下载文档原格式
化学工程、环境工程专业工程硕士班传递过程原理/环境流体力学（水力学）讲课提纲湘潭大学化工学院杨运泉绪论1.动量、热量与质量传递概述a. “传递过程”概述b. “传递过程”所讨论的主要问题：过程速率及定义式c. “传递过程”的意义及用途2.单位制的问题第一章动量热量与质量传递导论§1 现象定律与传递过程的类似性1.传递过程的一般形式：分子与涡流传递2.现象定律：定义及传递过程三个基本定律3.梯度概念§2 涡流传递的类似性1.涡流黏度，涡流扩散系数2.几个常用准数：Pr、 Sc 、Le 、Sh 、Nu、Re 及其相互关系§3 圆管中的稳态层流1.圆管中稳态层流的速度分布及压降——泊稷叶方程2.平行平板间稳态层流的速度分布与压降计算3.主体流速（平均流速）概念及定义式a.层流下的平均流速b.湍流下的平均流速：尼古拉斯—布拉修斯分布律c.湍流主体的涡流粘度与层流内层中分子粘度量级的比较第二章总质量能量及动量衡算§1总质量衡算1.概念：控制体，控制边界2.质量守恒定律一般表达式3.单组分、多组分无化学反应体系的质量衡算一般表达式4.多组分、有化学反应体系的质量衡算表达式及反应速率（生成速率）符号规定5.系统总质量衡算的普遍化方程及∮AρucosαdA的意义§2 总能量衡算1.流动静力学平衡方程——流体连续性假定及欧拉平衡方程的推导a.二种类型力：表面力：压力剪力体积力：惯性力场力b.力的平衡：微分平衡方程dp/ρ=Xdx+Ydy+Zdzc.旋转容器内流体的压强分布（闭盖时）d.旋转容器内流体的自由界面形态（敞盖时）2.运动流体的平衡方程——牛顿第二定律应用于理想流体（柏努利方程） a.流体运动的两种考察方法：欧拉法与拉格朗日法 b.流线与轨线及其特性c.稳态流动下流体的机械能守恒方程（理想流体）{d.稳态下非理想流体的机械能衡算方程e.动能项修正系数α的计算α=[(2n+1)(n+1)]3 /[4n 4(2n+3)(n+3)]§3 总动量衡算1.流体动量的表示 u M p2.三维流动空间中流体动量衡算方程总式及向量分式3.弯管中流体动量及弯管受力分析计算第三章 粘性流体运动的微分方程及其应用§1 连续性方程1.连续性方程推导2.连续性方程的分析与简化a.随体导数、 局部导数、 对流导数b.不可压缩流体的连续性方程判别式及例题 3.柱和球座标系中的流体连续性方程表示 §2 流体运动的基本方程1.以随体导数表示的流体受力，牛顿第二定律表示法2.流体受力类型及各力大小、方向分析，力平衡方程3.剪应力与形变（线形变、角形变）关系4.法向应力的表达5.粘性流体的Navier-Stokes 方程及讨论6. N-S 方程在柱和球座标中的表示 §3 N-S 方程的应用实例1.无限大平行平板间稳态层流速度分布、平均速度及压强计算2.圆形直管内的稳态层流速度分布、平均速度及压强计算3.环形套管中的稳态层流速度分布、平均速度及压强计算 §4 爬流1.爬流概念2.球形颗粒表面上爬流的N-S 方程球坐标解析式3.球形颗粒在流体中的受力——Stokes 方程 a.形体阻力、表面阻力单一流线流线束b.斯托克斯方程c.阻力系数ξ(C D)§5 流线与流函数1.流线概念2.流线的基本属性3.流线方程4.流函数及其意义5.柱坐标中的流函数定义式§6 势线与势函数1.势及势线概念2.势线与流线的基本关系3.势函数与势线方程及其意义第四章边界层理论基础§1边界层概念a.边界层的形成b.边界层的厚度§2 阻（曳）力系数与范宁摩擦系数§3 Prandtl边界层方程§4边界层积分动量方程a. 边界层积分动量方程b. 流体沿平板壁面流动时层流边界层的计算――平板壁阻力系数§5边界层分离与形体阻力第四章湍流§1湍流的特点、起因和表征a. 湍流的特点b. 湍流的起因c. 湍流的表征――时均量、脉动量d. 湍流强度与湍流标度§2雷诺方程和雷诺应力§3湍流的半经验理论――普兰德动量传递理论§4光滑管中的湍流a.Prandtl混合长与通用速度分布方程b.速度分布与流动阻力§5粗糙管中的湍流a.粗糙度与相对粗糙度b.速度分布与流动阻力第五章热量传递理论与能量方程§1传热方式a.传导b.对流c.辐射§2能量方程的推导及特定形式§3稳态热传导a.无内热源的一维稳态热传导问题解析解b.有内热源的一维稳态热传导c.扩展表面的导热d.二维稳态导热的数值解§4忽略内热阻的非稳态导热――集总热容法§5 一维非稳态热传导问题解析解a.初始条件和边界条件b.半无限固体的不稳态导热c. 大平板的不稳态导热绪 论一. 动量热量与质量传递概述1 单纯传递过程早在化工原理课程中有讨论，始于1920年初，三者之间的相似性与联系未受到重视，1960年前后，才有“传递过程”课程。
传递过程原理Transport Phenomena Momentum, Heat and Mass Transfer 徐健 中国石油大学（北京）化工学院 2010年3月1第0章 绪论课程的起源和发展 课程在化学工程学科中的重 要地位 课程的主要目的 参考书传 递 过 程 原 理 徐 健 201020.1 课程的起源和发展传 递 过 程 原 理 徐 健 20103化学工业、化学工艺与化学工程化学工业（Chemical Industry）又称化学加工工业，广义 上泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。
因为 这些工业都是经过反应过程实现原料向产品的转换的生产 部门，故也称过程工业。
化学工艺（Chemical Technology）即化工技术或化学生 产技术。
指将原材料主要经过化学反应转变为产品的方法 和过程，包括实现这一转变的全部措施 。
化学工程（Chemical Engineering）是研究化学工业及相 关过程工业（如石油炼制工业、冶金工业、食品工业等） 生产中所进行的物理过程和化学反应过程共同规律的一门 工程学科。
4传 递 过 程 原 理 徐 健 2010化学工程学科的发展化学工程开始于1887年。
George E. Davis(1850-1906)化学工程之父 Manchester Technical School 将当时大部分的化学工厂所共有的操作进行了整理 发表了著名的化学工程十二讲，为化学工程奠下基石化学工程系开始于1888年。
化学系教授Lewis Mills Norton (1855 - 1893) Massachusetts Institute of Technology 规划出四年的化学工程课程, 在当时称为Course X (第十课程) 为化学工程系的始祖5传 递 过 程 原 理 徐 健 2010化学工程的研究方法单元过程方法(Unit Process Approach) 单元操作方法(Unit Operation Approach) 传递过程原理(Transport Phenomena) 对 化 学 工 程 本 质 的 认 识传 递 过 程 原 理 徐 健 20106单元过程方法(1888-1923)工业化学(Industrial Chemistry)、化学工 艺学(Chemical Technology)阶段。
传递过程原理课程简介
《传递过程原理》是化学工程、环境工程、材料工程等相关专业的一门重要的专业基础课程，主要介绍质量传递、热量传递和动量传递三种传递过程的基本原理、数学模型和工程应用。
本课程的主要内容包括传递过程的基本概念、质量传递的扩散理论和对流传质、热量传递的传导、对流和辐射、动量传递的粘性流体流动和边界层理论等。
通过学习这些内容，学生可以掌握传递过程的基本原理和数学模型，能够分析和解决实际工程问题。
本课程注重理论与实践相结合，通过课堂教学、实验和案例分析等多种教学方法，培养学生的工程实践能力和创新能力。
同时，本课程还强调培养学生的科学思维和解决问题的能力，为学生今后从事相关领域的研究和工作奠定坚实的基础。
总的来说，《传递过程原理》是一门重要的专业基础课程，对于培养化学工程、环境工程、材料工程等相关专业的高素质人才具有重要的意义。
传递原理实验指导书与报告专业班级学号姓名中南大学冶金学院基础教学实验室说明学生在实验前，必须预习有关实验指导书与报告的相关内容。
实验中仅仅能够按规定完成实验步骤操作是远远不够的，还必须针对实验指导书成果要求及分析讨论题，查阅有关参考书，深入地进行实验探索，认真分析与思考。
每项实验的“实验分析与讨论的内容”，按其涉及知识面的广度和深度分为必做与选做两类，带☆者为选做内容。
目录（一）流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定（二）雷诺实验（三）传热系数K和给热系数α的测定流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定一.实验目的1.掌握测定物料干燥速率曲线的工程意义；2.熟悉实验干燥设备的流程、工作及实验组织方法；3.了解影响干燥速率曲线的因素。
二. 基本原理干燥原理是利用加热的方法使水分或其它溶剂从湿物料中汽化，除去固体物料中湿分的操作。
干燥的目的是使物料便于运输、贮藏、保质和加工利用。
本实验的干燥过程属于对流干燥，其原理见图1。
图1 热空气与物料间的传热与传质①．传热过程热气流将热能传至物料，再由表面传至物料的内部。
②．传质过程水分从物料内部以液态或气态扩散透过物料层而达到表面，再通过物料表面的气膜扩散到热气流的主体。
由此可见，干燥操作具有热质同时传递的特征。
为了使水气离开物料表面，热气流中的水气分压应小于物料表面的水气分压。
2.1干燥速率曲线测定的意义对于设计型问题而言，已知生产条件要求每小时必须除去若干千克水，若先已知干燥速率，即可确定干燥面积，大致估计设备的大小；对操作型问题而言，已知干燥面积，湿物料在干燥器内停留时间一定，若先已知干燥速率，即可确定除掉了多少千克水；对于节能问题而言，干燥时间越长，不一定物料越干燥，物料存在着平衡含水率，能量的合理利用是降低成本的关键，以上三方面均须先已知干燥速率。
因此学会测定干燥速率曲线的方法具有重要意义。
2.2干燥曲线和干燥速率曲线的关系含水率X ：单位干物料G c 中所带的水分量W定义： X= －cG W（kg 水／kg 干） （1） 含水率随时间的变化作图，见图2：干燥过程分为三个阶段：Ⅰ.物料预热阶段；Ⅱ.恒速干燥阶段；Ⅲ.降速干燥阶段。
干燥速率N A 的定义有二种表示： (一)．单位时间单位面积汽化的水量即：N A = －τAd dW(kg 水／m ２．s) (2)图2：干燥曲线图(二). 单位干物料在单位时间内所汽化的水量 即：N A ＇= －τd G dWc (kg 水／kg 干．s) (3)(2)式定义中，由于干燥面积的定量难以实验测定，故本实验以(3)式定义作为实验依据．对(1)式求导得： dW ＝－G c dX (4)所以， N A ＇= －τd G dW c = －τd X d (5)就是说，在干燥曲线图中含水率随时间变化曲线上的任何一点切线的斜率值即为干燥速率值，将这些斜率的变化值对应于含水率作图即为干燥速率曲线图，见图3。
每隔一段时间读取湿物料的重量，然后将湿物料重减去干物料的重，从而就测得了X与τ的关系。
图3 干燥速率曲线图三. 实验流程及说明四．实验步骤(1) 在实验操作前从加水斗加入220~300ml水，系统同时通入常温空气，使加入的水充分均匀地分散在硅胶表面，(这一步由准备老师完成)。
(2) 按下变频器RUN，通过旁路阀10调节流量至14-18m3/h任何一恒定值。
(3)待空气进口温度计读数为95℃时，关闭旁路放空阀4，使热空气进入系统。
(4)仔细观察进口温度与床层温度的变化，待床层温度升至40℃，即开始取第一个样品，此时的时间设定为0。
(5)按照原始数据的时间间隔取样，总共采集14~16组数据。
五．实验结果讨论和分析六．思考题1、根据干燥曲线图分析不同床层温度区间物料的干燥阶段以及物料温度、含水率及时间之间的变化关系；2、在干燥曲线图上读出临界含水率，并从实验结果分析进口温度高低对临界含水率的影响；3、对于指定的物料，若改变物料湿度、热空气进口温度、流速，得到的干燥曲线或干燥速率曲线会有哪些变化？4、需要满足哪些条件，本实验测得的干燥速率曲线可以放大到工业装置之中？装置号：；塔径：；床层高度：；烘干温度：；物料：；物料尺寸：；空气相对湿度：；空气流量：；室温：七．过程运算表和结果图雷诺实验一、实验目的要求1．观察层流、紊流的流态及其转换特征；2．测定临界雷诺数，掌握园管流态判别准则；3．学习古典流体力学中应用无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。
二、实验装置本实验的装置如图5.1所示。
图5.1 自循环雷诺实验装置图1.自循环供水器；2.实验台；3.可控硅无级调速器；4.恒压水箱；5.有色水水管； 6.稳水孔板；7.溢流板；8.实验管道；9.实验流量调节阀。
供水流量由无级调速器调控使恒压水箱4始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。
本恒压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到3-5分钟。
有色水经有色水水管5注入实验管道8，可据有色水散开与否判别流态。
为防止自循环水污染，有色指示水采用自行消色的专用色水。
三、实验原理 44;e vd Q R KQ K v dvdvππ====四、实验方法与步骤 1．测记本实验的有关常数。
2．观察两种流态。
打开开关3使水箱充水至溢流水位，经稳定后，微微开启调节阀9，并注入颜色水于实验管内，使颜色水流成一直线。
通过颜色水质点的运动观察管内水流的层流流态，然后逐步开大调节阀，通过颜色水直线的变化观察层流转变到紊流的水力特征，待管中出现完全紊流后，再逐步关小调节阀，观察由紊流转变为层流的水力特征。
3．测定下临界雷诺数。
（1）将调节阀打开，使管中呈完全紊流，再逐步关小调节阀使流量减小。
当流量调节到使颜色水在全管刚呈现出一稳定直线时，即为下临界状态；（2）待管中出现临界状态时，用体积法或电测法测定流量；（3）根据所测流量计算下临界雷诺数，并与公认值(2320)比较，偏离过大，需重测；（4）重新打开调节阀，使其形成完全紊流，按照上述步骤重复测量不少于三次；（5）同时用水箱中的温度计测记水温，从而求得水的运动粘度。
注意：a 、每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟；b 、关小阀门过程中，只许渐小，不许开大；c 、随出水流量减小，应适当调小开关（右旋），以减小溢流量引发的扰动。
4．测定上临界雷诺数。
逐渐开启调节阀，使管中水流由层流过渡到紊流，当色水线刚开始散开时，即为上临界状态，测定上临界雷诺数1~2次。
五、实验成果及要求1．记录、计算有关常数： 实验装置台号No管径 d= cm ， 水温 t= ℃ 运动粘度 220.01775/10.03370.000221v cm s t t ==++计算常数K= s/cm32．整理、记录计算表表5.1注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。
六、实验分析与讨论☆1．流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？2．为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？3．雷诺实验得出的园管流动下临界雷诺数为2320，而目前有些教科书中介绍采用的下临界雷诺言数为多少？4．试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？5．分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？传热系数K 和给热系数α的测定一. 实验目的1. 了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法；2. 掌握借助于热电偶测量壁温的方法；3. 学会给热系数测定的试验数据处理方法；4. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二. 基本原理１．传热系数K 的理论研究在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置来达到物料的冷却和加热。
这种传热过程系冷、热流体通过固体壁面进行热量交换。
它是由热流体对固体壁面的对流给热，固体壁面的热传导和固体对冷流体的对流给热三个传热过程所组成。
如图1所示。
由传热速率方程知，单位时间所传递的热量Q=()t TKA - （1）而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可由牛顿冷却定律表示Q=()1w hh t T A -α （2）或 Q=()t t A w c c -2α （3） 对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为图1传热过程示意图Q ()21w w mt t A -⋅=δλ （4） 由热量平衡和忽略热损失，可将（2）、（3）、（4）式写成如下等式Q=KAtT A t t A t t A t T c c w m w w h h w 1112211-=-=-=-αλδα （5）所以 cc m h h A A A K αλδα111++=（6）()22222111111,,,,,,,,,,,,u c u c d f K p p λμρδλλμρ=＝()5,2,6f（7）从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响外，影响传热过程的参数还有12个，这不利于对传热过程作整体研究。
根据因次分析方法和π定理，热量传递范畴基本因次有四个：[L],[M],[T],[t] ,壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽略K ≈()21,ααf （8）要研究上式的因果关系，尚有π=13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每个水平变化10次，实验工作量将有108次实验，为了解决如此无法想象的实验工作量，过程分解和过程合成法由此诞生。
该方法的基本处理过程是将(7)式研究的对象分解成两个子过程如(8)式所示，分别对21,αα进行研究，之后再将21,αα合并，总体分析对K 的影响，这有利于了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。
当1α＞＞2α时，2α≈K ，反之当1α＜＜2α时，1α≈K 。
欲提高K 设法强化给热系数小的一侧α，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只要温度变化不大，1α只随1u 而变，()1111111,,,,,λμραp c u d f =(9)改变1u 的简单方法是改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。
同时它提示了欲提高K 只要强化α小的那侧流体的u 。
而流体u 的提高有两种方法：（１） 增加流体的流量；（２） 在流体通道中设置绕流内构件，导致强化给热系数。
由(9)式，π定理告诉我们，π=７－４＝３个无因次数群，即：()1111111,,,,,λμραp c u d f = ⇒ ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λμμρλαp c du f d, (10)经无因次处理，得：c b o a Nu Pr Re =(11)如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化范围不大，则式(11)可改写为：b a Nu Re = 式中：c o a a Pr =。
２．传热系数K 和α的实验测定实验装置的建立依据如下热量衡算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立,则KA ∆t m = W c ρc C pc (t 2-t 1) (12)其中 1212m t T t T ln)t T ()t T (t -----=∆ (13)mpc c c t A t t C W K ∆-=)(12ρ (14)()()1212t t c W t A t t c W t A pc c c mh h h pc c c mc c c -=∆-=∆ραρα其中： 1212ln)()(t t t t t t t t t m m m m mc -----=∆下上下上 (15)下上下上m m m m mht T t T ln)t T ()t T (t -----=∆ (16) ---------若实验物系选定水与水蒸汽,由(8)、(9)式告诉我们,实验装置中需要确定的参数和安装的仪表有：A-------------由换热器的结构参数而定；W c ------------测冷流体的流量计； t 1、t 2---------测冷流体的进、出口温度计； T 、P---------测热流体的温度计，蒸汽压力； C pc ------------由冷流体的进、出口平均温度决定；下上、m m t t ---由热电偶温度计测定。
