传递过程原理教材

1、传递过程原理传递过程原理序序 言言一、一、 动量、热量与质量传递导论动量、热量与质量传递导论二、二、 总质量、总能量和总动量衡算总质量、总能量和总动量衡算三三 六、动量传递（粘性流体流动的微分方程、六、动量传递（粘性流体流动的微分方程、 运动方程的应用、边界层理论基础、湍流）运动方程的应用、边界层理论基础、湍流）七七九、热量传递（热量传递概论与能量方程、九、热量传递（热量传递概论与能量方程、 热传导、对流传热）热传导、对流传热）十十十二、十二、 质量传递（质量传递概论与传质微分质量传递（质量传递概论与传质微分 方程、分子扩散、对流传质、相间传质）方程、分子扩散、对流传质、相间传质） 序序 言言

2、三传三传的概念在的概念在19601960年之前并未被人们普遍年之前并未被人们普遍接受，而在接受，而在19601960年前后才出现了年前后才出现了“动量、动量、热量与质量传递热量与质量传递”或或“传递现象传递现象”这一课这一课程。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！由裂变所产生的热量以防过热！工业废气排放：必须使其排放到高层大工业废气排放：必须使其排放到高层大气中，以便在污染物下降至地表面时，气中，以便在污染物下降至地表面时，其浓度降至允许的国家标准

3、范围以内。其浓度降至允许的国家标准范围以内。预测该浓度，需要了解预测该浓度，需要了解质量传递质量传递和和动量动量传递传递过程。过程。冷却塔：更是集冷却塔：更是集热量、动量热量、动量和和质量传递质量传递现象于一体现象于一体 的设施。的设施。 与热力学不同，传递是一门探讨速率与热力学不同，传递是一门探讨速率过程的科学。在速率这个概念上，三种过程的科学。在速率这个概念上，三种传递过程之间存在着基本的类似性。传递过程之间存在着基本的类似性。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）帮助了解各类帮助了解各类传递过程传递过程的的机理机理。这对于涉及传递过程的设备设计、操作这对于涉及传

4、递过程的设备设计、操作和控制可以提供理论基础。和控制可以提供理论基础。（2 2）为所研究的过程为所研究的过程提供基础数学模提供基础数学模型型，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

5、平衡态方向转变。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

6、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。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块无限大的平行平板，两块无限大的平行平板，上块静止，下块运动，上块静止，下块运动，速度速度u u，中间充满流体，中

7、间充满流体，因粘性的存在，最下层因粘性的存在，最下层流体必随板运动，速度流体必随板运动，速度u uo o , , 最上层流体也必随最上层流体也必随板静止，速度板静止，速度0 0，u0dyuu-du静止静止u0同样，因粘性，速度为同样，因粘性，速度为u uo o的流体必然将其的流体必然将其动量的一部分传递给相邻的流体，而使后动量的一部分传递给相邻的流体，而使后者的速度为者的速度为u u，当然，当然u uu uo o一直这样传下一直这样传下去，直至上层办流体速度为去，直至上层办流体速度为0 0。这样就在。这样就在u uo o和和u u之间建立了速度梯度分布。之间建立了速度梯度分布。实验证明实验证明

8、，当当u uo o不是很大，流体处于层流不是很大，流体处于层流范围内时，动量传递通量与速度梯度成正范围内时，动量传递通量与速度梯度成正比，比，即：即：) 11 (dydux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表示动量通量的方向与速度梯度的方向向 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。

9、粘度：粘度：流体的一种物理性质，仅与流体状态流体的一种物理性质，仅与流体状态有关，即只与流体的有关，即只与流体的压力压力、温度温度、组成组成有关，有关，而与而与速度梯度速度梯度和和剪应力剪应力无关。无关。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

10、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二、傅立叶定律（二、傅立叶定律（fouriesfouries law) 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：)21 (dydtkAqq /Aq /A 为热通量为热通量, , k k 为导热系数为导热系数“- -”表示热通量与温度梯度的方向相反，即热表示热通量与温度梯度的方向相反，即热量是由高温向低温方向传递量是由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

11、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三、费克定律（三、费克定律（FicksFicks law) law) 基于两组分系统，组分基于两组分系统，组分A A在组分在组分B B中由于分子中由于分子扩散所产生的质量通量，可由下式描述：扩散所产生的质量通量，可由下式描述： )31 (dydPDjAABAj 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“- -”表示质量通量的方向与浓度梯度的方表示质量通量的方向与浓度梯度的方向向 相反相反D DABAB 与组分的种类、压力、温度、组成等与组分的种类

12、、压力、温度、组成等因素有关。因素有关。小结：小结：上述三定律都用来描述由于分子间上述三定律都用来描述由于分子间无规则运动所引起的三类传递现象，它们无规则运动所引起的三类传递现象，它们具有类似性，即具有类似性，即 各过程所传递的物理量均与其相应的强各过程所传递的物理量均与其相应的强度因素的梯度成正比，并且都沿着负梯度度因素的梯度成正比，并且都沿着负梯度的方向传递；的方向传递； 各式的系数都是物性常数，它们只是状各式的系数都是物性常数，它们只是状态的函数，与传递的物理量多少和梯度的态的函数，与传递的物理量多少和梯度的大小无关。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

13、性定律。 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 对于不可压缩流体，即对于不可压缩流体，即为常数的流体，为常数的流体，牛顿定律可写成：牛顿定律可写成：)41 (dy)u(ddy)u(dxx动量通量，其单位为：动量通量，其单位为： sms/mkgms/mkgmN2222运动粘度，其单位为：运动粘度，其单位为： sm2uu x x动量浓度，其单位为：动量浓度，其单位为： 3xms/mkgudy)u(dx动量浓度梯度，其单位为：动量浓度梯度，其单位为： mms/mkgyu3x从上述各量的因次可以看出：剪应力从上述各量的因次可以看出：剪应力即即单位时间通过单位面积的动

14、量。单位时间通过单位面积的动量。因此因此可表示动量通量，它等于动量扩散可表示动量通量，它等于动量扩散系数（运动粘度）乘以动量浓度梯度的负系数（运动粘度）乘以动量浓度梯度的负值。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）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：)51 (dy) tC(dAqp s/mCk2p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）mm/Js/msmJ322三、质量通量三、质量通量 对对FickFick定律中个动量物理意义和单位

15、不定律中个动量物理意义和单位不需要变形就可直接进行分析：需要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）mm/kgs/msmkg322)31 (dydDjAABA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: 动量、热量与质量传递的通量，都等动量、热量与质量传递的通量，都等于该量的扩散系数与该量浓度梯度乘积的于该量的扩散系数与该量浓度梯度乘积的负值，故三类分子传递过程可用一个普遍负值，故三类分子传递过程可用一个普遍化的表达式来表达即：化的表达式来表达即：通量（扩散系数）通量（扩散系数）（浓度梯度）（浓度梯度） 动量、热量与

16、质量扩散系数动量、热量与质量扩散系数、和和DAB具有相同的因次，均为具有相同的因次，均为m2/s 通量为向量，它代表动量、热量与质量通量为向量，它代表动量、热量与质量传递的方向和量值，通量的方向永远与该传递的方向和量值，通量的方向永远与该量梯度的方向相反，故其表达式中有量梯度的方向相反，故其表达式中有“负负”号。号。现象方程：现象方程：（phenomenological equation）将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程称将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程称为现象方程。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。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： 沿坐

17、标轴的方向是沿坐标轴的方向是通量的正方向通量的正方向，坐标，坐标轴的负方向则是轴的负方向则是梯度的正方向梯度的正方向。因此：现象。因此：现象方程中有方程中有“负负”号时表示传递方向与坐标轴号时表示传递方向与坐标轴同向；同向；反之，现象方程中有反之，现象方程中有“正正”号时，表示传递号时，表示传递方向与坐标轴反向，而梯度与坐标轴同向。方向与坐标轴反向，而梯度与坐标轴同向。1-3 涡流传递的类似性涡流传递的类似性 前述的现象方程是用来描述分子运动前述的现象方程是用来描述分子运动所产生的传递方向的，而这种传递过程所产生的传递方向的，而这种传递过程只在少数情况下出现，如固体或静止的只在少数情况下出现，

18、如固体或静止的液体或层流流动的流体内的传热或动量、液体或层流流动的流体内的传热或动量、质量传递便属于质量传递便属于分子传递分子传递。实际工作状态下，大多数流体都处于实际工作状态下，大多数流体都处于湍湍流流动。流流动。在湍流流体中，由于存在大大小小的漩在湍流流体中，由于存在大大小小的漩涡，故除了分子传递外，还有涡，故除了分子传递外，还有涡流传递涡流传递。漩涡的运动和交换会引起流体微团的混合，漩涡的运动和交换会引起流体微团的混合，从而可使动量、热量或质量的传递过程大大从而可使动量、热量或质量的传递过程大大加剧。加剧。在湍动十分强烈的情况下，涡流传递的强度在湍动十分强烈的情况下，涡流传递的强度大大超

19、过分子传递的强度，此时，三传的湍大大超过分子传递的强度，此时，三传的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:)61()(dyudxr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： )71 ()()(dytcdAqpHeH 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：)81 ( dydjAMeA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的因次也与分子扩散系数的因次也与分子扩散系数、和和DAB的因次相同，均为的因次相同

20、，均为m2/s。在涡流传递中，在涡流传递中，、H H和和M M大致相等，在大致相等，在某些情况下，其中两者或三者完全相等。某些情况下，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。需要注意需要注意：分子扩散系数：分子扩散系数、和和DAB是物是物性常数，它们仅与性常数，它们仅与温度、压力及组成温度、压力及组成等因素等因素有关；有关；但涡流扩散系数但涡流扩散系数、H H和和M M则与流体性质则与流体性质无关，而与无关，而与湍动程度、流道中的位置、边壁湍动程度、流道中的位置、边壁粗糙度粗糙度等因素有关，因此较难确定。等因素有关，因此较难确定。 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 dyudx)(dyudxr)(rt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 dytcdAqp)(dytcd