第一章传递过程概论-合肥工业大学-传递过程基础.ppt

1第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论 传递现象普遍存在于自然界和工程领域，传递现象普遍存在于自然界和工程领域，三种传递过程有许多共同规律。三种传递过程有许多共同规律。本章介绍与课程有关的本章介绍与课程有关的基本概念基本概念。2第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类1.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程1.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法31.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程 大量的大量的物理、化学现象中物理、化学现象中，同时存在着，同时存在着正反两个正反两个方向的变化方向的变化，如：，如：固体的溶解和析出固体的溶解和析出，升华与凝华升华与凝华、可逆化学反应可逆化学反应 当过程变化达到极限，就构成当过程变化达到极限，就构成平衡状态平衡状态。如化学。如化学平衡、相平衡等。此时，平衡、相平衡等。此时，正反两个方向变化的速率正反两个方向变化的速率相等，净速率为零相等，净速率为零。不平衡时不平衡时，两个方向上的速率不等，就会发生某，两个方向上的速率不等，就会发生某种种物理量的转移物理量的转移，使，使物系趋于平衡物系趋于平衡。41.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程n 热力学热力学：探讨平衡过程的规律探讨平衡过程的规律，考察给定条件，考察给定条件下过程能否自动进行？进行到什么程度？条件变化下过程能否自动进行？进行到什么程度？条件变化对过程有何影响等。对过程有何影响等。n 动力学动力学：探讨速率过程的规律探讨速率过程的规律，p化学动力学化学动力学研究化学变化的速率及浓度、温度、研究化学变化的速率及浓度、温度、催化剂等因素对化学反应速率的影响催化剂等因素对化学反应速率的影响；p传递传递动力学动力学研究物理过程变化的速率及有关影响研究物理过程变化的速率及有关影响因素。因素。51.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程物理过程的速率：物理过程的速率：1 1.动量传递过程动量传递过程物体的质量与速度的乘积被定义物体的质量与速度的乘积被定义为动量，速度可认为是单位质量物体的动量。因此，为动量，速度可认为是单位质量物体的动量。因此，同一物体，速率不同，其动量也不同。同一物体，速率不同，其动量也不同。在流体中，若两个相邻的在流体中，若两个相邻的流体层流体层的速度不同，则的速度不同，则将发生由将发生由高速层向低速层的动量传递高速层向低速层的动量传递。u1u2动量传递方向61.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程2 2.热量传递过程热量传递过程当物系中各部分之间的当物系中各部分之间的温度存在温度存在差异差异时，则发生时，则发生由高温区向低温区的热量传由高温区向低温区的热量传递。递。t t1 1t t2 2t t3 3t t1 1 t t2 2 t t3 3热流方向热流方向71.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程3 3.质量传递过程质量传递过程当物系中的物质存在当物系中的物质存在化学势差异化学势差异时，则发生时，则发生由高化学势区向低化学势区域的质量传由高化学势区向低化学势区域的质量传递。递。化学势化学势的差异可以由的差异可以由浓度、温度、压力或电浓度、温度、压力或电场力场力所引起。最常见的是所引起。最常见的是浓度差浓度差引起的质量传递过引起的质量传递过程程。混合物。混合物中的某个组分由中的某个组分由高浓度向低浓度区扩散高浓度向低浓度区扩散传递传递。81.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程传递过程的速率可以用通式表示如下：传递过程的速率可以用通式表示如下：本课程主要讨论动量、热量与质量传递过程的速本课程主要讨论动量、热量与质量传递过程的速率。率。9第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类1.1 1.1 平衡过程与速率过程平衡过程与速率过程1.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法101.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理对流传递对流传递由流体的宏观运动引起由流体的宏观运动引起扩散传递扩散传递分子传递分子传递由分子的随机热运动引起由分子的随机热运动引起涡流传递涡流传递由微团的脉动引起由微团的脉动引起传传递递111.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理牛顿牛顿粘性定律粘性定律 比例系数，称为流体的粘度；比例系数，称为流体的粘度；单位面积上的剪切力称为剪应力；单位面积上的剪切力称为剪应力；速度梯度。速度梯度。1.分子传递的基本定律分子传递的基本定律描述分子动量传递的基本定律描述分子动量传递的基本定律12121.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理傅立叶定律傅立叶定律描述分子导热的基本定律描述分子导热的基本定律 介质的导热系数；介质的导热系数；温度梯度。温度梯度。导热通量；导热通量；t1 t2 t3t1t2t3热流方向热流方向131.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理费克定律费克定律 描述两组分混合物描述两组分混合物体系中体系中A存在浓度梯度时的存在浓度梯度时的分子扩散分子扩散：jA 组分组分A的扩散质量通量；的扩散质量通量；DAB 组分组分A在组分在组分B中的扩散系数；中的扩散系数；组分组分A的质量浓度梯度。的质量浓度梯度。141.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理2.涡流传递涡流传递 以上分子动量、热量与质量传递的类似性，仅发以上分子动量、热量与质量传递的类似性，仅发生在作生在作层流流动的流体内部层流流动的流体内部（动量传递），或（动量传递），或固体固体中中（热量或质量传递）。（热量或质量传递）。当流体作当流体作湍流运动湍流运动时，除分子传递之外，还有时，除分子传递之外，还有涡涡流传递流传递由于流体质点脉动引起的传递由于流体质点脉动引起的传递。151.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理涡流传递涡流传递分子传递分子传递涡流动量、热量与质量传递可表示为：涡流动量、热量与质量传递可表示为：161.2 1.2 扩散传递与对流传递扩散传递与对流传递-传递机理传递机理3.对流传递的概念对流传递的概念 由于由于流体作宏观运动流体作宏观运动引起的动量、热量与质量引起的动量、热量与质量的迁移过程，该过程仅发生在流体运动时的迁移过程，该过程仅发生在流体运动时:动量的对流传递速率：动量的对流传递速率：ux ux Auxt热量的对流传递速率：热量的对流传递速率：cptuxAA17第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性2.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式2.2 2.2 分子传递的类似性分子传递的类似性2.3 2.3 涡流传递的类似性涡流传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法182.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式1.分子动量通量动量通量对牛顿粘性定律作量纲分析，设密度为常数：对牛顿粘性定律作量纲分析，设密度为常数：192.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式量纲分析202.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式层流层流分子分子动量传递机理：动量传递机理：两层流体两层流体速度不同速度不同，具有不同的，具有不同的动量浓度动量浓度。在。在动动量浓度梯度量浓度梯度的作用下，动量将的作用下，动量将自发地自发地由高动量区由高动量区向低动量区转移。向低动量区转移。微观上，微观上，速度较高的流层中的分子以随机运动速度较高的流层中的分子以随机运动方式进入速度较慢的流层中；低速流层中亦有等方式进入速度较慢的流层中；低速流层中亦有等量随机运动的分子进入高速流层量随机运动的分子进入高速流层，实现，实现动量交换动量交换。212.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式量纲分析结果量纲分析结果 动量通量动量通量 动量浓度梯度动量浓度梯度 动量扩散系数动量扩散系数 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22222.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式2.分子热量通量分子热量通量傅立叶定律的量纲分析：傅立叶定律的量纲分析：量纲分析量纲分析23232.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式 q/A 热量通量热量通量 热量浓度梯度热量浓度梯度 热量扩散系数热量扩散系数 量纲分析结果量纲分析结果热量通量热量通量=热量扩散系数热量扩散系数热量浓度梯度热量浓度梯度24242.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式3.分子质量通量分子质量通量费克定律的量纲分析：费克定律的量纲分析：量纲分析结果量纲分析结果 jA 质量通量质量通量 质量浓度梯度质量浓度梯度 质量扩散系数质量扩散系数 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25第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性2.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式2.2 2.2 分子传递的类似性分子传递的类似性2.3 2.3 涡流传递的类似性涡流传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法26262.2 分子传递的类似性分子传递的类似性质量通量质量通量=质量扩散系数质量扩散系数质量浓度梯度质量浓度梯度热量通量热量通量=热量扩散系数热量扩散系数热量浓度梯度热量浓度梯度动量通量动量通量=动量扩散系数动量扩散系数动量浓度梯度动量浓度梯度通量通量=扩散系数扩散系数浓度梯度浓度梯度的量纲相同，扩散系数的量纲相同，扩散系数m2/s“”表示表示通量的方向通量的方向与梯度的方向相反与梯度的方向相反。27272.2 2.2 分子传递的类似性分子传递的类似性通量=扩散系数浓度梯度上式称为现象方程（Phenomenological equation)28第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性2.1 2.1 分子传递的通用表达式分子传递的通用表达式2.2 2.2 分子传递的类似性分子传递的类似性2.3 2.3 涡流传递的类似性涡流传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法29292.3 2.3 涡流传递的类似性涡流传递的类似性涡流传递涡流传递分子传递分子传递涡流动量、热量与质量传递：涡流动量、热量与质量传递：涡流传递通量涡流传递通量=-涡流扩散系数涡流扩散系数涡流浓度梯度涡流浓度梯度30第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法3.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法3.2 3.2 系统与控制体系统与控制体3.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点3.43.4 几个常用算子几个常用算子31313.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法 对于任一过程或物理现象，进行动量、热量与质量对于任一过程或物理现象，进行动量、热量与质量传递研究，都离不开传递研究，都离不开自然界普遍适用的自然界普遍适用的守恒定律守恒定律：动量守恒定律动量守恒定律牛顿第二定律牛顿第二定律、热量守恒定律热量守恒定律热热力学第一定律力学第一定律以及以及质量守恒定律质量守恒定律。对所选对所选过程过程或或物理现象物理现象，划定一个确定的，划定一个确定的衡算范围衡算范围，将动量、热量与质量守恒定律应用于该范围，进行将动量、热量与质量守恒定律应用于该范围，进行物理量的衡算。物理量的衡算。32323.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法w1WQw2（a）（b）（c）对流体流动体系的衡算对流体流动体系的衡算33333.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法（1）宏观水平上描述）宏观水平上描述以图所示的虚线作衡算范围进行总衡算：以图所示的虚线作衡算范围进行总衡算：质量衡算质量衡算输入的质量流率输入的质量流率-输出的质量流率输出的质量流率 =累积的质量流率累积的质量流率能量衡算能量衡算输入的热量速率输入的热量速率-流出的热量速率流出的热量速率+加入的热速率加入的热速率-系统对外作功速率系统对外作功速率=累积的热速率累积的热速率动量衡算动量衡算输入的动量速率输入的动量速率-流出的动量速率流出的动量速率+作用在体系上的合外力作用在体系上的合外力=累积的动累积的动量速率量速率34343.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法（2）微观水平上描述）微观水平上描述 微观衡算（微分衡算）微观衡算（微分衡算）在研究对象内部选择一在研究对象内部选择一个个有代表性的微分点有代表性的微分点，将守恒定律应用于该点。通，将守恒定律应用于该点。通过衡算，得出过衡算，得出一组描述动量、热量与质量变化的微一组描述动量、热量与质量变化的微分方程分方程，称为，称为变化方程（变化方程（Equation of change）。然后通过积分，获得系统内部的然后通过积分，获得系统内部的速度、温度及浓度速度、温度及浓度的变化规律的变化规律。这些变化规律对于传递速率的求解必。这些变化规律对于传递速率的求解必不可少。不可少。35353.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法（3）分子水平上描述）分子水平上描述 根据根据分子结构分子结构、分子间的相互作用分子间的相互作用，作分子水平上作分子水平上的考察的考察，对于动量、热量与质量传递的理解是有帮，对于动量、热量与质量传递的理解是有帮助的。如各种传递系数（黏度、扩散性、导热性等）助的。如各种传递系数（黏度、扩散性、导热性等）可以应用流体的分子运动理论求解。可以应用流体的分子运动理论求解。36363.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法 总衡算的方法在其他课程已学过。本课程主要讨总衡算的方法在其他课程已学过。本课程主要讨论论微分衡算的方法微分衡算的方法，通过建立描述各种过程的数，通过建立描述各种过程的数学模型，研究动量、热量与质量传递的速率。学模型，研究动量、热量与质量传递的速率。37第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法3.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法3.2 3.2 系统与控制体系统与控制体3.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点3.43.4 几个常用算子几个常用算子38383.2 3.2 系统与控制体系统与控制体根据根据所考察的对象不同，选用衡算范围的方法有两种：所考察的对象不同，选用衡算范围的方法有两种：控制体控制体系系 统统控制体具有确定不变的空间区域（体积）。具有确定不变的空间区域（体积）。特特点点：相相对对于于坐坐标标其其体体积积不不变变，包包围围该该空空间间体体积积的的界界面面称称为为控控制制面面。流流体体可可以以自自由由进进出出控控制制体体，控控制制面面上上可可有有力力的的作作用用和和能能量量交交换换。其其特特点点是是体体积积、位位置置固固定定，输输入入和和输输出出控控制制体体的的物物理量随时间改变。理量随时间改变。在在传递过程中，传递过程中，控制体控制体指指流体在流动过程中所通流体在流动过程中所通过的固定不变的空间区域过的固定不变的空间区域。39393.2 3.2 系统与控制体系统与控制体系统系统特特点点：系系统统与与环环境境之之间间无无质质量量交交换换，但但在在界界面面上上有有力力的的作作用用及及能能量量的的交交换换。系系统统的的边边界界随随着着环环境境流流体体一一起起运运动动，因因此此其其体体积积、位位置和形状是随时间变化的置和形状是随时间变化的。系统系统uu包含确定不变物质（流体质点）的集合包含确定不变物质（流体质点）的集合，系统以外的一切称为系统以外的一切称为环境环境。在传递过程中，系统指由确定流体质点所组成在传递过程中，系统指由确定流体质点所组成的的流体元流体元。40第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法3.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法3.2 3.2 系统与控制体系统与控制体3.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点3.43.4 几个常用算子几个常用算子41413.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点 根据根据研究所选定的衡算范围是研究所选定的衡算范围是控制体控制体还是还是系统系统，有两种相应的研究方法：有两种相应的研究方法：拉格朗日观点（Lagrange viewpoint）欧拉观点（Euler viewpoint）42423.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点欧拉观点 着眼于流场中的空间点，以流场中的固定空间点（控制体）为考察对象，研究流体质点通过空间固定点时的运动参数随时间的变化规律。然后综合所有空间点的运动参数随时间的变化，得到整个流场的运动规律。体积固定43433.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点 着眼于流场中的运动着的流体质点（系统），跟踪观察每一个流体质点的运动轨迹及其速度、压力等量随时间的变化。然后综合所有流体质点的运动，得到整个流场的运动规律。质点(质量固定）原则上讲，两种方法所得结果一致，都可采用。44第一章、传递过程概论第一章、传递过程概论1.1.传递过程的分类传递过程的分类2.2.动量、热量和质量传递的类似性动量、热量和质量传递的类似性3.3.传递过程的研究方法传递过程的研究方法3.1 3.1 守恒定律与衡算方法守恒定律与衡算方法3.2 3.2 系统与控制体系统与控制体3.3 3.3 拉格朗日观点和欧拉观点拉格朗日观点和欧拉观点3.43.4 几个常用算子几个常用算子45453.43.4 几个常用算子几个常用算子 所谓算子是一种数学符号缩写的算符。本课程中常用的算子有：（1）哈密尔顿算子；（2）拉普拉斯算子；（3）随体导数算子46463.43.4 几个常用算子几个常用算子 哈密尔顿算子在直角坐标下的展开式（下同）：1.算子（Hamilton Operators)哈密尔顿算子是一个矢性、微分算子，它具有矢量和微分双重性质。在本课程中，有关哈密尔顿算子的运算有下面三种形式：47473.43.4 几个常用算子几个常用算子 作用在数性函数（如温度 t）上，称为梯度梯度，例：求数量场 t=xy2+yz2的温度梯度。48483.43.4 几个常用算子几个常用算子 作用在矢性函数（如速度 u)上，点乘所得结果称为散度。例：求矢量场49493.43.4 几个常用算子几个常用算子 叉积所得结果称为旋度50503.43.4 几个常用算子几个常用算子拉普拉斯算子是一数性、微分算子。2.算子（Laplace Operators)拉普拉斯算子在直角坐标下的展开式：与的关系：51513.43.4 几个常用算子几个常用算子定义式：在直角坐标下的展开式3.随体导数5252思思 考考 题题1.传递的方式有哪些？各自的传递条件是什么？2.何谓现象方程？并说明表达式中各符号的含义。3.写出温度的随体导数，并说明其各项的含义？