1、第四章 传递过程基本原理,在圆板中心扎一细金属丝，吊在空气中，将圆板旋转一个角度，使金属丝扭转，然后放开,冷、热两个物体互相接触,蓝色由最初的位置慢慢散开，即蓝墨水的分子由高浓度处向低浓度处移动，经过一段时间后，杯中水的颜色趋于一致,圆板以中心为轴往返旋转摆动，随着时间的推移，摆动不断衰减最终停止,动量传递,热量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致,热量传递,向一杯水中加入一滴蓝墨水,质量传递,对于任何处于不平衡状态的体系，一定会有分布不均匀的物理量由高强度区向低强度区转移，这一过程即为传递过程。,当体系中存在速度、温度和浓度梯度时，就会分别发生动量、热量和质量的传递过程。,动量传
2、递是指体系中动量由高速流体层向低速流体层的转移,热量传递是指热量由高温区向低温区的转移温度差,质量传递是指一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移,相间的位差：压力差（反渗透）、电位差（电渗析）,速度差,浓度差,传递过程的规律是研究环境工程问题的基础。,传递过程研究物理量变化速率的规律,动量、热量和质量传递三者之间在传递机理、传递过程和传递结果等方面十分相似，它们不但可以用类似的数学模型描述，而且描述三者的一些物理量之间还存在着某些定量关系，这些类似关系和定量关系使研究三类传递过程的问题得以简化。,传递过程的机理 描述传递过程的方程 传递过程的相似性,第一节 传递过程的机理,冷、热两个物体互相
3、接触一杯热水放在冷水中,静止蓝色由最初的位置慢慢散开，经过较长一段时间后，杯中水的颜色趋于一致,热量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致,向一杯水中加入一滴蓝墨水,静止？ 搅动冷水和/或热水？,搅拌一下？,由分子的微观运动引起 由流体微团的宏观运动引起,分子传递过程只有在固体、静止流体或层流流动的流体中才会单独发生。,分子传递：,由分子的不规则热运动而导致的传递,涡流传递：,由宏观流体微团的不规则掺混运动导致的传递,涡流传递在湍流中发生。 在湍流运动中，流体中充满了旋涡，因此除分子传递现象外，宏观流体微团的不规则掺混运动也引起动量、热量和质量的传递，其结果使动量、热量和质量的传递过
4、程大大加剧。,第二节 分子传递,由分子运动引起的动量传递牛顿粘性定律 由分子运动引起的热量传递傅立叶定律 由分子运动引起的质量传递费克定律,相邻两层流体 速度不同动量不同 分子的热运动动量传递,一、动量传递,流体层间的分子交换,流体层之间分子的交换使动量从高速层向低速层传递,其结果产生了阻碍流体相对运动的剪切应力“内摩擦”特性,表现出流体的粘性，不同的流体具有不同的粘性，粘性主要取决于流体本身的“内摩擦”特性,粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质,粘性1,粘性2,流体向壁面传递动量的结果，出现了壁面处的剪应力，成为壁面抑制流体流动的力摩擦力。这是流体分子微观运动的宏观表现,内
5、摩擦力作功，不断消耗流体的机械能，转化为热能而散逸流体能量损失。,流体输送过程的阻力及能量的损失选择动力机械和确定能耗， 设计搅拌和均布系统（阻力） 流体的测量,1牛顿粘性定律,紧贴板表面的流体与板表面之间不发生相对位移，称为无滑移,流体呈层流运动,微分式：,剪切应力，或单位面积上的内摩擦力， N/m2； 动力粘性系数，或称动力粘度，简称粘度，,垂直于流动方向的速度梯度，或称剪切变形速率，1/s。,负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反。,（1）牛顿粘性定律,动量传递的方向,动量的方向，剪应力的方向,反映了流体流动时的角变形速率,由于,很小，因此,所以，角变形速率,为,因此，牛顿粘性定律又
6、揭示了剪切应力与角变形速率成正比。,牛顿粘性定律指出：相邻流体层之间的剪切应力，即流体流动时的内摩擦力,与该处垂直于流动方向的速度梯度,成正比。,（2）,（3）牛顿粘性定律的另一种形式,2。动力粘性系数,单位法向速度梯度下，由于流体粘性所引起的剪切应力的大小。,是流体的物理性质,粘度的影响因素,粘度随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化,（1）流体种类：一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。,（2）压强：气体的粘度随压力的升高而增加，低密度气体和液体的粘度随压强变化较小。,对常见的流体，如水、气体等,粘度随压强的变化不大，一般可忽略不计。,（3）温度：是影响粘度的主要因素。当温
7、度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加 液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切应力减小，所以粘度减小。 气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度值增加。,水及空气在常压下的粘度,3。流体分类,流体的剪应力与剪切变形速率之间的关系曲线,环境工程中常见到非牛顿粘性流体有泥浆、中等含固量的悬浮液等，属于粘塑性流体,粘塑性流体,宾汉模型,解：设液层分界面上的流速为u，则切应力分布：,上层,下层,在液层分界面上,【例】绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。设平
8、板间的液体流动为层流，且流速按直线分布,上层,下层,切应力分布,例2：一底面积为40 45cm2，高为1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。,mg sinA=0,二、热量传递,热量传递在气态、液态和固态物质中都可以发生，但传递的方式和机理是不同的。,气体的热量传递是气体分子作不规则热运动时相互碰撞的结果,固体以两种方式传递热量：晶格振动和自由电子的迁移；,液体的结构介于气体和固体之间，分子可作幅度不大的位移，热量的传递既由于分子的振动，又依靠分子间的相互碰撞。,物质
9、的导热性主要是分子传递现象的表现,1. 傅立叶定律,（1）傅立叶定律,傅立叶定律,热量通量与温度梯度成正比，负号表示热量沿着温度降低的方向传递,（2）傅立叶定律的另一种形式,2. 导热系数,（1）气体的导热系数随温度升高而增高，近似与绝对温度的平方根成正比。一般情况下，压力对其影响不大，但在高压（高于200MPa）或低压（低于2.7kPa）下，气体的导热系数随压力的升高而增大。,对于同一种物质，k值可能随不同的方向变化；,k值随温度变化,（3）固体的导热系数影响因素较多,纯金属的导热系数随温度升高而减小；合金却相反，随温度上升而增大。晶体的导热系数随温度的升高而减小，非晶体则相反。,（2）液体
10、的导热系数随温度升高而减小（水、甘油例外）经验式,压力对其影响不大。,3. 常用的导热介质,（2）在液体中，水的导热系数最大，20时为0.6 W（m K）。因此，水是工程上最常用的导热介质。,（3）金属的导热系数比一般的非金属大得多。非金属中，石墨的导热系数最高，可达100200W（mK），高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。,水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。,（1）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变
11、小。,液体的导热系数,k,k,k,k,k,k,三、质量传递,分子扩散是分子随机运动的结果。分子扩散在气相、液相和固相中均可发生。,浓度差、温度差、电场或磁场等都可能导致分子扩散。,1. 费克定律,当c为常数时，cA=cxA,组分A的质量分数为,表明扩散通量与浓度梯度成正比，负号表示组分A向浓度减小的方向传递。,A组分的扩散通量，kg/（m2s）,费克定律表达的物理意义为： 由浓度梯度引起组分A在y方向上的质量通量=（质量扩散系数）（y方向上组分A的质量浓度梯度）,2.分子扩散系数,扩散物质在单位面积、单位浓度梯度下的扩散速率，是表征物质分子扩散能力的物理常数，其数值受体系温度、压力和混合物浓度
12、等因素的影响。,（1）气体、液体、固体扩散系数的数量级分别为10-510-4、10-910-10、10-910-14 m2/s。,（3）对于双组分气体物系，扩散系数与总压力成反比，与绝对温度的1.75次方成正比，即,（2）低密度气体、液体和固体的扩散系数随温度的升高而增大，随压力的增加而降低。,第三节 涡流传递,涡流动力粘性系数,涡流导热系数,涡流质量扩散系数,涡流热量通量,涡流扩散引起的组分A的质量通量,涡流剪切应力（动量通量）,涡流传递系数不是物性，受流体宏观运动的影响，影响因素较多,涡流扩散引起的组分A的质量通量,第四节 传递现象的类似性,但是这三种传递过程具有类似性，这种类似性不仅表现在分子传递中，在涡流传递中也具有类似性。,分子传递中的动量、热量和质量传递在传递机理、数学表达式以及传递特征量等方面表现出类似性。,动量传递、热量传递、质量传递,三种不同的物理现象,（2）非常相似的数学表达式现象方程,（1）共同的物理本质，即都是基于分子的热运动,（3）对于理想气体，根据气体动力学理论可以推导三者的分子传递系数相等。,分子传递类比表,物理量之间还存在关联关系 类比法的理论基础,类似率,解决湍流传递的重要方法之一,雷诺类似率,范宁摩擦系数,作用：用流体力学的实验代替传热和传质实验，或由一个已知过程的系数求得其它系数,
