1、管道中的流体流动换热器中的热量交换吸收塔中的质量传递天然气管道输送天然气管道输送节能装修节能装修烟气扩散烟气扩散烟气上升烟气上升高尔夫高尔夫Golf由绿（由绿（Green）、氧）、氧气（气（Oxygen）、阳光（）、阳光（Light）和友谊（和友谊（Friendship）四个单词）四个单词组成。流传十五世纪一位苏格组成。流传十五世纪一位苏格兰牧人在放牧时，偶然用一根兰牧人在放牧时，偶然用一根棍子将一颗圆石击入野兔子洞棍子将一颗圆石击入野兔子洞中，从中得到启发，发明了后中，从中得到启发，发明了后来称为高尔夫球的运动。十八来称为高尔夫球的运动。十八世纪开始流传到世界各地，并世纪开始流传到世界各地，
2、并逐渐奠定了优雅、高贵的形象，逐渐奠定了优雅、高贵的形象，作为一种时尚或某种身份的隐作为一种时尚或某种身份的隐约暗示。约暗示。1.1.1 基本假定基本假定连续介质模型连续介质模型连续介质模型连续介质模型 流体微团相对于分子尺度足够大，相对于设备流体微团相对于分子尺度足够大，相对于设备尺度充分小，且连续一片。尺度充分小，且连续一片。微团尺度对密度的影响微团尺度对密度的影响 流体内有空隙吗？流体内有空隙吗？1.1.2 流体受力流体受力p 压力压力剪切应力剪切应力静止流体内部静止流体内部 p = p0 +g h 流体静力学平衡定律流体静力学平衡定律剪切变形剪切变形剪切变形速率剪切变形速率 SH xd
3、uddtdy 速度梯度速度梯度加速度加速度xxxxxxxyzDuuuuuauuuDttxyz随体导数随体导数 吊盐水中恒定滴速吊盐水中恒定滴速 控制面控制面 C、B、D、E现象问题现象问题物理模型物理模型水位降至水位降至 B 面之前（面之前（H2- - H1）不变，不变， pD 恒定，滴速不变。恒定，滴速不变。B-C： pC +g H1 = pB = p0C-D： pD = pC +g H2 pD = p0 +g（H2- - H1）原理：原理： 流体静力学平衡定律流体静力学平衡定律 p = p0 +g h数学模型数学模型解析结果解析结果规律结论规律结论pD +g h +p p = pE pM
4、工程联系工程联系高位槽流量控制高位槽流量控制1.农家的烟囱为什么能自动排烟？农家的烟囱为什么能自动排烟？2.工厂的烟囱为什么造得那么高？工厂的烟囱为什么造得那么高？1.1.3 流体流动流体流动xAu dAUA WV VUA 截面平均速度截面平均速度体积流率体积流率质量流率质量流率 m/s m3/s kg/s 流体层流体层相对运动相对运动产生了内摩擦力产生了内摩擦力，宏观表现，宏观表现为流体的为流体的“粘性粘性”。1.2 分子传递机理分子传递机理1.2.1 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 xyxdudy xdudym sm y x ：剪切应力：剪切应力 N/m2 ：粘度：粘度 Ns / m 2 ：ux
5、 在在 y 方向上的梯度方向上的梯度 剪切应力（剪切应力（）与动量（）与动量（mu）之间有何联系？之间有何联系？ 非定常非定常xut 0 定常定常xut 0 一维问题一维问题xxxuuuyxz 0 ,= 0 ,= 0 板间定常流动速度分布板间定常流动速度分布d 0 xdudy C 1xduCdy 1xCuyC 12牛顿粘性定律牛顿粘性定律边界条件边界条件xxy,uCUyh,uUCh 21000 xuUh y速度分布速度分布 d 1111取长取长1、宽、宽1、厚、厚dy控制体，控制体，对定常流动有对定常流动有4. 由奈维由奈维- -斯托克斯方程斯托克斯方程( (教材教材P226, ,式式6-10
6、) )简化简化求解求解例例1-2 平板间流体的速度分布。平板间流体的速度分布。3.在单位面积流体表面上标在单位面积流体表面上标出力出力F的各个分量及符号。的各个分量及符号。222222xxxxDuuuupXDtxxyz xuUh y奈维奈维- -斯托克斯方程斯托克斯方程平板间流体的速度分布平板间流体的速度分布 凡符合牛顿粘性定律的流体，称凡符合牛顿粘性定律的流体，称牛顿流体牛顿流体，不符合的称不符合的称非牛顿流体非牛顿流体。牛顿流体：水、空气、甘油、天然气等牛顿流体：水、空气、甘油、天然气等幂律流体幂律流体宾汉流体：牙膏、雪花膏等宾汉流体：牙膏、雪花膏等非牛顿流体非牛顿流体凯森流体：血液、油漆
7、等凯森流体：血液、油漆等假塑性流体：假塑性流体：CMC溶液、油墨等溶液、油墨等胀塑性流体：淀粉糊、阿拉伯树胶等胀塑性流体：淀粉糊、阿拉伯树胶等傅立叶定律傅立叶定律xdTqkdx dTdxqx : 导热通量导热通量 J/m2sk : 热导率热导率 W/mK: 温度梯度温度梯度 K/m负号表明热量由高温传向低温。负号表明热量由高温传向低温。1.2.2 傅立叶导热定律傅立叶导热定律平壁平壁玻璃内玻璃内的温度分布的温度分布xxTTdTQq AkAdxkA 01通过平壁通过平壁玻璃玻璃的导热速率的导热速率TTxTT 010对多层串联复合平壁对多层串联复合平壁nniiTTQk A 01 热流体热流体对流传
8、热给壁面，对流传热给壁面，平壁内导热传给另一平壁内导热传给另一侧侧壁面壁面，再，再对流传给冷流体。对流传给冷流体。hcnihicTTQh Ak Ah A 111TTQk A 1011类似类似欧姆定律欧姆定律有有TTQk A 2122nnnn. . . . . .TTQk A -1hhTTQh A 01ncTTQhA c1对多层串联复合圆筒，类似有对多层串联复合圆筒，类似有hcnihhinccTTQh Ak Ah A 111其中其中jinjiAAAAlnA AiAj分别为某层圆筒的内外面积分别为某层圆筒的内外面积 fTTQln R / RLkRLh 00122 fL TTdQkRhRdRlnR
9、/ RkhR 022011201极极 值值kRh 管道保温管道保温crkRh 最大散热临界半径最大散热临界半径 对对R0管道，保温层加厚，起散热作用。当大于管道，保温层加厚，起散热作用。当大于C 点时，才保温。点时，才保温。5.用双层玻璃取代单层玻璃能节省多少能量用双层玻璃取代单层玻璃能节省多少能量? ?6.家用和工业用电热棒结构如图，石英砂层阻家用和工业用电热棒结构如图，石英砂层阻碍加热吗？碍加热吗？ 大地初始温度大地初始温度 T0，突然暖，突然暖风吹来，温度升为风吹来，温度升为 TW，并维持，并维持不变。大地内温度仅沿不变。大地内温度仅沿 x 方向方向变化，为一维非定常导热。变化，为一维非
10、定常导热。QQQ 进出升QqA 进 Qqdq A 出PTQC Adxt 升PTkTtCx 22 PTqAqdq AC Adxt PTdqtCdx 1dTqkdx 傅立叶定律傅立叶定律WWTTederfTT 2002( )xat 4解得：解得：式中：式中：erf()为高斯误差函数为高斯误差函数TTatx 22 tWt ,xtQqdtk TTa 0002WWttk ( TT )QaQtk ( TT )a 0210222=2 - 1 = 0.414 = 41.4%若温度若温度5的大地，表面突然升至的大地，表面突然升至37。. . 1小时后地表面下小时后地表面下0.05m处的温度？处的温度？. . 0
11、，t与与t,2t内单位面积传热量之比。内单位面积传热量之比。已知：大地已知：大地 a = 4.6510 -7 m2/s。. . WWTTerfTTT 0o0.61217.4 C查表查表. .xat 0.6141.2.3 费克扩散定律费克扩散定律dydCDJAABAydydCA 3kmol mmdydDjAABAyJAy : 扩散通量扩散通量 kmol /m 2. .s若浓度用若浓度用A 表示表示DAB : 扩散系数扩散系数 m 2/s: 浓度梯度浓度梯度 冰冻的湖面融化，水中冰冻的湖面融化，水中的氧含量随时间，沿深度变的氧含量随时间，沿深度变化。化。 AAWAAWCCerfCC 0AByDt
12、4式中：式中：查误差函数表得查误差函数表得已知：已知：CA0 = 3.0 10-5 kmol/m3， CAW = 3.06 10-4 kmol/m3，DAB = 1.58 10-9 m 2/s。求：三天后，离湖面求：三天后，离湖面0.06m深处的氧浓度。深处的氧浓度。 将湖水简化为半无限大平壁，将湖水简化为半无限大平壁，氧扩散为非氧扩散为非定常分子扩散。定常分子扩散。 erf 0.9633 1.48氧浓度为氧浓度为AC -534.01 10 kmol/m解：解： 在药粒外包覆一层薄膜在药粒外包覆一层薄膜, 药物以分子扩散方式通过薄膜药物以分子扩散方式通过薄膜,实现缓释作用。实现缓释作用。AAA
13、rArrdCCJMdr 0根据质量守恒原理根据质量守恒原理 ArArArrJrdrJdJ 2244忽略高阶小量，得忽略高阶小量，得ArArdJJdrr 2（CA0、CAW 恒定）恒定）积分积分ArCJr 12AArABdCJDdr AABdCCDdrr 12再积分再积分ACCCr 12代代费克定律费克定律得得边界条件边界条件薄膜内浓度分布薄膜内浓度分布AAAAWrr ,CCrr,CC 000AAAWArCCrrCCr 0000011缓释速率缓释速率 AArr rAABr rABAAWMrJdCrDdrDCCrr 00202000044211缓释速率的控制缓释速率的控制 药粒浓度药粒浓度CA0，
14、薄膜材料，薄膜材料DAB，薄膜厚度，薄膜厚度。7.缓释化肥和缓释农药有何优点缓释化肥和缓释农药有何优点。如何控制其。如何控制其缓释缓释速率。速率。费克分子扩散定律费克分子扩散定律傅立叶导热定律傅立叶导热定律xdTqkdx xyxdudy 牛顿粘性定律牛顿粘性定律AAyABdjDdy xxxyxdudududydydy 2kg m/sms 2m/s 3kg m/sm粘性系数粘性系数 动量浓度动量浓度 PPyPdC TdC TdTkqkadyCdydy 热量通量热量通量 2Jms 2m /s 3Jm导温系数导温系数 热量浓度热量浓度动量通量动量通量AAyABdjDdy 2kgms 2m /s 3k
15、gm扩散系数扩散系数 质量浓度质量浓度质量通量质量通量 动动 量量动动 量量动动 量量热热 量量通通 量量 = = 热热 量量系系 数数 热热 量量浓浓 度度 梯梯 度度质质 量量质质 量量质质 量量浓浓度度梯梯度度推推动动力力传传递递通通量量 = = =阻阻力力扩扩散散系系数数1xTTQkA 01平壁平壁玻璃玻璃的导热速率的导热速率缓释药片的扩散速率缓释药片的扩散速率AAWAABCCMDrr 0001112UDhA 平板间流动阻力平板间流动阻力传递现象的本质传递现象的本质三传之间的三传之间的类似类似，对传递现象的研究奠定了基础。，对传递现象的研究奠定了基础。分子热运动分子热运动碰撞碰撞交换交
16、换完成传递完成传递 AAWAAWCCerfCC 0AByDt 4式中：式中： WWTTerfTT 0yt 4a式中：式中：动量传递中类似的现象？动量传递中类似的现象？8.平板间流体流动与传热、传质中何种现象类似？平板间流体流动与传热、传质中何种现象类似？9.平壁传热与传质中何种现象类似？平壁传热与传质中何种现象类似？hchcTTQh AkAh A 11xuUh y生生成成速速率率特特征征量量输输出出速速率率特特征征量量输输入入速速率率特特征征量量变变化化速速率率特特征征量量确定对象及范围：确定对象及范围：控制面控制面 控制体控制体流体在管道内流动流体在管道内流动进：进：W1=1 U1 A1 出
17、：出：W2=2 U2 A2dMU AU Adt 111222dMdt累积：累积：生成：生成：R = 0根据质量守恒原理根据质量守恒原理不可压流体不可压流体1 =2 U1 A1 = U2 A2 dMdt 0对定常对定常 高位槽加料时，若出料和进料高位槽加料时，若出料和进料速度恒定，求槽内液位上升速度。速度恒定，求槽内液位上升速度。解：解：根据质量守恒原理根据质量守恒原理 dA hU AU AdtAAdhUUUdtAA 011221201200 不调节出料阀不调节出料阀K2，U2是否能保持恒定？是否能保持恒定？1.推导连续性方程推导连续性方程yzxuuuxyz 0理想流体流动的机械能守恒式理想流体
18、流动的机械能守恒式:Upgz 212常常 数数UP 212常常数数动能动能 静压能静压能 位能位能 (单位体积单位体积)一维流动一维流动 无换热无换热 无外功无外功 无支流无支流 定常定常 不可压不可压同一水平面上同一水平面上：三种能量之间可以相互三种能量之间可以相互转换转换，但总和，但总和不变不变。 课外链接课外链接 欧拉方程欧拉方程 参考书：戴干策参考书：戴干策、陈敏恒编著，陈敏恒编著，化工流体力学化工流体力学 化学工业出版社，化学工业出版社，19881988，P148-152P148-152 沿流线积分沿流线积分 无旋条件下积分无旋条件下积分 伯努利方程伯努利方程（同一根流线上）（同一根
19、流线上） 伯努利方程伯努利方程（不同流线之间）（不同流线之间）原理：伯努利方程原理：伯努利方程 控制面：控制面：ABUpgzUpgz 221112221122U2g h hU pg hhUp2021012问题：问题： h ，U ？Ug h 2Cppgh 0220下下饱和水蒸汽压强：饱和水蒸汽压强：2334Pa解：应用伯努利方程解：应用伯努利方程UpUp 22112211+22LppgRgR 12LgVRAA 22212111已知：流体流经如图管道，密度已知：流体流经如图管道，密度；指示液密度；指示液密度L L。不计阻力损。不计阻力损失，求：失，求：V = f（R）。LUUgR 22211()(
20、)2VU AU A 1122 嘴靠近嘴靠近 嘴远离嘴远离Up 212常常 数数水冲真空泵（水老鼠）水冲真空泵（水老鼠）2.你了解座便器的抽吸原理吗？你了解座便器的抽吸原理吗？3.当列车进站时，为什么要站在安全线后？当列车进站时，为什么要站在安全线后？Ftm um u 21FWUWU 21牛顿第二定律：牛顿第二定律：对定常管流：对定常管流：矢量式可用矢量式可用x，y，z 方向的分量式计算。方向的分量式计算。F包括压力包括压力FP、摩擦力、摩擦力Ff 、重力、重力Fg、其它外力、其它外力FR。xxxyyyzzzFWUWUFWUWUFWUWU 212121现象问题现象问题 旋转飞盘能在空中平行飞行旋
21、转飞盘能在空中平行飞行物理模型物理模型数学模型数学模型控制体控制体动量守恒定律动量守恒定律FWUWU 21下面气体：下面气体：上面气体：上面气体：解析结果解析结果 yyyyFWUWUWUWUFFWU 2110 yFWUWUW UUFW UU 2飞盘受力：飞盘受力：yFFFGWUG 21问题：固定喷嘴所需的力问题：固定喷嘴所需的力xRFP AF 11xWUWUWU 21()动量变化率：动量变化率：合力：合力：解：选控制体，以解：选控制体，以表压表压计。计。固定喷嘴所需的力：固定喷嘴所需的力： RFWUUP A 21114.水以水以2m/s的的流速从直径为流速从直径为10cm的圆管中流出，的圆管中
22、流出，垂直射向对面的容器平壁，求水流垂直射向对面的容器平壁，求水流对对容器壁容器壁的的冲击力。冲击力。5.用软管浇水时，一不小心滑落，水管会安静用软管浇水时，一不小心滑落，水管会安静地躺在地上吗？地躺在地上吗？ 层流层流 湍流湍流分子传递分子传递 抛物面抛物面 涡流传递涡流传递 对数对数雷诺试验雷诺试验maxUu1=2maxUu 0.8流动状态的判别流动状态的判别雷诺数雷诺数ReRe 流流体体密密度度特特征征尺尺度度特特征征速速度度流流体体粘粘度度DUDURe 判据：判据：对圆管流动：对圆管流动： Re 2100 层流层流 稳定稳定2100 Re 10000 湍流湍流 稳定稳定临界雷诺数临界雷
23、诺数Rexc=2100Re数的物理含义：数的物理含义：Re 惯惯性性力力粘粘性性力力322/UMaLLUL U 惯惯性性力力 dUUAALL UdyL 2粘粘性性力力LUL UReL U 22惯惯性性力力粘粘性性力力3.2.1 管内层流速度分布管内层流速度分布抛物线分布抛物线分布zruUR 22213.2.2 管道沿程阻力管道沿程阻力压降压降LpUD 212Re 64摩擦阻力系数摩擦阻力系数 zLFpprdrrLdrdr L 0222动量变化率：动量变化率：动量守恒：动量守恒：薄壳圆环微元控制体薄壳圆环微元控制体 zWu 0合力：合力：LppdrdrL 03.2.1 管内层流速度分布管内层流速
24、度分布抛物线分布抛物线分布 Ld rpp1rdrL 0LpprrCL 20112rC 10,0= 0LpprL 012 积分：积分：边界条件：边界条件：牛顿流体：牛顿流体：zdudr zLrRuppCRL 202,014 积分：积分：边界条件：边界条件：zLdupprdrL 012LzppurCL 20214 LzppuRrL 22014 速度分布：速度分布：LzAppRVudAL 408 流量：流量：zruUR2221LppVRUAL 208 平均速度：平均速度： 速度分布：速度分布： LzppuRrL 22014 速度分布：速度分布： 家用燃气热水器因煤气压力较小致使水温偏低，家用燃气热水
25、器因煤气压力较小致使水温偏低，若将原有若将原有1/2英寸英寸( (内径内径 15.75mm) )的的煤气管道用煤气管道用3/4英寸英寸( (内径内径 21.25mm) )管道替换。管道替换。试求：两种管道的流率之比。试求：两种管道的流率之比。VRVR422113.3解：设流动为层流解：设流动为层流LppRVL 4081.管内层流截面上最大速度在何处？最大速度与截管内层流截面上最大速度在何处？最大速度与截面平均速度的比值面平均速度的比值？2. 奥氏粘度计和乌氏粘度计测量粘度的原理？使用奥氏粘度计和乌氏粘度计测量粘度的原理？使用中应注意哪些问题中应注意哪些问题？3.2.2 管道沿程阻力管道沿程阻力
26、压降压降LpUD 212Re 64摩擦阻力系数摩擦阻力系数zzWrRduupdr zzzWrRrRdudurUUuURdrRdrR 224421 LWppDDL 2014LWLULLpppUDDRe D 2024326412示踪法示踪法光学法光学法激光测速仪激光测速仪 热丝热丝( (膜膜) )流速仪流速仪 毕托管测速毕托管测速 粒子成像测速仪粒子成像测速仪PIV 物理方程量纲和谐物理方程量纲和谐 基本量纲基本量纲导出量纲导出量纲质量质量M、长度、长度L、时间、时间T 、温度、温度K速度速度LT-1、粘度、粘度ML-1T-1、力、力MLT-2等等无量纲数无量纲数 DURe 雷诺数雷诺数hLNuk
27、 努塞尔数努塞尔数等等考察对象：牛顿流体在长直光滑水平圆管考察对象：牛顿流体在长直光滑水平圆管 中作定常层流流动。中作定常层流流动。求解问题：管流压降变化规律。求解问题：管流压降变化规律。解决方案：解决方案： 管流压降与相关变量的函数关系；管流压降与相关变量的函数关系； 管流压降无量纲数的函数关系。管流压降无量纲数的函数关系。 p 选择影响过程的物理量选择影响过程的物理量沿程压降沿程压降理论推导理论推导 L D U 密度密度 粘度粘度 管长管长 管径管径 流速流速2222164216421UDLUDUDLReUDLp pf,L,D,U 管流压降与相关变量的函数关系管流压降与相关变量的函数关系
28、pfpfpf Lpf Dpf U 12345 采用控制变量法（即只改变一个变量，其它变量采用控制变量法（即只改变一个变量，其它变量保持常数），上式分解为保持常数），上式分解为 实验求得函数关系实验求得函数关系需要注意：以上实验结果是针对某一特定的管道系统需要注意：以上实验结果是针对某一特定的管道系统 管流压降无量纲数的函数关系管流压降无量纲数的函数关系 pf,L,D,U 幂指数形式幂指数形式 abcdefpL D U 常常数数量纲形式量纲形式（基本量纲：质量基本量纲：质量 M 、长度、长度 L 、时间、时间 T ） aaabbcccdeff-2-3-M L TM LM L TLL L T=无无
29、量量纲纲a+b+cab c+d+e+ fa c f- -3 -2 - -MLT=无无量量纲纲abcab cdefacf 03020bacecdf2ac 描述一个物理过程的物理量有描述一个物理过程的物理量有n个个(x1，x2xn)其中如含其中如含m个基本量纲，则该过程可由个基本量纲，则该过程可由N=n-m个个无量纲数（无量纲数（ ）进行描述）进行描述 nfx ,xx 120 n-mF, 120确定确定a、c、d，则则 aa ccdc da cpL DU 2常常数数acdpDULUD 2常常数数欧拉数欧拉数 雷诺数雷诺数 长径比长径比p DDUfUL 2通过实验求函数关系通过实验求函数关系 对牛顿
30、流体在长直光滑水平圆管中作定常层流流对牛顿流体在长直光滑水平圆管中作定常层流流动的系统，上图的结果皆适用。动的系统，上图的结果皆适用。压降与长度成正比，有压降与长度成正比，有da 定义定义LpUD 212DURe 6464pD =LU2-12摩擦阻力系数摩擦阻力系数对数坐标对数坐标DUf 3.如何利用如何利用毕托管测量圆管内流体流量毕托管测量圆管内流体流量？毕托管测速毕托管测速安装需注意哪些问题？安装需注意哪些问题？ 4.用量纲分析法决定雨滴从静止云层中降落的终端速用量纲分析法决定雨滴从静止云层中降落的终端速度度ut的无量纲数。考虑影响雨滴行为的变量有：雨滴的无量纲数。考虑影响雨滴行为的变量有
31、：雨滴的半径的半径r，空气的密度，空气的密度空气空气和粘度和粘度，还有重力加速度，还有重力加速度g，表面张力表面张力可忽略。可忽略。毕托管测速毕托管测速 3.4.2 时均模型时均模型xxxuuu ttxxtuu dtt 13.4.1 湍流湍流特性特性. 脉动性脉动性 . 有旋性有旋性 .扩散性扩散性. 间歇性间歇性 . 拟序性拟序性 耗能性耗能性湍流混合层中的涡结构湍流混合层中的涡结构 脉动值脉动值 时均值，仅时均值，仅 几几% 。但频率极高，几百次但频率极高，几百次/s/s。脉动产生。脉动产生的附加应力的附加应力t t L L 粘性应力。粘性应力。对脉动对脉动u 用统计方法描述用统计方法描述
32、对时均对时均用唯象理论描述用唯象理论描述湍流强度湍流强度相关系数相关系数湍流尺度湍流尺度雷诺应力雷诺应力涡流粘度模型涡流粘度模型混合长模型混合长模型_iiuIu 2 _xx_xxu uR yuu 122212 LR y dy 0u_tyxxyu u txyxedudy txyxduldy 22湍流场总剪切应力：湍流场总剪切应力：ltxxyxyxyxduduldydy2xxxuuu 通用速度分布：通用速度分布： y+5 ： u+ = y+5 y+30 ： u+ = 2.5 ln y+ + 5.53.4.3 壁面湍流速度分布壁面湍流速度分布wx*uu yu,u,yu wUf 212 fReRe 1
33、-640.0794000 2100wU f 2210.17N/m2解：解：f = 0.079 Re -1/4=7.8010 -3 湍流湍流若水以平均流速若水以平均流速0.21m/s，在直径为，在直径为50mm的圆管中作湍的圆管中作湍流流动。已知：流流动。已知：=1.005103Pa.s，=1000kg/m3 。试求：试求：U/umax=？w*u 0.013m/sy=25mm ， ux = umax*yuy 323 30u+ =2.5 ln y+ +5.5=19.94ux = umax = u+u* =0.259m/s U/umax= 0.21/0.2590.8shDUf,D 对粗糙管对粗糙管L
34、pUD 212ReRe 14-60.3164400010布拉休斯经验阻力定律布拉休斯经验阻力定律5.房地产开发使某地区居住人口增加，生活用水量增大，房地产开发使某地区居住人口增加，生活用水量增大，需更换原有主供水管道。若用水量增加十倍，水管道管需更换原有主供水管道。若用水量增加十倍，水管道管径应增加几倍？径应增加几倍？6.油轮卸油油轮卸油，油品密度油品密度800kg/m3、粘度、粘度0.75cP，输油管道，输油管道内径内径0.3m。若使流量达到。若使流量达到3000m3/h，求长，求长400m 管道的压管道的压降降？1904年，普朗特提出年，普朗特提出“边界层边界层”概念概念 流体区域以流体区
35、域以99%U 作为边界，内层区为粘性流体作为边界，内层区为粘性流体ux，外层区为理想流体，外层区为理想流体U。. 慢：边界层内慢：边界层内 ux U0 ，壁面，壁面 ux = 0 。dydux. 陡：陡： 很大。很大。. 增：增：x，。. 薄：薄： xc时，层流时，层流湍流。湍流。xxRe 4.64FLDBLURe 21.29212xxRe 50.37FLDBLURe 250.07212层流层流湍流湍流临界雷诺数临界雷诺数Rexc=5 105管内流动状态与边界层发展的关系：管内流动状态与边界层发展的关系：层流：层流：Le100D 湍流：湍流：Le50D 层流汇交，层流层流汇交，层流 湍流汇交，
36、湍流湍流汇交，湍流进口段：沿流动方向进口段：沿流动方向 ux 分布变化，中心速度加速，分布变化，中心速度加速，边界层厚度增加直至交汇。边界层厚度增加直至交汇。边界层分离条件边界层分离条件层流边界层分离层流边界层分离湍流边界层分离湍流边界层分离失速失速xydudy 00 摩擦阻力摩擦阻力 DF ；与接触面有关。与接触面有关。 p 压差（形体）阻力压差（形体）阻力 Dp；与形状有关。；与形状有关。两者相对大小取决于：两者相对大小取决于：定义：定义：DD ACU 212DCRe 24A 迎流投影面迎流投影面绕球爬流（绕球爬流（Re 层流、强制对流层流、强制对流 自然对流、相变自然对流、相变 无相无相
37、变变Q = q A =hA（TW - - Tf） 流体相对于固体作宏观运动时，流体相对于固体作宏观运动时，引起微团尺度上的热量传递。引起微团尺度上的热量传递。TqC 40100: 黑度，由实验测得，其值为黑度，由实验测得，其值为01C0: 黑体辐射系数，其值为黑体辐射系数，其值为5.67 W/m2K4T: 绝对温度绝对温度 K防热辐射套装防热辐射套装工业上常见的圆管加热方式有两种：工业上常见的圆管加热方式有两种：. . 恒壁温（夹套蒸气加热）恒壁温（夹套蒸气加热）TW=常数常数. . 恒热流（电加热）恒热流（电加热）qW=常数常数截面平均温度截面平均温度Tb 随随 z的变化如下图：的变化如下图
38、：截面的温度分布截面的温度分布T 决定换热效果决定换热效果 在在 dz 段上壁面处的导热速率应等于流体和壁段上壁面处的导热速率应等于流体和壁面之间的对流换热速率。面之间的对流换热速率。壁面处导热速率：壁面处导热速率：r RTQkRdzr 2对流换热速率：对流换热速率：Q=h 2Rdz(TW-Tb)WbrRTh(TT )kr 问题探讨问题探讨 圆管层流换热圆管层流换热细管好细管好,还是粗管好还是粗管好?对圆管层流换热对圆管层流换热恒恒 TW：Nu=3.66恒恒 qW：Nu=4.36WWbrRTThkrTT 定义努塞尔数定义努塞尔数hDNuk 管壳式换热器管壳式换热器板式换热器板式换热器工程上：工
39、程上：Q = KAT式中：式中：K 称传热系数称传热系数强化传热途径：强化传热途径：增大增大 A，提高提高T，强化强化 K。hcnihhinccTTQh Ak Ah A 111nihhincc1KAh Ak Ah A 111静态混合器静态混合器盘管加热器盘管加热器1.制皂生产中需通过加热减压蒸发将皂基中的多余制皂生产中需通过加热减压蒸发将皂基中的多余水份除去水份除去。生产过程中，发现。生产过程中，发现减压蒸发器出口皂基减压蒸发器出口皂基含水率升高。检查含水率升高。检查换热器，蒸汽温度不变，换热器，蒸汽温度不变，皂基流皂基流量和进口温度不变，只是量和进口温度不变，只是出口温度降低。技术员怀出口温
40、度降低。技术员怀疑是管内的传热系数变化所致。你认为呢？疑是管内的传热系数变化所致。你认为呢？类似流动边界层，以类似流动边界层，以T-TW=99%（T0-TW）为界线。为界线。芯片冷却速率芯片冷却速率热边界层厚度热边界层厚度湍流湍流TPr -1 3LLkhR ePrL 1 21 30.664层流层流分分子子热热量量扩扩散散分分子子动动量量扩扩散散aPr LLkhRePrL 41530.03658532.用传热边界层分析圆管热进口段特点。并与流用传热边界层分析圆管热进口段特点。并与流动进口段对比。动进口段对比。3. 图示圆管局部传热系数随图示圆管局部传热系数随z变化关系，讨论其变化关系，讨论其规律
41、。规律。层流边界层发展，层流边界层发展，T ， h ；至约；至约81处，边界层分处，边界层分离，离， h ；原因是旋涡冲刷表；原因是旋涡冲刷表面。面。先是层流边界层发展先是层流边界层发展, , T , h ；层流层流湍流，湍流， h ,而后湍流边界层发展而后湍流边界层发展, ,T , h ；至约至约130处，湍流边界处，湍流边界层分离，又促使层分离，又促使h 。h 随随的变化的变化VkABih 1内内部部导导热热热热阻阻外外部部对对流流热热阻阻毕奥数毕奥数 Bi 0.1 反应器中的球形催化反应器中的球形催化剂颗粒体积剂颗粒体积V，表面积，表面积A，初始温度初始温度T0，通入温度为，通入温度为T
42、f 的热气流，颗粒温度将的热气流，颗粒温度将随时间升高。随时间升高。简化：忽略颗粒内部导热热阻，集总参数法。简化：忽略颗粒内部导热热阻，集总参数法。（1） 传热原理传热原理T 时刻通过对流换热，颗粒的加热量时刻通过对流换热，颗粒的加热量 Q1=hA（Tf - T）PdTQ = C Vdt2fPdThA TTC Vdt ()ffT TtfTTfPd TThAdtTTC V 00()颗粒的热量变化率颗粒的热量变化率能量守恒能量守恒 Q1= Q2 PhAtfC VfTTeTT 0温度随时间变化关系温度随时间变化关系（2） 远程实验远程实验 控制界面控制界面http:/202.120.96.135 实
43、验视频实验视频http:/202.120.96.135:86PhAtfC VfTTeTT 0ffPTThAlntTTC V 0小球温度随时间的变化关系小球温度随时间的变化关系数据处理数据处理（3） 实验结果讨论实验结果讨论自然对流自然对流强制对流强制对流流化床流化床固定床固定床单个颗粒单个颗粒颗粒群颗粒群对对Pr=1的流体的流体对流传热系数与相关变量的函数关系对流传热系数与相关变量的函数关系 hf,k ,d ,U hf U 采用控制变量法，只改变采用控制变量法，只改变U，其它变量保持常数，其它变量保持常数，上式为上式为 通过实验得函数关系通过实验得函数关系需要注意：以上实验结果是针对某一特定的
44、系统，换需要注意：以上实验结果是针对某一特定的系统，换作其它流体或颗粒就不适用了。作其它流体或颗粒就不适用了。无量纲数的函数关系无量纲数的函数关系hdUdfk 通过实验得函数关系通过实验得函数关系 对气体（对气体（20Re 180000） NufRe NuRe 0.60.37对对Pr1的流体的流体NuRePr 130.60.37单个颗粒与颗粒群的传热对比单个颗粒与颗粒群的传热对比强制对流强制对流固定床固定床4.影响小球影响小球对流传热系数的相关变量有对流传热系数的相关变量有 NufRe hf,k ,d ,U 5.热电偶支架是不锈钢管，用焊接将热电偶支架是不锈钢管，用焊接将其与小球连接，试分析对
45、实验结果有其与小球连接，试分析对实验结果有何影响。何影响。用量纲分析法导出用量纲分析法导出 5.1 质量与热量传递类似质量与热量传递类似对流传递对流传递分子传递分子传递 对流传质模型对流传质模型 牛顿冷却定律牛顿冷却定律NA=k( CAW - CAf ) q =h( TW - Tf )费克分子扩散定律费克分子扩散定律傅立叶导热定律傅立叶导热定律xdTqkdx AAyABdjDdy 恒恒CAW Sh=3.66 恒恒TW Nu=3.66恒恒NAW Sh=4.36 恒恒qW Nu=4.36 圆管层流圆管层流许密特数许密特数ABScD Pra cSc 1 3TPr 1 3Shx=0.323Rex1/2
46、Sc1/3 Nux=0.323Rex1/2Pr1/3普朗特数普朗特数平板边界层平板边界层cABk DShD hDNuk 休伍德数休伍德数努塞尔数努塞尔数5.2 对流传质对流传质 对流传质模型对流传质模型 NA=k( CAW - CAf )式中：式中：k为为 对流传质系数对流传质系数 m/s ，通常由实验测定。通常由实验测定。扩散和对流总是同时发生？扩散和对流总是同时发生？填料吸收塔填料吸收塔酸雾喷淋塔酸雾喷淋塔 AAAAAxiyiNkxxkyy 理论发展：溶质渗透、表面更新、涡旋模型理论发展：溶质渗透、表面更新、涡旋模型溶质极易溶解于液相，为气膜控制系统。溶质极易溶解于液相，为气膜控制系统。溶质极难溶解于液相，为液膜控制系统。溶质极难溶解于液相，为液膜控制系统。海水淡化海水淡化人工肾人工肾反渗透脱盐反渗透脱盐平壁上层流时无因次浓度分布。平壁上层流时无因次浓度分布。 5.3 质量、热量、动质量、热量、动量传递现象的类似，量传递现象的类似，有何启迪？有何启迪？
