做均匀流动，按各截面体积流率相等原则确定积流率相等原则确定平均流速平均流速U。2021-7-533概概 论论 平均流速与质量流率平均流速与质量流率W、体积流率、体积流率 V的关系：的关系： W =V =UA G = W/A =U G 称做质量流速（质量通量）。单位称做质量流速（质量通量）。单位kg/m2s2021-7-534概概 论论 研究速度分布的意义研究速度分布的意义： （1）是研究热量传递、质量传递、反应工）是研究热量传递、质量传递、反应工程的基础；程的基础； （2）依据其

23、规律可在工程上指导过程提高）依据其规律可在工程上指导过程提高效率，促使设备中流动流体分布均匀；效率，促使设备中流动流体分布均匀； （3）按照速度分布规律计算速度梯度，是）按照速度分布规律计算速度梯度，是解决计算一些工程物理量的途径，如流动阻力。解决计算一些工程物理量的途径，如流动阻力。 速度分布将是讨论的主要内容。速度分布将是讨论的主要内容。2021-7-535概概 论论 3、温度与温度分布、温度与温度分布 温度是物质微观粒子热运动激烈程度的宏温度是物质微观粒子热运动激烈程度的宏观体现，温度越高，微观粒子热运动的能量越观体现，温度越高，微观粒子热运动的能量越大。物体（流体）的绝大多数性质与温度

24、有关。大。物体（流体）的绝大多数性质与温度有关。热量传递过程中特征参数是温度。热量传递过程中特征参数是温度。 2021-7-536概概 论论 当过程中或流动系统中存在温度差，就会当过程中或流动系统中存在温度差，就会发生热量从高温处向低温处的传递，即发生热量从高温处向低温处的传递，即热量传热量传递递。在传递过程中，会使物体或系统内部形成。在传递过程中，会使物体或系统内部形成某种温度分布，温度分布与流速分布、流体性某种温度分布，温度分布与流速分布、流体性质、设备条件等因素密切相关。质、设备条件等因素密切相关。 2021-7-537概概 论论 研究温度分布的意义研究温度分布的意义： （1）是研究质量

25、传递的基础；）是研究质量传递的基础； （2）依据温度分布计算温度梯度是解析计）依据温度分布计算温度梯度是解析计算传热速率大小的基础；算传热速率大小的基础； （3）利用温度分布规律，确定合理的工艺）利用温度分布规律，确定合理的工艺条件或强化过程。条件或强化过程。 温度分布将是热量传递中重要的研究内容温度分布将是热量传递中重要的研究内容。2021-7-538概概 论论 4、浓度与浓度分布、浓度与浓度分布 浓度的表达方式：浓度的表达方式：ni1nCiC1质量浓度质量浓度 i =mi/v kg/m3 摩尔浓度摩尔浓度 C i= n i/ v kmol/m3总浓度总浓度对理想流体对理想流体 C i= n

26、 I / V = Pi/RT C = P / RT2021-7-539概概 论论 质量浓度与摩尔浓度的关系：质量浓度与摩尔浓度的关系： C i= i/miniw11niniyx1111质量分率质量分率 w i=C i/C (液体液体) 摩尔分率摩尔分率 x I = C i /C (液体液体) y I = C i /C (气体气体)2021-7-540概概 论论 浓度分布浓度分布 当系统中存在着浓度差或系统未达到相平当系统中存在着浓度差或系统未达到相平衡时，物质就会从高浓度区域向低浓度区域衡时，物质就会从高浓度区域向低浓度区域转移，或从一相转移至另一相，此即转移，或从一相转移至另一相，此即质量传

27、质量传递递。质量传递的场所均存在浓度变化，即存。质量传递的场所均存在浓度变化，即存在在浓度分布浓度分布。浓度分布与速度分布、流体性。浓度分布与速度分布、流体性质、设备条件等因素有关。质、设备条件等因素有关。2021-7-541概概 论论 研究浓度分布的意义在于：研究浓度分布的意义在于： （1）计算传递速率的基础。）计算传递速率的基础。 （2）其分布规律是确定传质过程工艺条件）其分布规律是确定传质过程工艺条件的依据。的依据。2021-7-542概概 论论 5、传递通量：、传递通量：单位时间单位面积上传递单位时间单位面积上传递的特征量。通量是表示传递速率的物理量。的特征量。通量是表示传递速率的物理

28、量。22/mWsmJtAQq/2smkgtAmJi 动量通量：动量通量： = 动量动量m u /（单位时间（单位时间t 单位面积单位面积A ） N / m2 热量通量：热量通量： i组分质量通量组分质量通量:2021-7-543概概 论论 1.3 流动问题的数学描述方法流动问题的数学描述方法 1. 拉格朗日法：拉格朗日法：以以质点质点为考察对象，描述为考察对象，描述其运动参数随时间的变化规律。即描述同一质其运动参数随时间的变化规律。即描述同一质点在不同时间的状态。物理学中通常采用这种点在不同时间的状态。物理学中通常采用这种方法。方法。2021-7-544概概 论论 2. 欧拉法欧拉法：以：以空

29、间点空间点为考察对象，描述质点为考察对象，描述质点通过空间固定位置时，运动参数随时间的变化通过空间固定位置时，运动参数随时间的变化规律，即直接描述运动参数（如速度、压强等）规律，即直接描述运动参数（如速度、压强等）在指定空间和时间上的变化，在流体力学中通在指定空间和时间上的变化，在流体力学中通常采用欧拉法。常采用欧拉法。2021-7-545概概 论论 两种考察方法不同的实例：两种考察方法不同的实例：dtudzudyudxzyx轨线方程为：轨线方程为： 例例1：轨线轨线同一质点在不同时间所占空同一质点在不同时间所占空间位置的连线，即轨线是某一流体质点的运动间位置的连线，即轨线是某一流体质点的运动

30、轨迹，是拉格朗日法描述的结果轨迹，是拉格朗日法描述的结果 。2021-7-546概概 论论 例例2：流线流线流线是同一时刻，不同质流线是同一时刻，不同质点组成的曲线，流线上各点的切线表示该点的点组成的曲线，流线上各点的切线表示该点的速度方向，是欧拉法描述的结果。速度方向，是欧拉法描述的结果。zyxudzudyudx流线方程为流线方程为 ：2021-7-547概概 论论 流线和轨线完全不同。轨线描述的是同流线和轨线完全不同。轨线描述的是同一质点在连续瞬间的位置；流线描述的是同一质点在连续瞬间的位置；流线描述的是同一瞬间不同质点的速度方向，一瞬间不同质点的速度方向，只有在定态时，只有在定态时，两线

31、重合两线重合。时间在轨线方程中为独立变量，。时间在轨线方程中为独立变量，在流线方程中为参变量。在流线方程中为参变量。abcd (b)流 线0(a)迹 线r1r2r3r42021-7-548分子传递现象分子传递现象 流线的两个重要属性：流线的两个重要属性： 1. 同一点只有一个速度，因此流线互不相交；同一点只有一个速度，因此流线互不相交； 2. 在流场中，通过任意封闭曲线各点引出的在流场中，通过任意封闭曲线各点引出的流线所围成的空间称流管，按流线定义，不可流线所围成的空间称流管，按流线定义，不可能有宏观横向流动穿越流管。能有宏观横向流动穿越流管。2021-7-549分子传递现象分子传递现象5、流

32、体上的作用力、流体上的作用力 （1）外力：）外力：导致流体远动、变形。导致流体远动、变形。 （2） 内力：内力：外力的反作用力，作用在流体外力的反作用力，作用在流体的质点上，导致内摩擦，产生阻力。的质点上，导致内摩擦，产生阻力。表面力表面力施加在流体表面（压力、摩擦力）；施加在流体表面（压力、摩擦力）；体积力体积力施加在整个流体上（重力、离心力、施加在整个流体上（重力、离心力、惯性力）。惯性力）。2021-7-550分子传递现象分子传递现象（3）应力、压力与剪应力）应力、压力与剪应力 应力应力单位面积上的内力。对空间任一点单位面积上的内力。对空间任一点M，其外表面积为其外表面积为A，表面的法线

33、为，表面的法线为n，其上的作用力，其上的作用力为为p。则应力为：。则应力为：dAdpAPnzyxA)(lim),(0应力的方向一般不和法线方向一致。进行分解：应力的方向一般不和法线方向一致。进行分解：法向应力：法向应力： n 压力；压力；切向应力：切向应力： n 剪切力。剪切力。2021-7-551分子传递现象分子传递现象 静压力静压力 在流体内部，任一处都存在着压力，称在流体内部，任一处都存在着压力，称为静压力，此静压力不论流体是静止还是流动都存为静压力，此静压力不论流体是静止还是流动都存在。在。 p = p0 g h 压差计压差计 上式为静力学上式为静力学方程（静力学平衡方程（静力学平衡定

34、律）。定律）。 应用条件：静止应用条件：静止的、同种流体、同一的、同种流体、同一水平面上，静压力相水平面上，静压力相等。且各向同性。等。且各向同性。2021-7-552分子传递现象分子传递现象 剪切应力剪切应力 液体在流动过程中受到的作用液体在流动过程中受到的作用于单位面积的切向力。于单位面积的切向力。 流体层所受剪应力为流体层所受剪应力为 y x= F /A N/m22021-7-553分子传递现象分子传递现象 6、传递过程分类、传递过程分类 均相传递与非均相传递均相传递与非均相传递按物系的相特按物系的相特点分类。点分类。 定常也称定态（定常也称定态（steady state），是指过程），

35、是指过程物理量均不随时间而变，其数学描述为物理量均不随时间而变，其数学描述为d（）（）/d t=0。反之就是非定态，。反之就是非定态，d（）（）/d t 0。 定常传递与非定常传递定常传递与非定常传递按流动状态分按流动状态分类。类。2021-7-554分子传递现象分子传递现象 一维传递与多维传递一维传递与多维传递按流动空间自变按流动空间自变量的变化关系分类。量的变化关系分类。（），（），（）000zyx 对传递过程，特征物理量（对传递过程，特征物理量（u、T、C）在）在空间一般都是呈三维分布的，若过程变量仅沿空间一般都是呈三维分布的，若过程变量仅沿空间坐标的一个方向变化，此过程就变成一维空间坐

36、标的一个方向变化，此过程就变成一维的，其数学描述为的，其数学描述为 ：2021-7-555分子传递现象分子传递现象 工程上，在保证精度的前提下，总是尽可工程上，在保证精度的前提下，总是尽可能将多维简化为一维，以减少描述过程的方程能将多维简化为一维，以减少描述过程的方程数，使一些无法求解的问题得到合理的解答。数，使一些无法求解的问题得到合理的解答。 如热量在一块面积很大的薄板上传递，因如热量在一块面积很大的薄板上传递，因板的长、宽尺寸板厚，所以可忽略热量沿板的长、宽尺寸板厚，所以可忽略热量沿长宽方向的传递，仅将热量看成只沿厚度方向长宽方向的传递，仅将热量看成只沿厚度方向的一维传递。的一维传递。2

37、021-7-556分子传递现象分子传递现象 可压缩流体与不可压缩流体的传递可压缩流体与不可压缩流体的传递按按流体的压缩性分类。流体的压缩性分类。 如流体的密度不随压力变化则该流体即为如流体的密度不随压力变化则该流体即为不可压缩流体，如液体。否则即为可压缩流体，不可压缩流体，如液体。否则即为可压缩流体，如气体。如气体。 可压缩与不可压缩流体有截然不同的运动可压缩与不可压缩流体有截然不同的运动规律。规律。2021-7-557分子传递现象分子传递现象1.3 分子传递现象（一）分子传递现象（一） 传递过程的机理可以分为两类：传递过程的机理可以分为两类： 1、分子传递、分子传递由分子的随机热运动（布朗由

38、分子的随机热运动（布朗运动）所引起，也称为统计学传递，属于微观传运动）所引起，也称为统计学传递，属于微观传递现象，易于数学描述。递现象，易于数学描述。 2、对流传递（涡流传递）、对流传递（涡流传递）由质点的随机由质点的随机运动所引起，其机理非常复杂，属于宏观传递现运动所引起，其机理非常复杂，属于宏观传递现象，难于数学描述。象，难于数学描述。2021-7-558分子传递现象分子传递现象1.3.1 动量传递动量传递 现象现象1：用搅拌器搅动杯中水，停止搅动：用搅拌器搅动杯中水，停止搅动后，水会慢慢减速以至最终停止。后，水会慢慢减速以至最终停止。 表明水中存在某种阻止运动的力。表明水中存在某种阻止运

39、动的力。2021-7-559分子传递现象分子传递现象 现象现象2：观察河道中的水流，可以看到河观察河道中的水流，可以看到河中心水流很急，而越靠近河岸，水的流速越小，中心水流很急，而越靠近河岸，水的流速越小，而紧贴河岸，水流速几乎为零。而紧贴河岸，水流速几乎为零。 孔板孔板 这表明河岸对临近它的水流有约束作用，这表明河岸对临近它的水流有约束作用，而这种作用又可以通过流体向更远的地方传递。而这种作用又可以通过流体向更远的地方传递。2021-7-560分子传递现象分子传递现象 现象现象3：折一架纸飞机，在空气中仍出去，：折一架纸飞机，在空气中仍出去，能飞很远一段距离；如用同样的纸飞机，让它能飞很远一

40、段距离；如用同样的纸飞机，让它在水中飞行，情况怎样？在水中飞行，情况怎样？上述三种现象告诉我们：上述三种现象告诉我们：流体内部存在某种阻止运动的力。流体内部存在某种阻止运动的力。固体壁面对流体有阻滞作用。固体壁面对流体有阻滞作用。流体不同，阻滞力的大小不同。流体不同，阻滞力的大小不同。2021-7-561分子传递现象分子传递现象 1、动量传递、动量传递 设两块间距很小设两块间距很小(为为h)的大平板，两板间充满的大平板，两板间充满了不可压缩的流体，下板固定，上板以均匀速了不可压缩的流体，下板固定，上板以均匀速度度u运动。运动。 2021-7-562分子传递现象分子传递现象 紧贴板的流体薄层与上

41、板有同样的速度，紧贴板的流体薄层与上板有同样的速度，即流体与壁面间无滑动（与固体间的摩擦完即流体与壁面间无滑动（与固体间的摩擦完全不同）。随着离开上板的距离增加，流速全不同）。随着离开上板的距离增加，流速减小。而紧贴下板的流体则静止不动。因此减小。而紧贴下板的流体则静止不动。因此两板间的流体将两板间的流体将分成无数速度不分成无数速度不同的薄层而运动，同的薄层而运动，形成形成速度分布。速度分布。2021-7-563概概 论论 产生这种现象的原因是：产生这种现象的原因是：流动方向上的动流动方向上的动量在其垂直方向上的传递，造成了流体层与层量在其垂直方向上的传递，造成了流体层与层之间的剪应力，之间的

42、剪应力，即内摩擦即内摩擦。引起内摩擦的力就。引起内摩擦的力就称称粘性力粘性力。 流体的粘性流体的粘性是因流体内部分子是因流体内部分子热运动而产生动量热运动而产生动量传递的结果。传递的结果。 粘性流体内摩擦实验粘性流体内摩擦实验2021-7-564概概 论论 2、牛顿粘性定律、牛顿粘性定律 牛顿通过实验推测：对大多数流体，流层牛顿通过实验推测：对大多数流体，流层间因粘性产生的内摩擦力即剪应力服从下述规间因粘性产生的内摩擦力即剪应力服从下述规律：律： 遵循牛顿粘性遵循牛顿粘性定律的流体称为牛定律的流体称为牛顿型流体，否则为顿型流体，否则为非牛顿型流体。非牛顿型流体。 y x= + d u /d y

43、 牛顿粘性定律，牛顿粘性定律， 分子动量传递特征方程分子动量传递特征方程2021-7-565概概 论论 牛顿粘性定律（牛顿粘性定律（ y x= + d u /d y ）的意义）的意义：（1）流体所受剪应力与法向速度梯度成正比，）流体所受剪应力与法向速度梯度成正比， 与法向压力无关。与法向压力无关。（2）流体所受剪应力与剪切变形速率成正比。）流体所受剪应力与剪切变形速率成正比。 r2021-7-566概概 论论 3、粘性系数、粘性系数 牛顿粘性定律中的比例系数牛顿粘性定律中的比例系数 称为粘性系数，称为粘性系数，简称简称粘度粘度。其定义为：。其定义为： /rdyduyxyx2021-7-567概

44、概 论论 讨讨 论：论：（1）粘度的物理意义：当法）粘度的物理意义：当法向速度梯度为向速度梯度为1时的剪应力。时的剪应力。（2）粘度的单位为：）粘度的单位为：N.s/m2或或Pa.s。物理单位。物理单位制中为制中为 dyn.s/cm2 称为泊称为泊p。 1泊泊=100厘泊厘泊cp ，1Pa.s=1000cp。（3）运动粘度：工程计算中常将）运动粘度：工程计算中常将 / = (运动粘度）运动粘度）/rdyduyxyx2021-7-568概概 论论（4）粘度是流体的物理属性。）粘度是流体的物理属性。 同是液体同是液体水水油油气气。 粘度均由实验测定。粘度均由实验测定。 （5）流体的粘度总是和）流体

45、的粘度总是和d u /d y相联系的，粘相联系的，粘性只有在流体流动时才显现出来。性只有在流体流动时才显现出来。（6）粘度是温度的函数。实验表明，温度增）粘度是温度的函数。实验表明，温度增加，液体粘度减小，气体的粘度增加。加，液体粘度减小，气体的粘度增加。2021-7-569概概 论论 （7）粘度是压力的函数。液体为不可压缩流）粘度是压力的函数。液体为不可压缩流体，工程上体，工程上40个大气压下，压力对液体粘度可个大气压下，压力对液体粘度可 忽略其影响。气体粘度一般随压力升高而增忽略其影响。气体粘度一般随压力升高而增大，在低温度时，这种影响更显著。但在压力大，在低温度时，这种影响更显著。但在压

46、力1000 k Pa时，即时，即10个大气压以下，气体粘度随个大气压以下，气体粘度随压力变化很小，也可近似认为压力变化很小，也可近似认为 不变。不变。2021-7-570概概 论论（8）粘性的大小是以粘度的大小来衡量的。）粘性的大小是以粘度的大小来衡量的。粘度越大，同样速度梯度产生的剪应力越大。粘度越大，同样速度梯度产生的剪应力越大。（9）粘性阻止流体的相对运动。速度分布和）粘性阻止流体的相对运动。速度分布和流动阻力产生的原因就是粘性。流动阻力产生的原因就是粘性。（10）粘性的物理本质是流体分子的布朗运动，）粘性的物理本质是流体分子的布朗运动，是分子微观运动的宏观表现。是分子微观运动的宏观表现

47、。2021-7-571概概 论论 4 、非牛顿流体的粘性定律、非牛顿流体的粘性定律 在工程上除气体和大多数低分子液体是牛在工程上除气体和大多数低分子液体是牛顿型流体外，许多液体不遵循牛顿粘性定律，顿型流体外，许多液体不遵循牛顿粘性定律，称为称为非牛顿流体非牛顿流体。不同种类的非牛顿流体有不。不同种类的非牛顿流体有不同的模型方程同的模型方程经验方程来描述。非牛顿流体经验方程来描述。非牛顿流体按剪应力与剪切速率按剪应力与剪切速率t间关系分为以下几种：间关系分为以下几种：2021-7-572概概 论论1、纯粘性流体。其剪应力仅与剪切速率有关，与应 力持续时间无关，流体粘度是r的函数。如假塑 与胀塑性

48、流体的剪切稀化现象。2、粘弹性流体。流体即有粘性又有弹性，形变后可 表现出部分弹性恢复。粘性即与r有关又与形变 大小有关。如一些高分子溶液和熔体，存在异常 行为：爬杆、挤出胀大、无管虹吸等现象。3、依时性流体。其剪切速率和粘度即与应力大小又 与承受应力时间有关，主要特征是当作用的剪切 应力超过临界值后，流体才开始运动。如： 粘塑性流体、泥浆、涂料、牙膏。2021-7-573分子传递现象分子传递现象1.3.2 热热 量量 传传 递递 当物质内部存在温度差时，热量就会从高当物质内部存在温度差时，热量就会从高温向低温处传递温向低温处传递传热传热。现象：。现象： 1、冬天的清晨，手触摸金属感觉很凉（导

49、、冬天的清晨，手触摸金属感觉很凉（导热），而戴上手套再摸就不感觉凉。类似现象：热），而戴上手套再摸就不感觉凉。类似现象：热气腾腾的水面覆盖一层油，热气消失。热气腾腾的水面覆盖一层油，热气消失。 2、夏天扇电扇，转速越快，越感觉凉快。、夏天扇电扇，转速越快，越感觉凉快。说明传热速率受流体流速影响。说明传热速率受流体流速影响。2021-7-574分子传递现象分子传递现象 3、冬天室内的暖气片均采用不规则形状，、冬天室内的暖气片均采用不规则形状，而且为达到同样的效果，形状越不规则，其体而且为达到同样的效果，形状越不规则，其体积越小。积越小。上述三种现象告诉我们：上述三种现象告诉我们： 不同材料传热速

50、率不同；不同材料传热速率不同； 流体流速影响传热速率；流体流速影响传热速率； 传热速率受传热面大小和形状的影响。传热速率受传热面大小和形状的影响。2021-7-575分子传递现象分子传递现象 按照热量传递过程的机理，传热可分为按照热量传递过程的机理，传热可分为三种基本类型。三种基本类型。 导热，对流和辐射导热，对流和辐射。 在三种传热方式中，在三种传热方式中，只有导热属于分子只有导热属于分子传递传递（分子、电子等的热运动），因此本节（分子、电子等的热运动），因此本节主要讨论导热。主要讨论导热。2021-7-576分子传递现象分子传递现象 1、导热、导热 物理化学原理：物理化学原理：温度是物质微

51、观粒子热运温度是物质微观粒子热运动激烈程度的表示。动激烈程度的表示。 当同一物体或不同物体的不同部分存在温当同一物体或不同物体的不同部分存在温度差时，由于分子、原子、电子的震动、碰撞度差时，由于分子、原子、电子的震动、碰撞或位移，产生能量的转移，宏观表现为热量从或位移，产生能量的转移，宏观表现为热量从高温部分传向低温部分高温部分传向低温部分导热。导热。2021-7-577分子传递现象分子传递现象 导热的特点：导热的特点：在热量传递过程中，温度不在热量传递过程中，温度不同的各部分物质之间，没有宏观相对运动。同的各部分物质之间，没有宏观相对运动。 由物理概念知，气液固三类物质导热的由物理概念知，气

52、液固三类物质导热的机理是不同的。机理是不同的。2021-7-578分子传递现象分子传递现象 2、导热基本定律、导热基本定律傅立叶定律傅立叶定律 傅立叶对导热的规律进行经验总结，得到如下傅立叶对导热的规律进行经验总结，得到如下定律，对一维大薄板定律，对一维大薄板或两块无限大平板间或两块无限大平板间的流体的流体 ：dykdtAQqyy 傅立叶定律傅立叶定律2021-7-579分子传递现象分子传递现象 上式表明，在一维导热过程中，热通量上式表明，在一维导热过程中，热通量正比于该处的温度梯度，负号表明传热方向正比于该处的温度梯度，负号表明传热方向与温度方向相反，即热量由高温区传向低温与温度方向相反，即

53、热量由高温区传向低温区。式中比例系数称为区。式中比例系数称为热导率（导热系数）热导率（导热系数）。dydtkAQqyy2021-7-580分子传递现象分子传递现象3.导热系数导热系数 定义：定义： k = q y / (d t / d y)讨讨 论：论： （1）物理意义：导热系数为法向温度梯度为）物理意义：导热系数为法向温度梯度为1时热通量。它反映了物质导热能力的大小。时热通量。它反映了物质导热能力的大小。 （ 2）单位：）单位： w/m.k2021-7-581分子传递现象分子传递现象 （3）导热系数是物质的物理属性，是物质）导热系数是物质的物理属性，是物质结构，温度，压力的函数。其大小常由实

54、验确结构，温度，压力的函数。其大小常由实验确定。定。 不同相态的导热系数相差很大。通常金属不同相态的导热系数相差很大。通常金属为最大，量级为为最大，量级为10 10 2；其次是非金属固体；其次是非金属固体和液体，量级为和液体，量级为10 -110 0；隔热材料和气体则；隔热材料和气体则最小，量级为最小，量级为10 -2 10-1。2021-7-582分子传递现象分子传递现象 （4）导热系数随温度的变化。温度升高，）导热系数随温度的变化。温度升高，气体导热系数增加；液体的导热系数除水、气体导热系数增加；液体的导热系数除水、甘油和少量水溶液外，一般随温度升高而减甘油和少量水溶液外，一般随温度升高而

55、减小；液体中水的导热系数最大；随温度的升小；液体中水的导热系数最大；随温度的升高，纯金属导热系数减小，合金导热系数增高，纯金属导热系数减小，合金导热系数增大；但纯金属的导热系数总比其合金的大。大；但纯金属的导热系数总比其合金的大。 非金属固体中石墨的导热系数最大非金属固体中石墨的导热系数最大（100200w/m.k），比一般金属还大（钢或），比一般金属还大（钢或铁铁4560w/m.k）。）。2021-7-583分子传递现象分子传递现象 （5）导热系数随压力变化。液体和固体的）导热系数随压力变化。液体和固体的导热系数随压力影响很小，通常不予考虑；气导热系数随压力影响很小，通常不予考虑；气体的导热

56、系数在压力很低（接近真空）或很高体的导热系数在压力很低（接近真空）或很高（大于（大于1000kpa）时，）时，k 随压力增加而增大，随压力增加而增大，而在相当大的压力范围内，对而在相当大的压力范围内，对 k 无明显影响。无明显影响。2021-7-584分子传递现象分子传递现象1.3.3 质质 量量 传传 递递 当混合物组成不同时，物质就会从高浓度当混合物组成不同时，物质就会从高浓度处扩散至低浓度处处扩散至低浓度处 传质（扩散）。传质（扩散）。现象现象： 1、在一杯清水中滴入一滴红墨水，过一、在一杯清水中滴入一滴红墨水，过一段时间后，整杯水均变成红颜色；如果将红墨段时间后，整杯水均变成红颜色；如

57、果将红墨水滴入甘油，过较长时间后，甘油才会变成红水滴入甘油，过较长时间后，甘油才会变成红色。说明同一物质在不同介质中，传质的速率色。说明同一物质在不同介质中，传质的速率不同。不同。2021-7-585分子传递现象分子传递现象 2、在清水中滴入红墨水的同时，加以搅、在清水中滴入红墨水的同时，加以搅拌，整杯水很快变成红颜色；说明传质速率受拌，整杯水很快变成红颜色；说明传质速率受流体流速影响。流体流速影响。 如果扩散因分子热运动而引起，称为如果扩散因分子热运动而引起，称为分子分子扩散扩散；因流体宏观运动引起，称为；因流体宏观运动引起，称为对流扩散对流扩散，这是两种本质不同的扩散，本节只讨论分子扩这是

58、两种本质不同的扩散，本节只讨论分子扩散。散。2021-7-586分子传递现象分子传递现象1、分子扩散现象、分子扩散现象 格雷姆实验格雷姆实验 分子扩散可在单相中进行（如红墨水在水分子扩散可在单相中进行（如红墨水在水中的扩散），也可以在气、液、固相间进行中的扩散），也可以在气、液、固相间进行（如香水扩散，气（如香水扩散，气-液相间；活性炭吸异味，液相间；活性炭吸异味，气气-固间）。分子扩散可以在浓度差推动下发固间）。分子扩散可以在浓度差推动下发生，也可在温度差作用下进行（热扩散），生，也可在温度差作用下进行（热扩散），还可以在压差、电场、磁场等外力作用力下还可以在压差、电场、磁场等外力作用力下进

59、行。此处仅讨论浓度差引起的扩散。进行。此处仅讨论浓度差引起的扩散。2021-7-587分子传递现象分子传递现象 2、分子扩散基本定律、分子扩散基本定律费克定律费克定律 费克对格雷姆实验结果进行了系统研究，费克对格雷姆实验结果进行了系统研究，提出了描述分子扩散的基本定律。提出了描述分子扩散的基本定律。2021-7-588分子传递现象分子传递现象 对双组分混合物对双组分混合物A、B，如果其组成不均匀，如果其组成不均匀，对空间两截面对空间两截面I、II，如，如A的浓度的浓度CAI CAII，则，则分子的热运动将导致分子的热运动将导致A由由I 向向 II扩散的数量扩散的数量A由由 II向向 I 扩散数

60、量，从而扩散数量，从而产生产生A由由I 向向II转移的净转移的净扩散流，即扩散流，即A 由高浓度由高浓度区向低浓度区扩散。区向低浓度区扩散。2021-7-589分子传递现象分子传递现象 在一维定常情况下，经在一维定常情况下，经I、II面间某一平面扩散传递面间某一平面扩散传递的物质量与导热类似，有：的物质量与导热类似，有： JA y= - DA B d CA/d y 费克定律费克定律 J Ay 扩散通量（扩散通量（A在在y方向上）（方向上）（kmol/m2s） C A 组分组分A的浓度的浓度 （kmol/m3） DAB组分组分A通过组分通过组分B的扩散系数（的扩散系数（m2/s） d C A/d