传递过程原理第五章

5.1 概述
环境工程中常见的传质过程： u 吸收
吸收是指根据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解 度不同，使气体与溶剂充分接触，其中易溶的组分溶于溶剂 进入液相，而与不溶解的组分(惰性组分)分离。 如，采用石灰水洗涤含SO2的锅炉尾气， SO2与洗涤液 中的CaCO3和CaO反应，转化为CaSO3·2H2O，从而可净化 烟气－－烟气脱硫技术。
5.4 分子传质 5.4.1 等分子反向扩散
稳态过程，连通管内 NA、D、T · · · 均为常数。
DAB ∴ J Adz = − dp A RT
边界条件：z1= 0, pA= pA1； z2= L, pA= pA2 ，积分得
D JA = (p A1 − p A2 ) RTL D = D AB = DBA
5.1 概述
概念： 在一个含有两种或两种以上组 分的体系中，若某组分的浓度分布 不均匀，该组分会由浓度高的区域 向浓度低的地方转移，即质量传递 过程。
扩散
浓度差
5.1 概述
分类： u相内传质过程 物质在一个物相内部从浓度高的地方向浓度低的地 方转移的过程。 如，煤气在空气中的扩散，食盐在水中的溶解等。 u相际传质过程 物质由一个相向另一个相转移的过程。 分离均相混合物必须经历的过程。作为化工单元 操作在工业生产中广泛应用，如蒸馏、吸收、萃取等。
5.3 质量传递的基本原理 5.3.2 费克定律
分子对 称面 分子对 称面 A 由于浓度差的存在，在组 分扩散过程中，有一个A分子 通过某一截面（不固定），就 有一个B分子反方向通过这一 截面，填补A分子的空位.
B
5.3 质量传递的基本原理 5.3.2 费克定律
u 对于气体混合物，费克定律也常用分压梯度来表示 dc A D AB dp A pA cA = J A = − DAB =− ⋅ RT dz RT dz u 对于双组分气体混合物，cM = cA +cB，则 dc A dc B =− 即 （浓度梯度相等，方向相反） dz dz --- 双组分混合物中，产生物质A的扩散通量JA的同时， 必伴有方向相反的物质B的扩散通量JB。 --- DAB = DBA = D， JB = －JA

2016/12/2 5
第三章 运动方程的应用
1、掌握不可压缩流体的平壁间稳态层流的推导。
2、爬流的定义和特点。 3、流函数的定义式。 4、势函数的定义式，势函数存在的判据。 5、斯托克斯方程、欧拉方程的表达式及应用范围。 6、掌握本章习题。
2016/12/2
6
第四章 边界层理论基础
1、普兰德边界层学说。 2、速度边界层及其厚度的定义。 3、曳力系数的定义式。 4、范宁摩擦系数的定义式。 5、掌握普兰德边界层方程的推导。 6、掌握边界层积分动量方程的推导。 7、掌握本章的例题和习题。
题型
1、概 念 2、大推导 3、计算题 4、小推导 5、论述题 6-7 个 约20分 1 个 约20分 3-4 个 约40分 1-2 个 约10分 1 个 约10分
考试时间2.5小时
2016/12/2 3
第一章 动量、热量和质量传递导论
1、描述层流下三类传递过程的类似性。
2、掌握三个准数的定义式。
2016/12/2 14
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3、传递过程、分子传递和涡流传递概念
2016/12/2
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第二章 连续性方程和运动方程
1、衡算方法、衡算定律和计算衡等式。 2、什么是欧拉研究方法？ 3 、什么是拉格朗日研究方法？ 4、随体导数、全导数的表达式， 描述随体导数、全导数和偏导数物理意义。 4、熟悉连续性方程、运动方程的推导。 6、掌握不可压缩流体的连续性方程、运动方 程表达式。
总复习
有关考试
考试时间：2016年12月6日14:00 – 16:30
考场分配：待定
注意事项：
1、考试时把考试一卡通置于桌子的左上角。 2、自带计算器，铅笔、橡皮和直尺，考试时不能相互借用。 3、计算题采用科学计数法，小数点后保留两位有效数字。 4、考试期间不能打开手机。

一、等分子反向扩散 在一些双组分混合体系的传质过程中，当体系总
浓度保持不变时，组分A在分子扩散的同时伴有组分 B向相反方向的分子扩散，且组分B扩散的量与组分A 相等，这种传质过程称为等分子反向扩散。
pA1
p1 pB1
pA1 > pA2 A
B pB1 < pB2
pA2
2
p
pB2
1、2两截面上A、B 分压保持不变
组分A在相主体的分压
主体间的对数平均分压
与等分子反向扩散速率方程相比，单向扩散时多了一个因子
第三节 分子传质
讨论
NA
DABclnccA,0 L ccA,i
NA
DABc LcB,m
(cA,i
cA,0)
NARDTABB pLm , p(pA,i pA,0)
（1）组分A的浓度与扩散距离L为指数关系
p
c
（2） p Bm 、c B, m
分子扩散是由浓度差引起的分子微观运动；主 体流动是由气相主体与相界面之间的压差引起的流 体的宏观运动，起因是分子扩散，所以主体流动是 分子扩散的伴生现象。
第三节 分子传质
2、扩散通量 扩散组分的总通量由两部分组成，即流动所造成的 传质通量和叠加于流动之上的分子扩散通量；
由组分A、B 组成的混合气体，如组分A 为溶质，B 为惰 性气体，组分A向液体界面扩散并溶于液体中，则组分A 的传质通量为流动中组分A的传质通量+分子扩散通量。
第五章 质量传递 本章主要内容
第一节 环境工程中的传质过程 第二节 质量传递的基本原理 第三节 分子传质 第四节 对流传质
第一节 环境工程中的传质过程
1、水、气体和固体中污染物的分离过程
分类
非均相混合物

《传递过程原理》课程第一次作业参考答案（P56）1. 不可压缩流体绕一圆柱体作二维流动，其流场可用下式表示θθθsin ;cos 22⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=D r C u D r C u r其中C ，D 为常数，说明此时是否满足连续方程。

2. 判断以下流动是否可能是不可压缩流动(1) ⎪⎩⎪⎨⎧-+=--=++=zx t u z y t u yx t u z y x 222 (2) ()()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=-==-=22221211t tz u xy u x y u z y x ρρρρ3.对于下述各种运动情况，试采用适当坐标系的一般化连续性方程描述，并结合下述具体条件将一般化连续性方程加以简化，指出简化过程的依据。

(1)在矩形截面流道内，可压缩流体作定态一维流动；(2)在平板壁面上不可压缩流体作定态二维流动；(3)在平板壁面上可压缩流体作定态二维流动；(4)不可压缩流体在圆管中作轴对称的轴向定态流动；(5)不可压缩流体作圆心对称的径向定态流动。

《化工传递过程导论》课程作业第三次作业参考P-573-1流体在两块无限大平板间作定态一维层流，求截面上等于主体速度u b的点距离壁面的距离。

又如流体在圆管内作定态一维层流，该点距离壁面的距离为若干？距离壁面的距离02(12d r =-3-2温度为20℃的甘油以10kg/s 的质量流率流过长度为1m ，宽度为0.1m 矩形截面管道，流动已充分发展。

已知20℃时甘油的密度ρ=1261kg/m 3，黏度μ=1.499Pa·s 。

试求算(1)甘油在流道中心处的流速以及距离中心25mm 处的流速； (2)通过单位管长的压强降；2max 012P u y xμ∂=-∂流动方向上的压力梯度Px∂∂的表达式为：max 22u Px y μ∂=-∂ 所考察的流道为直流管道，故上式可直接用于计算单位管长流动阻力：fP L∆，故： -1max 22022 1.4990.119142.7Pa m 0.1()2f P u P P L x L y μ∆∂∆⨯⨯=-=-===⋅∂ （3） 管壁处剪应力为：2max max 002[(1())]xy y y yu u yu yy y y μτμτμ==∂∂=-⇒=--=∂∂ max 2022 1.4990.119N 7.135m 0.12u y μτ⨯⨯⇒===故得到管壁处的剪应力为2N7.135m《化工传递过程导论》课程第四次作业解题参考（P122）2. 常压下，20℃的空气以5m/s 的速度流过一光滑的平面，试判断距离平板前缘0.1m 和0.2m 处的边界层是层流还是湍流。

2020/6/21
38
概论
质量浓度与摩尔浓度的关系： C i=ρ i/mi
质量分率 w i=C i/C (液体)
n
wi 1
1
摩尔分率 x I = C i /C (液体) y I = C i /C (气体)
n
xi 1
1
n
yi 1
1
2020/6/21
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概论
▲浓度分布 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 转移，或从一相转移至另一相，此即质量传 递。质量传递的场所均存在浓度变化，即存 在浓度分布。浓度分布与速度分布、流体性 质、设备条件等因素有关。
2020/6/21
5
传递现象导论
教材：
《传递现象导论》（第二版） 戴干策等著
化学工业出版社，2008年。
参考书：
• 《化工传递过程基础》，陈 涛、张国亮著，化学工 业出版社，2002年。
• 《动量热量与质量传递》，王绍亭 、陈涛著天津科 学技术出版社，1986年。
• 《传递现象相似》，夏光榕等，中国石化出版社， 1997年。
2020/6/21
3
传递现象导论
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）
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
的研究方法。 • 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。 特点： • 数学推导多，理论性强——抽象； • 研究方法统一，逻辑性强——前后关联大； • 工程应用性强。
氯乙烯 反应器
水 碱液
放空
水洗塔
碱洗塔
（吸收） （吸收）
冷凝器

第五章
§5-1 §5-2 §5-3 §5-4 §5-5 §5-6 §5-7 §5-8
对流换热
Convective heat transfer
对流换热概说 对流换热的数学描写 对流换热边界层微分方程组 对流换热边界层积分方程组 相似理论与量纲分析 管内受迫流动 横向外掠圆管的对流换热 自然对流换热及实验关联式
λ ∂t 换热微分方程（描写h的本质，hx = − ∆t ( ∂y ) y =0 dA） 连续性方程（描写流体流动状态，即质量守恒） 动量微分方程（描写流动状态，即动量守恒） 能量微分方程（描写流体中温度场分布）
对流换热微分方程组 先作假设： （1）仅考虑二维问题； （2）流体为不可压缩的牛顿流体，稳定流动； （3）常物性，无内热源； （4）忽略由粘性摩擦而产生的耗散热。 以二维坐标系中的微元体为分析对象，根据热力学第一定 律，对于这样一个开口系统，有：
同理：（） dτ qm hout − qm hin ≈ ρcp (
y
H y + dy − H y =
∂t ∂v ⋅ v + ⋅ t )dxdydτ ∂y ∂y
（qm h)out − (qm h)in ∴ ∂t ∂t ∂u ∂v = ρ c p (u + v )dxdy + ρ c p t ( + )dxdy ∂x ∂y ∂x ∂y ∂t ∂t = ρ c p (u + v )dxdy (d ) ∂x ∂y
1.流动边界层（Velocity boundary layer ）
如果流体为没有粘性流体，流体流过平板时，流速在截 面上一直保持不变。 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪 来测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上， 即y方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速 急剧增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度， 德国科学家普朗特L.Prandtl研究了这一现象，并且在 1904年第一次提出了边界层的概念。

层流边界层 紊流核心区
过渡区 紊流边界层 层流底层 主流区 速度边界层厚度 临界距离
层流
过渡流
湍流
u
y
x

xc

层流底层 缓冲层
根据流体力学知识，层流边界层厚度 xv 5x 5x 5 vf vf x Re x

在层流边界层内的速度分布线为抛物线型； 在紊流边界层内，层流底层部分的速度 分布较陡，接近于直线，而在底层以外 的区域，由于流体微团的紊流运动，动 量传递被强化了，速度变化趋于平缓。

如果流体的流动是由于流体冷热部分的密度不同 引起的浮升力造成的，则称为自然对流。暖气 片的散热，蒸汽或其他热流体输送管道的热量 损失，都与这类换热有关。 一般来讲：强迫对流 换热优于自然对流。
二、 在分析对流换热时，还应分清流体的流态。 流体力学告诉我们，流体受迫在流道内流 动时可以有两种不同性质的流态。流体分 层地平行于流道的壁面流动，呈现层流状 态。但当流动状态到超过某一临界值时， 流体的流动出现了旋涡，而且在不断地发 展和扩散，引起不规则的脉动，使流动呈 现紊流状态。
α ＝q/（tf－tw） W
对流换热系数 α表征着对流换热的强弱 。
在数值上，它等于流体和壁面之间的温度 差为 1℃时，通过对流换热交换的热流密 度。单位为W/(m２·℃)。 对流换热量以及相应的换热系数的大小，将 更多地取决于流体的运动性质和情况。
一、速度边界层
流体力学指出，具有粘性且能湿润固 体壁面的流体，流过壁面会产生粘性力。 根据牛顿粘性（内摩擦）定律，流体粘性 力 τ 与垂直于运动方程速度梯度 (dv/dy ） 成正比，即: τ＝μ（dv/dy） Ｎ／m２ （5-2） 式中，μ 称为流体的动力粘度，单位为Pa· s 或kg/(m· s）。

• 传递过程的研究内容： 任何学科之所以 成为一门学科，必须具备两个条件：一是要 有统一的研究对象；二是要有统一的研究方 法。
2019/12/14
16
绪论
▲ 学科的研究对象是：研究流体动量、热 量、质量的变化速率（传递速率）规律及影响 因素。
▲ 研究方法：一是数学模型法。即在对 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， 由实验确定，因此该理论也称半理论半实验法。 另一方法为经验法，即直接通过实验测定过程 参数的变化，拟合出过程规律。
2019/12/14
3
传递现象导论
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）
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
的研究方法。 • 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。 特点： • 数学推导多，理论性强——抽象； • 研究方法统一，逻辑性强——前后关联大； • 工程应用性强。
铜液
铜洗 （吸收）
加氨
氢氮气 氨洗 压缩机 （吸收）
循环机
氨合成塔
2019/12/14
氨分离器 （换热）
水冷 （换热）
合成氨
9
绪论
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。
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——
在很多相同的设备中进行着原理相同的物理过 程。
传递现象导论
Introduction to Transport Phenomena
2019/12/14
1
传递现象导论
教学安排： • 32学时（1-8周），2学分，考试课程。

式中，p0 为饱和蒸气压，mmHg；t 为温度，℃ 试将上式换算成 SI 单位的表达式。 1-6. 黏性流体在圆管内做一维稳态流动，设 r 表示径向、y 表示由管壁指向中心 的方向。 已知温度 t 和组分 A 的质量浓度ρA 的梯度与流速 ux 的梯度方向相同， 试用 “通 量=-扩散系数³浓度梯度”形式分别写出 r 和 y 两个方向动量、热量和质量传 递三者的现象方程。 1-7. 运动黏度为ν、 热扩散系数α 和扩散系数 DAB 分别用下述微分方程定义：
的过程，导出 y 方向和 z 方向上的运动方程式，即
2-12. 某黏性流体的速度场为 u=5x2 yi+3xyzj−8xz2k 已知流体的动力黏度μ = 0.144 Pa² s ， 在点 （2， 4， –6） 处的法向应力 τyy = −100N / m2，试求该点处的压力和其他法向应力与剪应力。 2-13. 试将柱坐标系下不可压缩流体的奈维-斯托克斯方程在 r、θ 、z 3 个方向 上的分量方程简化成欧拉方程（理想流体的运动微分方程）在 3 个方向上的分 量方程。 2-14. 某不可压缩流体在一无限长的正方形截面的水平管道中做稳态层流流动， 此正方 形截面的边界分别为 x= ±a 和 y= ±a。有人推荐使用下式描述管道中的速度分 布：
2
化 工 传 递 过 程 原 理
肖 国 民
（1）若加水的温度为 82℃，试计算混合后水的最终温度； （2）若加水温度为 27℃，如容器中装有蒸汽加热蛇管，加热器向水中的传热速 率为
式中 h =300W/（m2²℃） ；A =3 m2；tv=110℃，t 为任一瞬时容器内的水温。试 求水所达到的最终温度。 1-16. 处在高温环境下的立方形物体，由环境向物体内部进行三维稳态热传导， 试用微分热量衡算方法导出热传导方程。设物体的热导率为 k，其值不受温度变 化影响。 1-17. 流体流入圆管进口的一段距离内的流动为轴对称沿径向 r 和轴向 z 的二 维流动， 试采用圆环体薄壳衡算方法，导出不可压缩流体在圆管进口段稳态流动 的连续性方程。

传递过程
在多孔介质中产生的传递过程， 涉及到流体与固体骨架之间的相 互作用，如渗流、扩散、对流等 。
传递过程原理的研究内容
传递过程的基本规律
研究传递过程中物质、能量和信息的 传递规律，如守恒定律、扩散定律、 牛顿定律等。
多孔介质中的传递过程
传递过程的数值模拟
利用数值方法模拟和预测传递过程， 如有限差分法、有限元法、有限体积 法等。
为了适应未来研究的需要，需要加强基 础研究，培养具有创新思维和实践能力 的人才，同时加强国际合作与交流，推
动传递过程原理研究的不断发展。
传递过程控制方法
01
02
03
直接控制法
通过直接调节输入变量， 使输出变量到达预定值。
反馈控制法
利用系统输出反馈信息， 通过调整输入变量，使输 出变量维持在预定值。
前馈控制法
根据输入变量对输出变量 的影响，预测未来输出变 量变化趋势，提前调整输 入变量。
传递过程模拟方法
数学模型法
建立传递过程的数学模型 ，通过数值计算模拟传递 过程。
研究多孔介质中流体流动、传热和传 质等过程的机理和规律。
传递过程原理的应用领域
能源领域
环境工程
涉及石油、天然气、煤等化石能源的开采 、运输和利用，以及太阳能、风能等可再 生能源的开发和利用。
涉及废气、废水、固体废物的处理和处置 ，以及环境监测和污染控制等领域。
化学工程
生物工程
涉及化工生产过程中的传递过程，如反应 器设计、分离工程、热力学等领域。
涉及生物反应过程中的传递过程，如发酵 工程、酶反应工程等领域。
PART 02
传递过程的基本原理
牛顿粘性定律与层流、湍流
牛顿粘性定律

温度场的通式
温度场的通式：
t f x, y, z,
式中： t —— 某点的温度，k；
X，y，z —— 这点的空间坐标；
θ —— 时间，s。
若在稳定温度场中， 表示式为：
t f x, y, z
稳定温度场和不稳定温度场
（1）不稳定温度场 —— 温度随时间而改变 的温度场，称为：不稳定温度场 。
称为：传热速率，用Q表示，单位：J/s， 即w（瓦）。
（三）辐射
1、辐射——是一种以电磁波传递能量的现象。 物体可以由不同原因发出辐射能。
2、热辐射——物体因热而发出辐射能的过程， 称为：热辐射radiation。
3、 只要物体的绝对温度大于 0K，便会不停地 将热量以电磁波的形式传递出去，同时也不断 地将其他物体辐射来的能量转为热量。辐射与 吸收能 量的差额转变为低温物体的热量。但 是，只有物体具有较高温度时， 辐射才为主 要形式。
传热面上不同局部面积的热通量可以不同。
3、热流量Q与热通量q的关系
式中：
q dQ dA
Q——热流量，单位为：J/s，即w（瓦） 。
q——热通量（热流密度），单位为：J/(m2·s)，即 w/m2。
A——传热面积， m2 。
热流量Q与热通量q的关系
（1）热通量q基于微元面dA，热通量q可以 用于局部地区。
1、热源——电热、饱和水蒸汽、烟道气、高 温载体等。
2、冷源——冷却水、空气、冷却盐水等。 冷却水——河水、海水、井水等。
二、传热的三种基本方式
• 1、热传导（导热） • 2、对流 • 3、辐射
（一）热传导（简称：导热）
1、热传导——热量从物体内部温度较高
的部分传递到温度较低的部分或者传递到与 之接触的另一物体的过程，称为：热传导， 简称：导热conduction。

的过程，导出 y 方向和 z 方向上的运动方程式，即
2-12. 某黏性流体的速度场为 u=5x2 yi+3xyzj−8xz2k 已知流体的动力黏度μ = 0.144 Pa² s ， 在点 （2， 4， –6） 处的法向应力 τyy = −100N / m2，试求该点处的压力和其他法向应力与剪应力。 2-13. 试将柱坐标系下不可压缩流体的奈维-斯托克斯方程在 r、θ 、z 3 个方向 上的分量方程简化成欧拉方程（理想流体的运动微分方程）在 3 个方向上的分 量方程。 2-14. 某不可压缩流体在一无限长的正方形截面的水平管道中做稳态层流流动， 此正方 形截面的边界分别为 x= ±a 和 y= ±a。有人推荐使用下式描述管道中的速度分 布：
肖 国 民
质量流率向槽中加入纯水。 同时以 100kg/min 的质量流率由槽中排出溶液。 由于 搅拌良好，槽内液体任一时刻可达到充分混合。试求 10min 后出口溶液的质量 分数。由于槽中的溶液较稀，可视其密度不变，并可近似地认为溶液密度与水的 密度（ρ=1000kg/m3 水）相等。 1-10. 一搅拌槽中原盛有（质量分数）为 10%的盐水 2000kg。今以 100kg/min 的 质量流率向槽中加入质量分数为 0.2%的盐水， 同时以 60kg/min 的质量流率由槽 中排出混合后的溶液。设搅拌良好，槽中溶液充分混合。试求槽中溶液质量分数 降至 1%时所需的时间。 1-11. 有一搅拌槽，原盛有浓度（质量分数）为 50%的 Na2SO4 水溶液 100kg。 今将质量分数为 15%的 Na2SO4 水溶液以 12kg/min 的质量流率加入槽中，同时 以 10kg/min 的质量流率由槽中取出溶液。 设槽中液体充分混合。 试求经历 10min 后搅拌槽中 Na2SO4 溶液的摩尔分数。 计算中可忽略混合过程中溶液体积的变化。 1-12. 压力为 1.379³105N/m2、温度为 291.5K 的水以 2m/s 的平均流速经管道 流入锅炉中进行加热。生成的过热蒸汽以 10m/s 的平均流速离开锅炉。过热蒸 汽的压力为 1.379³105N/m2、 温度为 432K， 蒸汽出口位置较水的进口位置高 15m， 水和蒸汽在管中流动的流型均为湍流。试求稳态操作状态下的加热速率。已知水 在 1.379 ³ 105N/m2 、 291.5K 条件下的焓值为 77kJ/kg ；水蒸气在 1.379 ³ 105N/m2 、432K 条件下的焓值为 2793kJ/kg 。 1-13. 用泵将储槽中的水输送至吸收塔顶部。已知储槽中的水的温度为 20℃，槽 中水面至塔顶高度为 30m，输送管道绝热，其内径为 7.5cm，泵的输水流量为 0.8m3/min，轴功率为 10kW。试求水输送至塔底处的温度升高值Δt。设α=1。 1-14. 温度为 293K、压力为 1.20³105Pa 的空气以 0.5kg/s 的质量流率流入一内 径为 100mm 的水平圆管。管内空气做湍流流动。管外有蒸汽加热，热流速率为 1³105J/s。 设热量全部被空气吸收， 在管的出口处空气的压力为 1.01325³105Pa。 试求空气在管出口处的温度。假设空气可视为理想气体，其平均比热容为 1.005 kJ/（kg²K） 。 1-15. 直径为 1m 的圆管形容器， 内装温度为 27℃﹑深度为 0.5m 的水。 今以 1kg/s 的流率向容器加水，直至水深为 2m 为止。假定加水过程充分混合，容器外壁绝 热，水的平均比热容和密度分别为：cp=4183J/（kg²℃） ，ρ=1000kg/m3。

山东大学化学与化工学院《化工传递过程原理》理论课程教学大纲编写人：秦绪平审定人：编制时间：2017.4.20 审定时间：一、课程基本信息：二、课程描述化工传递过程原理这一课程的实质是结合通量表达式建立数学模型,并强调动量、热量与质量传递过程的类似性和差别。

本课程根据守恒定律，分别建立动量、热量和质量传递的基本微分方程，将已知的物理问题归纳为数学表达式，然后根据具体问题，将方程简化、求解，最后求出速度、温度或浓度分布规律。

本课程使用了偏微分方程，并做了充分的解释，使学生可以掌握这些内容。

The course of Chemical Transfer Process is build mathematic model along with the flux expressions, and emphasis the similarities and differences among the momentum, heat, and mass transfer transport.According to the law of conservation, this course established the basic differential equations of the momentum, heat and mass transfer, using the known physical problems summarized as mathematical expressions. Then according to the specific problem, the equation is simplified and solved. Last the velocity, temperature and concentration distribution are obtained. We introduce the use of partial differential equations with sufficient explanation that the students can master the material presented.三、课程教学目标和教学要求【教学目标】1、本课程在学生所学高等数学基本概念的基础上，进一步学习掌握动量、热量和质量传递所遵循的基本物理过程的规律及类似性；2、根据守恒定律，分别建立动量、热量和质量传递的基本微分方程，即建立数学模型，将已知的物理问题归纳为数学表达式；3、根据具体问题，将方程简化、求解，求出速度、温度或浓度分布规律；4、力图使学生掌握处理工程问题的基本思路和方法，能够实际应用所学知识解决研究和工程中遇到的问题。

§4 光滑管中的湍流1 对于一维稳态层流，根据牛顿粘性定律，可推得：水平原直管中：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22222max 141R r dl dp R Rr u u r μ于是在距管壁y 处：()y Rdldp y--=2τ及管壁上：R dldp s 2-=τ 即 Ry s y-=1ττ由此假定：① 牛顿型流体在水平圆直管中作一维稳态湍流时，仍服从上式关系：即：y s y ~ττ成直线关系；② 在层流内层中，由于其厚度很薄，故可近似认为此层中，流体沿y 方向（径向）速度梯度不发生变化。

即：c dydu Ry s ==→μτ故： y y u s s ρυτμτ==又令： ρτs u =2* 则： y u u υ2*=即：y u u u υ**=表示为无因次关系为： u + = y +――— 层流内层速度分布通用方程式式中：*/u u u=+，无因次速度；ρτ/*s u =，剪应力速度（摩擦速度）；y y u ys μρτυ==+*，无因次层流内层厚度。

注 意：这一结论不适合于管内呈完全层流流动时的推论（层流中速度应呈抛物线形式，而此处为直线，矛盾的原因在于假定①有问题） 2 在湍流主体区，根据普兰德混合长理论，有：22⎪⎪⎭⎫⎝⎛=dy du l ρτ图 42为了使计算简化，普兰德对前述三个假定进行了二点补充： 补充假定 ：① 在湍流主体（中心区）仍有τ=τs = 常数 ② 普兰德混合长 l = ky对于补充假定①尚需由实验来验证；对于补充假定②已由实验证实是可信的。

例：在平壁上y = 0,则l = 0 即平壁上无脉动。

另：根据尼古拉则（Nikuradse ）实验也证明：当Re d >105时，l = 0.4y 。

于是：==⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=s dy du y k dy du l τρρτ22222常数边界条件：在与层流内层相衔接的地方，即：y = y 0 = δ时，0→u 故有 ：ln 1*y y k u u = 或： 1ln 1c yku +=++式中：μρτμρs y ku y kc 001ln1*ln1-=-=尼古拉根据实验求得： k = 0.4 C 1 = 5.5 故上式可写为：ln5.2*y y u u = 或： 5.5ln 5.2+=++y u此二式即为完全湍流下（Re d >105）光滑管中适用于湍流主体区的通用速度分布方程。

《传递过程原理》习题（部分）解答2014-12-19第一篇动量传递与物料输送3、流体动力学基本方程P67. 1-3-12. 测量流速的pitot tube如附图所示，设被测流体密度为ρ，测压管液体的密度为ρ1，测压管中液面高度差为h。

证明所测管中的流速为：v=√2gh(ρ1ρ−1)解：设点1和2的压强分别为P1和P2，则P1+ρgh= P2+ρ1gh，即P1- P2=（ρ1-ρ）gh ①在点1和点2所在的与流体运动方向垂直的两个面1-1面和2-2面之间列Bernoulli equation:ρ1ρ=ρ2ρ+ρ22, 即ρ1−ρ2ρ=ρ22②( forturbulent flow)将式①代入式②并整理得：v =√2gh (ρ1ρ−1) 1-3-15. 用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽水位维持恒定。

各部分相对位置如附图所示。

管路直径均为φ76×2.5mm ，在操作条件下，泵入口处真空表读数为24.66×103Pa ；水流经吸入管和排出管（不包括喷头）的能量损失分别按∑h f,1=2υ2和∑h f,2=10υ2计，由于管径不变，故式中υ为吸入管和排出管的流速（m/s ）。

排水管与喷头连接处的压力为9.807×104Pa （表压）。

试求泵的有效功率。

解：查表得，20℃时水的密度为998.2kg/m 3；设贮槽液面为1-1面，泵入口处所在的与流体运动方向垂直的面为2-2面，排水管与喷头连接处的侧面为3-3面，以贮槽液面为水平基准面，则(1) 在1-1面和2-2面之间列Bernoulli 方程，有 0=1.5g +−ρ真空ρ+ρ22+2ρ2( for turbulent flow)将已知数据带入：0=1.5×9.81-24660/998.2+2.5υ2 得到υ2=3.996 （即υ=2 m/s ）(2) 在1-1面和3-3面之间列Bernoulli方程：即ρρ=14ρ+ρρ+ρ22+∑ρρ,1+∑ρρ,2( for turbulent flow)代入已知数据得：W e=14×9.81+98070/998.2+12.5×3.996=285.54 J/kg(3) 根据泵的有效功率N e=ρQ v W e=ρ×υA×W e=998.2×2×(3.14×0.0712/4) ×285.54=2255.80 J/sRe=duρ/μ=0.071×2×998.2/(100.42×10-5)=1.41×105湍流假设成立！1-3-16. 用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，设两槽的液面维持恒定。

动量方程中的惯性力项和能量方程中的对流项均为非线性项，难以直接求解
简化
流动
普朗特 速度边界层
类比
对流换热
波尔豪森 热边界层
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传热学
一、流动边界层
1、流动边界层及其厚度 定义：当流体流过固体壁面时,由于流 体粘性的作用,使得在固体壁面附近存 在速度发生剧烈变化的薄层称为流动 边界层或速度边界层。
实际流动 ≈ 边界层区粘性流动+主流区无粘性理想流动
大空间自然对流 有限空间自然对流
沸腾换热 有相变
凝结换热
大容器沸腾 管内沸腾
管外凝结 管内凝结
14
传热学
六、研究对流传热的方法（确定h的方法）
四种：1）分析法；2）实验法；3）比拟法；4）数值法
适当介绍
重点介绍 一定介绍
不作介绍
1）分析法
解析：二维、楔形流、平板 边界层积分方程（近似解析）
2）实验法
u∞
y δ
0x xc
粘性底层
掠过平板时边界层的形成与发展
湍流核心 缓冲层
41
传热学
层流： 流体做有秩序的分层流动，各层互不干扰，只有分子扩散，
无大微团掺混
湍流： 流体微团掺混，紊乱的不规则脉动
粘性底层 :速度梯度较大、分子扩散—导热
湍流边界层
缓冲层 :导热+对流 湍流核心 :质点脉动强化动量传递，速度变化
换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向的 相对位置及换热表面的状态（光滑或粗糙）
内部流动对流传热：管内或槽内 外部流动对流传热：外掠平板、圆管、管束
10
传热学
11
传热学
(5) 流体的热物理性质：
热导率 [W (m C)] 比热容 c [J (kg C)]