1、 研究生课程教学大纲（ 科学学位 专业学位）课程名称 动量、热量和质量传递过程原理 所在院（所、部） 化工学院 学科点或课程组 化学工程与技术 湘潭大学研究生处制2011 年 2 月 12 日2一、课程基本信息课程代码：0817003课程名称：动量、热量和质量传递过程原理英文名称：Fundamentals of Momentum, Heat & Mass Transfer课程类别：专业基础课学 时：45 学时学 分：3 学分适用对象：化学工程与技术一级学科科学学位硕士研究生考核方式：闭卷考试；平时考核以考勤和作业形式进行；平时成绩与期末成绩的比例为 2:8。先修课程：高等数学、数理方程、数值计
2、算、化工原理二、课程简介本课程以类比的方法论述粘性流体的动量、热量和质量传递过程基本原理，借助数学方法，应用分子传递理论、边界层理论和湍流理论对这些传递过程的速率问题进行分析，建立描述过程速率的基本微分方程，并对一些特定条件下的传递过程速率问题进行求解和工程实际应用讨论。三、课程性质与教学目的课程性质：化学工程与技术一级学科科学学位硕士研究生基础理论课程。教学目的：通过本课程的学习，帮助学生较深入地了解和掌握化工过程中质量、动量和能量传递的基本规律和发生机制，找出描述过程规律的正确方法和研究方法；根据过程的基本规律及其基本理论，正确地设计、选择过程进行所需的适当单元设备来完成指定的操作任务；为
3、强化、调节或控制过程进行的程度，正确组织和决策工业生产提供理论基础。帮助学生强化 “工程观念” ，为其所从事的科技开发工作提供基础数学模型，并为学生在化学反应工程、化工分离过程、化工传热与节能等专业课学习打好理论基础。四、教学时数分配教学环节教学时数课程内容授课 研讨课 上机与 实验 小计第一章 动量、热量和质量传递导论 3h 3h / 6h1 动量、热量和质量传递理论发展历史 1h / / 1h32 动量、热量和质量传递现象及其类似性1h / / 1h3 圆管中的稳定层流 1h / / 1h 4 总质量、总动量和总能量衡算 / 3h / 3h4.1 总质量衡算 / 1h /4.2 总能量衡算
4、 / 1h /4.3 总动量衡算 / 1h /第二章 粘性流体流动的微分方程 8h 7h / 15h1 连续性方程 2h / / 2h2 运动方程 3h / / 3h3 运动方程的应用 / 5h / 5h3.1 平壁间的稳定层流 / 1h /3.2 圆管和环形套管中的稳定层流 / 1h /3.3 爬流 / 1h /3.4 流线和流函数 / 1h /3.5 势线和势函数 / 1h /4 边界层理论 3h 2h / 5h4.1 边界层概念和阻力系数 1h / /4.2 边界层微分方程 1h / /4.3 边界层积分动量方程及其应用 / 2h /4.4 边界层分离 1h / /第三章 湍流 4h /
5、 / 4h1 湍流的特点、起因和表征 1h / / 1h2 雷诺方程和雷诺应力 1h / / 1h3 普兰德动量传递理论 1h / / 1h4 光滑和粗糙圆管中的湍流阻力 1h / / 1h第四章 热量传递理论与能量方程 6h 3h / 9h1 热量传递的基本方式 1h / / 1h2 能量方程 1h / / 1h3 热传导 / 3h / 3h3.1 稳态热传导 / 1h /3.2 无内热阻的非稳态热传导 / 1h /3.3 一维非稳态热传导的解析解 / 1h /4 对流传热 4h / / 4h4.1 对流传热机理和膜系数 1h / /4.2 层流下的热量传递 1h / /4.3 湍流下的热量
6、传递 1h / /4.4 相变过程传热 1h / /第五章 质量传递概论和传质微分方程 11h / / 11h1 分子传质和对流传质 1h / / 1h42 分子传质速率与通量 1h / / 1h3 质量传递微分方程 1h / / 1h4 分子扩散传质 4h / / 4h4.1 稳态分子扩散的通用速率方程 1h / /4.2 气体中的分子扩散 1h / /4.3 液体中的分子扩散 1h / /4.4 固体中的分子扩散 1h / /5 对流传质 4h / / 4h5.1 对流传质系数 1h / /5.2 层流下的质量传递 1h / /5.3 湍流下的质量传递 1h / /5.4 对流传质关联系数
7、 1h / /合计 32h 13h / 45h五、教学内容及要求第一章 动量、热量和质量传递导论（一）目的与要求1. 了解传递理论的发展历史；2. 了解和掌握不同传递过程之间的类似性和表达规律；3. 掌握传递过程总质量、总动量和总能量衡算方法。 （二）教学内容第一节 动量、热量和质量传递理论发展历史1主要内容：动量、热量和质量传递理论发展历史；传递过程速率的一般定义方法；学习“ 传递过程 ”课程的目的；单位制问题。2基本概念和知识点：传递过程速率的一般定义。3问题与应用（能力要求）：掌握单位制换算问题。第二节 动量、热量和质量传递现象及其类似性1主要内容：传递现象定律及其类似性； 2基本概念和
8、知识点：梯度；现象定律；通量；几个与传递过程相关的重要准数及其物理意义。3问题与应用（能力要求）：几个准数的计算及关联。第三节 圆管中的稳定层流1主要内容：圆管中稳态层流时的速度分布；截面平均流速。2基本概念和知识点：层流；圆管中稳态层流时的速度分布和截面平均流速。3问题与应用（能力要求）： 圆管中稳态层流时的速度分布式推导及5压降计算。第四节 总质量、总动量和总能量衡算1主要内容：传递过程的总质量、总动量和总能量衡算。2基本概念和知识点：连续流动系统的质量、动量和能量守恒定律及其表达；理想流体柏努利方程。3问题与应用（能力要求）：具有化学反应的多组分连续流动体系物料衡算；流体动量的表达及流动
9、体系的动量守恒计算；夹角弯管的受力分析。（三）思考与研究1. 几个与传递过程相关的重要准数及其物理意义，准数之间的关联方法，因次一致性原则。2. 从牛顿第二定律出发得到的机械能守恒方程和动量守恒方程其联系与区别。3. 流体机械能与固体机械能的联系与区别。4. 流体运动的复杂性基本原因何在。5. 流体运动过程产生阻力的主要内在原因何在。6. 梯度与现象定律之间的基本关系；不同传递过程之间类似性的联系与表达方法。第二章 粘性流体流动的微分方程（一）目的与要求1. 掌握流体连续性方程的推导方法、方程的物理意义及其在判断流体可压缩性方面的应用；2. 掌握流体微元运动的受力分析、Navier-Stoke
10、s 方程推导方法；3. 掌握流体在规则物体表面层流运动时的 Navier-Stokes 方程解析计算方法；4. 掌握爬流、流线、势线概念，掌握流函数和势函数的数学定义表达及物理意义；5. 掌握边界层概念及边界层微分和积分动量方程的应用；6. 了解边界层分离的基本原理和流体阻力的形成机制。 （二）教学内容第一节 流体运动的连续性方程1主要内容：流体连续性假定；流体线形变与体形变；流体线形变与体形变速率；流体的可压缩性及其判别。2基本概念和知识点：连续流体；流体线形变与体形变及其形变速率；随体导数、对流导数、局部导数。63问题与应用（能力要求）：掌握（直角、柱、球等）不同座标系中连续性方程的推导方
11、法；掌握利用连续性方程判断流体可压缩性的方法。第二节 流体运动的 Navier-Stokes 方程1. 主要内容： 流体运动的考察方法；流体微元运动的受力分析；剪应力与角变形的关系；Navier-Stokes 方程推导方法。2. 基本概念和知识点：轨线；流线；剪切应力；法向应力；流体角形变速率。3. 问题与应用（能力要求）：掌握直角座标系中 Navier-Stokes 方程的推导方法。第三节 流体运动的 Navier-Stokes 方程应用1. 主要内容：应用 Navier-Stokes 方程求解稳定层流下平壁间、圆管内和环形套管间的流体速度分布和压降计算；爬流下颗粒的沉降速度及运动阻力；流函
12、数方程和流线计算；势函数方程和势线计算。2. 基本概念和知识点：流线和流函数意义；势线和势函数意义；爬流；表面阻力；形体阻力；Stokes 方程；流线与势线的正交关系。3. 问题与应用（能力要求）：掌握流体在规则物体表面层流运动时的Navier-Stokes 方程解析计算基本方法。第四节 边界层理论1. 主要内容：边界层形成机制；阻力系数与范宁系数定义；二维理想流体运动边界层方程的量级分析方法；普兰德边界层微分方程；卡门边界层动量积分方程推导及其应用；布拉修斯公式；充分发展的边界层；边界层分离机制。2. 基本概念和知识点：Prandtl 边界层；范宁系数；量级分析方法；卡门边界层动量积分方程。
13、3. 问题与应用（能力要求）：掌握运用卡门边界层动量积分方程计算边界层厚度的方法。（三）思考与研究1. 流体连续性假定的科学意义和适应条件。2. 不同（直角、柱、球）座标系中流体连续性方程的推导方法。3. 二维平面上牛顿粘性定律的表达方法。4. 对流导数的物理意义。5. 不同（直角、柱、球）座标系中 Navier-Stokes 方程程的推导方法。6. 计算流体力学的学科内容与 Navier-Stokes 方程的关系。7. 运用边界层分离原理，讨论高速运动物体减阻设计的原则和方法。7第三章 湍流（一）目的与要求1了解湍流的特点、起因和表征方法；2掌握流体运动的时均值、瞬时值和脉动值之间关系；3掌
14、握雷诺转换的基本法则、雷诺应力的表达方法；4掌握普兰德混合长的基本理论和假定；5掌握圆管中湍流下阻力计算的方法。（二）教学内容第一节 湍流的特点、起因和表征1. 主要内容：湍流的特点、起因和表征方法。2. 基本概念和知识点：湍流的概念；湍流所对应的临界雷诺数；时均量与脉动量；湍流强度与标度及其物理意义。3. 问题与应用（能力要求）：掌握湍流强度的计算方法。第二节 雷诺方程和雷诺应力1. 主要内容：时均值计算规则；雷诺应力与脉动速度关系；雷诺运动方程。2. 基本概念和知识点：雷诺应力。3. 问题与应用（能力要求）：掌握雷诺应力与脉动速度的关系。第三节 普兰德动量传递理论1. 主要内容：普兰德混合
15、长假定；普兰德混合长理论的意义。2. 基本概念和知识点：普兰德混合长概念。3. 问题与应用（能力要求）：掌握普兰德混合长的物理意义及其在解决湍流状态下流体阻力计算的作用。第四节 光滑和粗糙圆管中的湍流阻力1. 主要内容：光滑管中湍流速度分布规律；粗糙管中湍流速度分布规律；速度衰减定律；卡门（Von Karman）方程；尼古拉则（Nikuradse）方程。2. 基本概念和知识点：摩擦速度；无因次速度；无因次层流内层厚度；粗糙度；相对粗糙度；摩擦系数。3. 问题与应用（能力要求）：掌握运用卡门方程或尼古拉则方程计算光滑或粗糙圆形管道中湍流状态下流体流动阻力的方法。（三）思考与研究1普兰德混合长与湍
16、流标度之间的区别和联系。2湍流下流体高频脉动的本质和后果。83提出雷诺应力的理论意义何在。4Navier-Stokes 方程与雷诺方程之间的联系与区别。5标度的物理意义。6涡流粘度的属性和影响因素是什么。第四章 热量传递理论与能量方程（一）目的与要求1掌握热量传递的基本方式及其特点；2掌握能量方程在不同座标系中的推导方法及其在几种特定情况下的表达形式； 3掌握稳态和非稳态条件下具有简单几何边界的导热方程解析与数值计算方法；4掌握对流传热的基本方式和机理；5掌握热边界层概念和热边界层方程的求解方法。（二）教学内容第一节 热量传递的基本方式1. 主要内容：导热定义和导热基本特点、不同物质中的导热机
17、理、导热基本定律；对流传热定义和传热方式、对流传热基本特点、对流传热基本定律；辐射传热定义和基本特点、辐射传热基本定律。2. 基本概念和知识点：导热定义和机理；对流传热定义和基本特点；辐射传热基本特点。3. 问题与应用（能力要求）：导热、对流和辐射传热各自所遵循的基本定律。第二节 能量方程1. 主要内容：能量衡算方程的推导；微元能量方程的特定形式；能量方程在柱坐标及球坐标中的表示。2. 基本概念和知识点：表面应力对微元流体做功的方式；压力膨胀功；粘性力摩擦损耗功；Fourier 第二定律。3. 问题与应用（能力要求）：能量方程在不同座标系中的推导方法及其在几种特定情况下的表达形式（传热过程的
18、Poisson 方程和 Laplace 方程） 。第三节 热传导1. 主要内容：平壁、圆筒壁和球罐壁等无内热源的一维稳态导热解析计算；平壁、圆筒壁和球罐壁等有内热源的一维稳态导热解析计算；肋筋或翅片等具有护展表面物体的导热解析计算；二维稳态导热的有限差商数值求解；无内热阻的不稳态热传导解析计算；一维不稳态无内9热源的导热解析计算；无限长圆柱体/无限厚平板的不稳态导热 解析计算；大平板二个端面维持恒温的不稳态导热解析计算；平板二端面与周围环境有热交换时的不稳态导热解析计算。2. 基本概念和知识点：Biot 准数；Fourier 准数；内热源热流密度；结点温度方程组。3. 问题与应用（能力要求）：
19、稳态和非稳态条件下具有简单几何边界的导热方程解析与数值计算。第四节 对流传热1. 主要内容：对流传热方式与机理；热边界层；对流传热膜系数；平壁层流下流动边界层方程精确解；平壁层流下热边界层方程精确解；平壁层流下热边界层积分方程及其近似解；温度边界层中热流积分方程；圆管中湍流传热的膜系数无因次关联方法。2. 基本概念和知识点：热边界层概念；Nu 准数；Pr 准数；对流传热膜系数。3. 问题与应用（能力要求）：温度边界层内热流积分方程的求解与计算；圆管中对流传热膜系数计算方法。（三）思考与研究1. 粘性力摩擦损耗功的机理和本质；2. Biot 准数、Fourier 准数、Nu 准数和 Pr 准数等
20、的物理意义；3. 流动边界层和传热边界层的相似性及类比方法如何表达；4. 热边界层方程的积分求解方法和布拉修斯“数量级相似变换” 求解方法的基本思路有何不同，对两者的求解结果差异如何解释；5. 不同物质内部导热的本质或机理有何差异；6. 建立对流传热膜系数关联方程的基本原理和法则是什么。第五章 质量传递概论和传质微分方程（一）目的与要求1掌握质量传递的基本方式及其特点；2掌握质量传递方程的推导方法及其在几种特定情况下的表达形式； 3掌握稳态条件下分子扩散传质的速率方程及其解析方法；4掌握对流传质的基本方式、机理及对流传质系数的计算方法；5掌握浓度边界层概念和浓度边界层方程的求解方法。（二） 教
21、学内容第一节 分子传质和对流传质1. 主要内容：分子扩散传质；Fick 第一定律；对流传质。2. 基本概念和知识点：分子扩散；扩散系数。3. 问题与应用（能力要求）：掌握运用 Fick 第一定律计算一维稳态分子10扩散速率的方法。第二节 分子传质速率与通量1. 主要内容：分子扩散速度；扩散通量；总体流动通量。2. 基本概念和知识点：扩散速度；总体流动。3. 问题与应用（能力要求）：扩散通量的表达与计算。第三节 质量传递微分方程1. 主要内容：质量传递微分方程的推导；质量传递微分方程的特定形式；Fick 第二定律。2. 基本概念和知识点：Fick 第二定律。3. 问题与应用（能力要求）：掌握质量
22、传递微分方程的推导方法及其在特定情况下的表达形式。第四节 分子扩散传质1. 主要内容：稳态分子扩散的通用速率积分方程；组分在静止介质中的稳态和拟稳态单向扩散；等分子反向扩散；扩散系数的计算。2. 基本概念和知识点：等分子反向扩散；拟稳态。3. 问题与应用（能力要求）：组分在静止介质中的稳态和拟稳态单向扩散速率计算方法；拟稳态处理方法。第五节 对流传质1. 主要内容：动量边界层对传质的影响；浓度边界层；对流传质系数关联方法及关联式；平壁上层流传质的质量传递方程精确解和近似解；平壁上湍流传质的质量传递方程近似解；对流传质理论。2. 基本概念和知识点：对流传质系数；浓度边界层；对流传质理论。3. 问题与应用（能力要求）：平壁上层流和湍流传质的质量传递方程求解方法；几种对流传质理论的区别与联系；对流传质系数的关联计算。（三）思考与研究1. 根据传递现象的类似性原理，讨论气体、液体和固体的扩散系数典型数量级差异的特征和原因；2. 讨论 Sherwood 准数、Schmidt 准数和 Lewis 准数的物理意义；3. 设计一种测定扩散系数的方法并指出其原理；4. 结合反应工程知识，讨论与“扩散控制反应”一词相关的问题；5. 讨论几种对流传质理论的区别与联系；6. 怎样定义动量扩散系数、热扩散系数和质量扩散系数。六、推荐教材和教学参考资源
