南京工业大学传递工程第2章 传递过程导论精要
南京工业大学传热ppt2
11
二、影响对流传热系数的因素
1 流体物理性质 密度(kg.m-3)、比热容(J.kg-1.K-1)、热导率(W.m-1.K-1)、 黏度(Pa.s)、体积膨胀系数(K-1)等。 2 流体对流起因 强制对流(流速变化）、自然对流（浮力） 3 流体流动状态 层流、湍流、 Re 4 流体的相变化 冷凝、沸腾 5 传热面的形状、相对位置与尺寸 通常把对流体流动和传热有决定性影响的尺寸称为特征 尺寸，在计算a时有说明。实验测定对流传热系数前，采 用量纲分析法将影响对流传热系数的诸因素组成若干个量 纲为一的量(或称为特征数)，再确定各特征数的关系，得 到a的计算公式。 12
1 ( 2 , 3 )
22
二、对流传热过程的量纲分析
通过量纲分析，可确定
al 1 Nu
努赛尔数 (Nusselt number) 普朗特数 (Prandtl number)
2
cp
Pr
23
二、对流传热过程的量纲分析
3
l 3 2 g t
2
44
一、蒸汽冷凝传热
(3) 影响冷凝传热的因素
a.不凝性气体的影响
壁面可能为气体（导热系数很小）层所遮盖而增加一层 附加热阻，使对流传热系数急剧下降。故在冷凝器的设 计和操作中，必须考虑排除不凝气。
b.蒸汽流速和流向的影响 c.蒸汽过热的影响
d.传热面的形状与布置
冷凝液膜为膜状冷凝传热的主要热阻, 减薄液膜厚度降低热阻是强化膜状冷凝传热的关键 .
湍流核心
涡流传热
8
一、对流传热机理
温度梯度
层流内层 湍流边 界层 较大
传递过程知识点总结
传递过程知识点总结一、传递过程的基本概念传递过程是一种将信息、物质或能量从一个地点或状态传递到另一个地点或状态的过程。
传递过程不仅存在于日常生活中，还普遍存在于自然界和工程实践中。
在自然界中，例如气候变化、生物遗传信息传递等都属于传递过程的范畴。
而在工程实践中，例如电信网络、输电线路、热传导等也都是传递过程的具体应用。
在传递过程中，传递介质扮演着非常重要的角色。
传递介质可以是空气、液体、固体等物质，在某些情况下甚至可以是光、声波等形式的能量。
传递介质的性质和条件将直接影响传递过程的效率和特性。
因此，对传递介质的研究和理解对于掌握传递过程的规律和方法有着至关重要的作用。
二、传递过程的基本规律1. 热传递规律热传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
热传递的基本规律包括热传导、对流和热辐射。
其中，热传导是指热量通过物质内部分子振动和碰撞的方式传递的过程，对流是指热量通过流体的运动传递的过程，热辐射是指热量通过辐射能传递的过程。
2. 电磁波传播规律电磁波是一种具有电场和磁场振荡的波动现象，它的传播规律受到麦克斯韦方程组的约束。
电磁波在空间中传播的速度是光速，而它的频率和波长则由振荡源的特性决定。
电磁波在传播过程中会受到衍射、折射、反射和干涉等影响，这些现象都符合光学原理。
3. 信息传递规律信息传递是指信息从发送者到接收者传递的过程。
在信息传递过程中，信息会通过信号的形式传送，信号可以是声音、文字、图像等形式。
信息的传递涉及到编码、调制、传输和解调等过程，其中，信道的特性、噪声和干扰等因素会影响信息传递的可靠性和效率。
4. 力学传递规律力学传递是指力学量在空间中的传递过程。
常见的力学传递现象包括物体的运动、力的传递和作用、动量的传递和守恒等。
在力学传递过程中，牛顿力学定律和动量守恒定律是制约力学现象的基本规律。
三、传递过程的模型和理论1. 传递方程传递方程是用来描述传递过程的数学模型。
传递方程可以根据传递过程的性质和特性来构建，常见的传递方程包括热传导方程、波动方程、扩散方程等。
传递过程导论 基本概念
轴的负方向则是梯度的正方向。因此：现象
方程中有“负”号时表示传递方向与坐标轴 同向；
反之，现象方程中有“正”号时，表示传递
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
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，而这种传递过程只在少数 情况下出现，如固体或静止的液体或层流流 动的流体内的传热或动量、质量传递便属于 分子传递。 实际工作状态下，大多数流体为湍流。 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，还有涡流传递。
涡流热通量：
d ( c p t ) q e ( ) பைடு நூலகம் H A dy
(1 7)
ε H－涡流热扩散系数，〔m2/s〕 组分A的涡流质量通量：
j M
e A
d A dy
(1 8)
式中ε M－涡流质量扩散系数，〔m2/s〕
ε 、ε H和ε M的因次也与分子扩散系数ν 、 α 和DAB的因次相同，均为〔m2/s〕。
J / m3 J [ m 2 / s] m2 s m
三、质量通量
对Fick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： 质量通量＝
－（质量扩散系数）×（质量浓度梯度）
kg / m 3 kg [m 2 / s] m2 s m
从上述各量的因次可以看出：剪应力τ即
单位时间通过单位面积的动量。
即 动量通量
＝-（动量扩散系数）×（动量浓度梯度）
二、热量通量
傅立叶定律可写成：
d(C p t ) q A dy
k C p [ m / s]
2
(1 5)
《传递过程原理》课后习题参考答案
《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。
化工传递过程讲义
《化工传递过程》讲稿【讲稿】第一章 传递过程概论（4学时）传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。
传递过程：物理量（动量、热量、质量）朝平衡转移的过程即为传递过程。
平衡状态：物系内具有强度性质的物理量如速度、温度、组分浓度等不存在梯度。
*动量、热量、质量传递三者有许多相似之处。
*传递过程的研究,常采用衡算方法。
第一节 流体流动导论流体：气体和液体的统称。
微元体:任意微小体积。
流体质点：当考察的微元体积增加至相对于分子的几何尺寸足够大，而相对于容器尺寸充分小的某一特征尺寸时，便可不计分子随机运动进出此特征体积分子数变化所导致的质量变化，此一特征体积中所有流体分子的集合称为流体质点。
可将流体视为有无数质点所组成的连续介质一、静止流体的特性（一）流体的密度流体的密度：单位体积流体所具有的质量。
对于均质流体 对于不均质流体点密度dVdM d =ρ *流体的点密度是空间的连续函数。
*流体的密度随温度和压力变化。
流体的比体积：单位流体质量的体积。
MV =υ （二）可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体：密度随空间位置和时间变化的流体，称为可压缩流体。
(气体)不可压缩流体：密度不随空间位置和时间变化的流体，称为不可压缩流体。
(液体)（三）流体的压力流体的压力（压强，静压力）：垂直作用于流体单位面积上的力。
A P p =（四）流体平衡微分方程1.质量力(重力)单位流体质量所受到的质量力用B f 表示。
在直角坐标z y x ,, 三个轴上的投影分量分别以 X ﹑Y ﹑Z 表示。
B F V M =ρ2.表面力:表面力是流体微元的表面与其临近流体作用所产生的力用Fs 表示。
在静止流体中，所受外力为重力和静压力，这两种力互相平衡，利用平衡条件可导出流体平衡微分方程。
916:16化工传递过程基础黄山学院化学系首先分析x 方向的作用力，其质量力为由静压力产生的表面力为XdxdydzdF Bx ρ=dydz dx x p p pdydz dF sx ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+-=12(五)流体静压力学方程流体静压力学方程可由流体平衡微分方程导出。
化工原理第二章-传递过程基本方程
z
o x
z
x y
y
2.1.5 控制体与控制面
柱坐标系（Cylindrical coordinates）：r，，z
= 0
z
z u
o
r
uz
r z
ur
2.1.5 控制体与控制面
球坐标系（ Spherical coordinates）：r，，
= 0
= 0
u r o
ur
r
u
作业 p.114-115 2.1，2.2
2.2 质量守恒与连续性方程
2.2.1 宏观质量恒算（总质量恒算）
恒算范围：宏观控制体
q m ,in qmi ,in
i 1,2,...,n
qm,out qmi ,out
i 1,2,...,n
若控制体内的流体包含 n 个组分，则对任一组分 i应用质 量守恒定律有：
对质点的其它物理量A也可进行上述运算
DA Dt
A t
A x
ux
A y uy
A z
uz
A t
u • A
DA/Dt称为物理量A的随体导数，A/t称 为局部导数，（u•)A称为对流导数
2.1.5 控制体与控制面
控制体与控制面 控制体：位置和大小固定的空间体积。可以是假想的，
对稳定流动过程，管道任一截面处的质量流量相等。
不可压缩流体 A2u2 A1u1 qV 对不可压缩流体，管道任一截面处的体积流量相等。
不可压缩流体在均匀管道内流动时，平均流速沿途保持 定值，并不因摩擦而减速!
【例2.4】
密度为920kg/m3、粘度为3.5cP的某油料，稳定流经一大 小管组成的串联管路。大小管尺寸分别为φ38×2.5mm和 φ25×2.5mm。已知油料在大管中的流速为0.8m/s，试分 别求该油料在大管和小管中的体积流量、质量流量及质 量流速。
传递过程概论
x 方向的作用力：
dFBx Xdxdydz 质量力: 由静压力产生的表面力: p dFSx pdydz p dx dydz x x方向的平衡条件: dFBx dFSx 0 即 p X ..........1 7a . x 同理可得 p p Y ..........1 7b . Z ..........1 7c . y z 写成向量形式 f B p..........1 7d .
.......... .......... 23 1
式中u 和 d 称为流体流动的特征速度和特征尺寸。 根据 Re 数值大小可以判断流动的形态。如流体在管内流动时: 若 Re <2000 时,流动总是层流； 若 Re >10000 时，流动一般都为湍流； 而 2000 < Re <10000 范围内，流动处于一种过渡状态，可能 是层流亦可能是湍流。外界条件的影响，易促使过渡状态下的层流 变为湍流。
du 0 K .......... .......... - 22 ..1 dy
(六)流动类型与雷诺数 1.雷诺实验
雷诺实验揭示了流体流动的两种不同形态： （1）层流（滞留）：流体层间微观混合，宏观不混合。 （2）湍流（紊流）：流体层间微观混合，宏观混合。
2.雷诺数
Re
du
(四)黏性流体与理想流体 • 具有黏性的流体统称为黏性流体或实际流体。 • 完全没有黏性的流体（ μ =0）称为理想流体。
实际流体与理想流体的区别： • 实际流体具有黏性，而理想流体不具有黏性。工程中的流体一般 为实际流体。 • 实际流体流动时，由于具有黏性作用，流体层与层之间会产生剪 切力。当流体流过平板壁面时，它会附着于平板壁面上不滑脱。 • 理想流体流动时没有黏性作用，所以也不会产生剪切力，流过平 板壁面时会出现滑脱现象。
2 传递讲义20140224
的物理意义
——流体密度对时间的偏导数，表示某固定
点处密度随时间的变化率
37
d dx dy dz d x d y d z d
Hale Waihona Puke d d ——流体密度对时间的全导数，表示测量运动流体的密度时，
观察者（密度计）以任意速度（
dx d
kg m/s du m 3 动量浓度梯度（驱动力） dy m kg m/s N 2 动量通量（效应） 2 m s m 23
• 关于牛顿粘性定律的几点讨论
3）符合牛顿粘性定律的流体（即剪应力与速度 梯度成正比）称为牛顿流体。不符合牛顿粘 性定律的流体称为非牛顿流体，如假塑性流 体的剪应力关系为
dM dV kg m3
如此可以将物理量作为空间和时间坐标的连续函 数，便于数学处理。如 x, y, z,
12
传递过程的连续介质假设
13
2.1 流体与流动的基本概念
传递过程中常见的物理量 标量----无方向性的数量，如温度，浓度。 矢量----有方向和大小，如速度矢量
a)参照迹线定义可知：随体导数的物理意义是沿 迹线运动的流体微元的物理量（如速度）随 时间的变化率（如加速度）。 b)随体导数包括局部导数和对流导数两部分。
34
研究流体流动的欧拉观点和拉格朗日观点
局部导数反映流动参数在空间固定点 处随时间的变化率。
对流导数反映由于流体对流运动而伴随的 流动参数由一点至另一点发生的变化。
、 、 d
dy
dz d
表示 其分速
x
度）运动，且其速度不等于流体运动的速度（分别以u
传递过程原理课件
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
化工传递过程第二章课件
u
球坐标 系下的 连续性 方程
=0
d
1 ( rur ) 1 ( u sin ) 1 2 ( u ) 0 r r r sin r sin
第四节 运动方程
一、用应力表示的运动方程 二、牛顿型流体的本构方程 三、流体的运动方程 四、以动压力表示的运动方程 五、柱坐标及球坐标下的运动方程
输出微元体积的质量流率
y
ρux dy dy
x
( u x ) u x dx x
dz
( u x ) [ u x dx]dydz x
dz
• 于是得到x方向输出 与输入微元体积的 质量流率之差：
z
dz
y
dx
dy
( u x ) ( u x ) [ u x dx]dydz u x dydz dxdydz x x
可以证明
τ xy τ yx τ yz τ zy τ xz τ zx
扭矩平衡：
力矩=流体微元的质量*旋转半径2*角加速度 ≈0
xy yx
yz zy
xz zx
用应力表示的运动方程
Dux xx yx zx X D x y z Du y xy yy zy Y D x y z xz yz zz Duz Z D x y z 自变量4个：，x, y, z;
已知量3个：X，Y，Z (体积力）。 未知量10个：
du x dy
τ xy τ yx τ yz τ zy τ xz τ zx
, u x , u y , u z , xx yy zz , xy ( yx ), yz ( zy ) zx ( xz )
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动量通量
kg m / s s m2
yx
u x ( u x ) v y y
动量密度
kg m / s m3
热量通量
J s m2
( C pT ) T q y k y y
能量密度
J m3
质量通量
kg A s m2
j Ay D AB
为此，有必要介绍“系统”和“控制体”的
概念。
1．体系（系统）
定义：具有确定不变物质的任何集合称为体系。 系统以外的一切统称为外界（环境）。 系统的边界是把系统和外界分开的真实和假想
的表面。
在传递过程中，体系是指由确定的流体质 点所组成的流体团。
2．控制体
定义：具有确定不变的空间区域（或空间体积）。
分子交换的结果就产生了一个净热量差， 这一净差就是分子的能量传递结果。
通过此例知道分子传递的条件是： （1）存在分子热运动； （2）存在着某种强度量梯度。
存在速度梯度（速度不均匀）必将产生动量传递（动量扩散） 存在温度梯度（温度不均匀）必将产生热量传递（热传导） 存在浓度梯度（浓度不均匀）必将产生质量传递（质扩散）
控制体（C.V.）是由称为控制面（C.S.）的封闭
边界面围成。
在传递过程中：控制体是指流体在流动过程中所通
过的一个固定不变的空间区域。
原则上讲以上两种研究对象所得方程是一致，因此都
可采用。但在大多数传递过程中，控制体法似乎要更 方便些。
举例 —— 研究对象的选取
图a 汽缸—活塞装置
若研究汽缸内的气体压缩、膨胀等传递情况， 请问对图a采用哪种研究对象（方法）更为方 便？
分子传递方向
分子传递方向分别为：高速指向低速，高温指 向低温，高浓度指向低浓度。 注意：传递方向（由高到低）与梯度方向（函 数增大的方向）相反。 分子传递的规律至今尚无可能用理论公式来描
述，迄今只能依赖于唯象律. 所谓唯象律就是指仅从客观现象归纳而得到的 定律，是一种实验定律。
② 分子传递的唯象律
质量进行迁移，这一迁移结果，造成了动、热、质量
的传递。见图。
质元传递示意图
3．两种传递方式的区别与联系
（1）区别
分子传递与流体是否运动无关，仅与梯度是否
存在有关，传递方向指向梯度变小的方向。
质元传递仅与流体是否运动有关，而与梯度是
否存在无关，传递方向为质元的速度方向。
（2）联系
在传递过程中，这两种传递方式往往是同时存在的， 所以总的传递量应是这二种传递的矢量和，见图。
过程中物理量随时间变化为非稳定场，数学
表达式，如上式所示。
稳定场（定常场）稳定场物理量不随时间变化。
数学表达式为：
u u( x , y , z )
u( x , y , z ) 0 t
P6
2．对流传递
除了分子的传递外，宏观流体的微团（质元）
运动也会引起动量、热量和质量的传递。
由于流体质元的质量比分子的质量大得多，因
此质元传递要比分子传递的强度大得多。
质元概念类似讲义的连续介质概念（见P10）
（1）质元定义
特征为：
线性尺寸足够小，所含的分子数又应当足够多。
足够小强调要讨论的质元很小的，以便进行微分处理。
牛顿粘性定律（Newton’s law）
yx
( u x ) ux v y y
动量密度
傅立叶定律（Fourier’s law）
( C pT ) T q y k y y
能量密度
费克定律（Fick’s law）
j Ay D AB A y
足够多强调在这个微小质元内，分子数多到能保持在同
一时刻内质元的宏观性质稳定。
即：不会由于个别分子的跳跃而使物体的宏观性质 T，P，
u 发生变化，从而表现出统计平均值的意义。
在此基础上认为：流体是由这些连续的质点所组成。
（2）质元的传递过程及方向
质元在运动中它携带本身可能具有的动量、能量和
下面以能量的分子传递为例讨论分子传递机理。
例：能量的分子传递
在一流动的流场中，温度分布不均匀存在着温度分布， 见图2-1的等温线（面）
传递方向 T1＞ T2＞ T3＞ T4 形成温度梯度 假想在与等温线之间存在一个平面
梯度方向 ห้องสมุดไป่ตู้子传递示意图
T2与T3之间的交换的分子数是相等的 由于T2＞T3，所以T2面上分子所携带 热量大于T3面上分子所携带来的热量
A y
质量密度
kg m3
通量 传递系数 密度梯度
三种量的分子传递，它们的唯象律具有同一形式
传递通量=
- 分子传递系数×密度梯度
注意：y表示传递方向，负号表示传递方向与梯度方向相反
式中：
v
k C p
D AB
运动粘度
导温系数
m2 统称为分子传递系数 , s
分子扩散系数
一维通量方程（现象方程）见表1-1
分子传递与质元传递关系图
由于每个质元含有足够多的分子所以质元传递
规模要比分子传递大的多。 当发生湍流时，同方向上只需考虑对流传递； 当流体速度比较小时，分子传递影响逐渐上升；
在静止介质中则以分子传递为主。
二．传递过程中的研究对象
p19
流体作为物质的一种运动形式，必须遵循自然
界中关于物质运动的某些普遍规律，由于这些 规律的原始形式都是对“系统”写出来的，而 在传递过程的实际问题中，采用“控制体” 的概念却方便得多。
举例 —— 研究对象的选取
流体
图b
流体
图b 是一喷嘴装置，若要研究流体流过喷嘴
时的运动规律，又采用哪一种方法更为方便？
三、场的概念
定义：在给定区域位置、时间和物理量之间对
应关系。 以速度场为例，数学表达式为：
u u( x, y, z , t )
位置
时间
非稳态场非均匀场（暂态场，非定常场）
第二章 传递导论
本章主要内容
一、传递方式
二、传递的研究对象
三、场的概念
四、平衡过程和速率过程
五、几个常用的算子
一、传递方式
传递过程的传递方式主要有:
分子传递 和 对流传递 两种方式。 1．分子传递
① 分子传递的条件及传递方向
分子传递条件：分子热运动和强度量梯度的存在。
传递中指：速度、温度、浓度等强度量梯度。