1、动量、热量、质量传输原理动量、热量、质量传输原理高家锐高家锐 研究传输现象基本原理的一门学科。研究传输现象基本原理的一门学科。 传输现象是流体的动力过程、传热过程和物质传递过程传输现象是流体的动力过程、传热过程和物质传递过程的统称。也称的统称。也称动量、热量及质量传递过程动量、热量及质量传递过程。 这三种传输过程是作为三门独立的学科这三种传输过程是作为三门独立的学科流体力学、传流体力学、传热学和传质学热学和传质学 这三种传输过程之间存在着类似性，并且一个现象中常这三种传输过程之间存在着类似性，并且一个现象中常常同时包括有两种甚至三种传递过程。因此传输原理作常同时包括有两种甚至三种传递过程。因此
2、传输原理作为研究这三种传递过程的基本原理的学科便独立的发展为研究这三种传递过程的基本原理的学科便独立的发展起来，至今已经成为工程学科的专业基础课。起来，至今已经成为工程学科的专业基础课。一 、 研 究 对一 、 研 究 对象象前前 言言二二 传输原理课程的重要性传输原理课程的重要性传输现象在工业生产过程中十分普遍。传输现象在工业生产过程中十分普遍。例如水泥窑炉中所发生的一系列物理化学变化均与流体流动、例如水泥窑炉中所发生的一系列物理化学变化均与流体流动、热量传递和质量传递过程有关，有时甚至成为物理化学变化的热量传递和质量传递过程有关，有时甚至成为物理化学变化的限制性环节。因此，传输原理是工程专
3、业重要的课程。限制性环节。因此，传输原理是工程专业重要的课程。如何应用传输原理解决工业生产的实际问题则属于应用问题，如何应用传输原理解决工业生产的实际问题则属于应用问题，不在本课程的范围内。不在本课程的范围内。第一篇第一篇 动量传输流体力学动量传输流体力学第二篇第二篇 热量传输传热学热量传输传热学第三篇第三篇 质量传输传质学质量传输传质学 三三.如何学好本课程如何学好本课程学习中既要掌握数学方法，又要理解数学符号所代表学习中既要掌握数学方法，又要理解数学符号所代表的物理意义；的物理意义；提问、交流；提问、交流；认真独立完成课外作业；认真独立完成课外作业；学会运用参考资料；学会运用参考资料；在后
4、继课程和将来的工作实践中学习。在后继课程和将来的工作实践中学习。1 1 黄卫星、陈文梅主编，工程流体力学，北京：化学工业出版社，黄卫星、陈文梅主编，工程流体力学，北京：化学工业出版社，200120012 2 胡敏良主编，流体力学，武汉：武汉工业大学出版社，胡敏良主编，流体力学，武汉：武汉工业大学出版社，200020003 3 朱一锟主编，流体力学基础，北京：北京航空航天大学，朱一锟主编，流体力学基础，北京：北京航空航天大学，1990 1990 4 J.R.4 J.R.威尔特等著、李为正等译，动量、热量、质量传递原理，北京：国防工业出版威尔特等著、李为正等译，动量、热量、质量传递原理，北京：国防
5、工业出版社，社，198419845 5 沈颐身等，冶金传输原理基础，北京：冶金工业出版社，沈颐身等，冶金传输原理基础，北京：冶金工业出版社，200220026 6 徐重光、徐华编译，流体力学解题指南，杭州：浙江大学出版社，徐重光、徐华编译，流体力学解题指南，杭州：浙江大学出版社，198719877 7 张先焯主编，冶金传输原理，北京：冶金工业出版社，张先焯主编，冶金传输原理，北京：冶金工业出版社，198819888 8 杨世铭杨世铭, , 传热学传热学, , 西安西安: : 西安交通大学出版社西安交通大学出版社. .参考书目参考书目第一篇第一篇 动量传输动量传输引引 言言动量传输是研究流体在外
6、界作用下运动规律的科学，动量传输是研究流体在外界作用下运动规律的科学，即：流体力学。即：流体力学。牛顿第二定律：牛顿第二定律：tmuF/之所以称之为动量传输，是因为从传输的观点看，它与之所以称之为动量传输，是因为从传输的观点看，它与热量传输和质量传输在机理、过程、物理数学模型方面热量传输和质量传输在机理、过程、物理数学模型方面具有类比性和统一性。用动量传输的观点讨论流体流动具有类比性和统一性。用动量传输的观点讨论流体流动问题，可以揭示三传现象类似的本质和内涵。问题，可以揭示三传现象类似的本质和内涵。第一章第一章 动量传输的基本概念动量传输的基本概念1.1 流体的特性流体的特性流体流体能够流动的
7、物体，包括气体和液体，与之相对的为能够流动的物体，包括气体和液体，与之相对的为固体。固体。特点：特点：流体的分子平均间距较大，排列松散，分子间的引力较小流体的分子平均间距较大，排列松散，分子间的引力较小而运动强烈。而运动强烈。不能抵抗无论多么小的拉力和剪切力。不能抵抗无论多么小的拉力和剪切力。FF 气体分子间距远大于液体，气体分子的自由运动会使气体分子间距远大于液体，气体分子的自由运动会使气体充满整个容器空间；液体分子间引力较大，会使气体充满整个容器空间；液体分子间引力较大，会使自身表面面积收缩到最小。自身表面面积收缩到最小。 液体为不可压缩流体，气体为可压缩流体。液体为不可压缩流体，气体为可
8、压缩流体。气体和液体的区别气体和液体的区别1.2 流体的密度和重度流体的密度和重度30/ limmkg dVdmVmv密度：密度：3/ mkgVm对于匀质流体：对于匀质流体：比容：比容：13/ mNg VmgVG重度：重度：1.3 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性压缩性：压缩性：流体体积随作用在其上的压力增加而减少的性质。流体体积随作用在其上的压力增加而减少的性质。膨胀性：膨胀性：流体体积随温度增加而增大的性质。流体体积随温度增加而增大的性质。可压缩与不可压缩的概念：可压缩与不可压缩的概念：原则上讲，任何流体均是可压缩性的，但液体压缩性小，原则上讲，任何流体均是可压缩性的，但液体压缩性
9、小，故工程上将其视为不可压缩流体；气体是否可压缩需根据研故工程上将其视为不可压缩流体；气体是否可压缩需根据研究的需要及实际情况而确定，当流速较低，压力变化较小时究的需要及实际情况而确定，当流速较低，压力变化较小时可视为不可压缩流体。可视为不可压缩流体。不可压缩流体的密度为常数不可压缩流体的密度为常数，能使工程计算大为简化。，能使工程计算大为简化。21212211PPPP或 等温压缩等温压缩:)1 ()(012122112tTTTTt或或 恒压膨胀恒压膨胀:KKKPPPP121212211)(或 绝热条件下绝热条件下:对一般的气体有：对一般的气体有：RTP气体的状态方程气体的状态方程式中，式中，
10、R气体常数，气体常数，N m/kg K式中，式中，2731为气体的膨胀系数为气体的膨胀系数vpccK 为气体的绝热指数为气体的绝热指数 重力重力 惯性力惯性力1.4 作用力、能量、动量作用力、能量、动量(1) 作用力作用力 表面力表面力: 作用在流体表面与表面积成正比的力作用在流体表面与表面积成正比的力,是分子运动的结果。是分子运动的结果。 静压力：静压力：(流体流动及静止时均存在流体流动及静止时均存在)是分子与壁面的碰撞作用。是分子与壁面的碰撞作用。特点：方向由外向里，与作用面垂直；在各个方向相等且与方向无关。特点：方向由外向里，与作用面垂直；在各个方向相等且与方向无关。 粘性切应力：由于粘
11、性而产生的阻止流体流动的力。粘性切应力：由于粘性而产生的阻止流体流动的力。特点：速度不同而引起，在静止时表现不出来，作用方向与作用面平行。特点：速度不同而引起，在静止时表现不出来，作用方向与作用面平行。 体积力体积力(质量力质量力)：作用在流体整个体积上，与体积成正比的力。作用在流体整个体积上，与体积成正比的力。(3) 动量动量 (mu)(2) 能量能量 势能势能(位能位能)：E=mgh 动能：动能：E=mu2/2 静能静能(压力能压力能)：E=PV流体所具有的能量，有：流体所具有的能量，有：tmmm232动量能量力 流体的动量传输也就是力能的平衡与转换过程流体的动量传输也就是力能的平衡与转换
12、过程 重力重力mg作用力：作用力： 惯性力惯性力ma N 总压力总压力 PA 位能位能 mh能量：能量： 动能动能 1/2mu2 N.m=J 压力能压力能PV动量：动量：mu kg.m/s232/mssmkgmmNmN比较三者单位比较三者单位: : 本章小结本章小结 流体的概念和特征流体的概念和特征 流体的密度和重度流体的密度和重度 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 作用力、能量、动量作用力、能量、动量第二章第二章 流体流动的基本特征流体流动的基本特征2.1 流体流动的起因流体流动的起因 自然流动自然流动：由流体内部密度：由流体内部密度( (温度温度) )不均产生浮力而引不均产生浮力而
13、引起的流动。起的流动。 强制流动强制流动：在封闭体系内：在封闭体系内由外力由外力(如：泵、风机、水如：泵、风机、水压头压头)作用所产生的流动作用所产生的流动2.2 连续介质及质点连续介质及质点在研究动量传输时，取什么为研究对象呢？在研究动量传输时，取什么为研究对象呢？ 流体是由分子所组成，分子间有间隙，故从微观上流体是由分子所组成，分子间有间隙，故从微观上看，流体不是连续分布的，但动量传输不研究微观分子看，流体不是连续分布的，但动量传输不研究微观分子运动，只研究宏观运动，故将流体视为连续介质运动，只研究宏观运动，故将流体视为连续介质连续连续不断的，内部不存在间隙的介质。不断的，内部不存在间隙的
14、介质。u 欧 拉（L.Euler，17071783） 经典流体力学的奠基人，1755年发表流体运动的一般原理，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程。MVCPMCVVMVC连续介质VVMCVV lim在连续介质条件下，在连续介质条件下，点的密度：点的密度：连续介质连续介质失效情况失效情况: 稀薄气体稀薄气体(120km高空高空,空气分子的自由行程达到空气分子的自由行程达到1.3m) 激波激波(厚度与气体分子平均自由程同一量级厚度与气体分子平均自由程同一量级) 连续介质连续介质不考虑流体内部的分子结构及分子的运动问不考虑流体内部的分子结构及分子的运动问题，仅以宏观
15、的微小体积内分子势态的统计平均参量来表题，仅以宏观的微小体积内分子势态的统计平均参量来表征流体的运动特性。征流体的运动特性。 表征流体属性的物理量，如密度、速度、压力、温度等，表征流体属性的物理量，如密度、速度、压力、温度等，均可视为空间坐标的连续函数。均可视为空间坐标的连续函数。质质 点点质点：质点：连续介质的基本组成单元，其体积为连续介质的基本组成单元，其体积为 VC因此，在同一质点上，表征流体运动的各物理量参量因此，在同一质点上，表征流体运动的各物理量参量是相同的，无数连续分布的流体质点即构成作为连续是相同的，无数连续分布的流体质点即构成作为连续介质的流体。介质的流体。 1mm3 体积体
16、积 水水: 3.3 1019 个分子个分子 空气空气: 2.7 1016个分子个分子 10-10mm3 体积空气体积空气: 2.7 106个分子个分子大小：大小：一个质点包含无数个分子一个质点包含无数个分子质点：微观充分大，宏观充分小2.3(3.1) 流体的粘性及牛顿粘性定律流体的粘性及牛顿粘性定律流体的粘性流体的粘性 粘性粘性：流体内在的阻滞流体流动或变形的性质。：流体内在的阻滞流体流动或变形的性质。 粘性力粘性力：由于粘性而产生的阻滞流体流动的力。：由于粘性而产生的阻滞流体流动的力。 粘性是分子内聚力和流层间分子热运动所引起的动量粘性是分子内聚力和流层间分子热运动所引起的动量传递的表现，是
17、流体的固有性质。传递的表现，是流体的固有性质。牛顿粘性定律牛顿粘性定律16861686年牛顿在年牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中假设：中假设：“流体流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比”。18411841年，该假说由普阿节尔通过实验验证。年，该假说由普阿节尔通过实验验证。牛顿（Isaac.Newton，1642-1727) 英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。牛顿的成就，恩格斯在英国状况十八世纪中概括得最为完整：牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，
18、由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。Hu0yxou0ux(y,)u0不稳定流动不稳定流动u0ux(y)u0稳定流动稳定流动实验中发现：实验中发现：AHuF0AdyduFxAdyduFxdyduxyx比例系数，称为比例系数，称为动力粘性系数动力粘性系数或或动力粘动力粘度度，Pa s=kg/sm。因粘性力通常。因粘性力通常看作正值，而梯度有正、负之分，故冠以看作正值，而梯度有正、负之分，故冠以号，保证切应力为正。号，保证切应力为正。 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 粘性力的方向：对快速流层表现为制动，对慢速流层表现
19、为粘性力的方向：对快速流层表现为制动，对慢速流层表现为带动作用。带动作用。Hu0yxou0ux(y,)u0不稳定流动不稳定流动u0ux(y)u0稳定流动稳定流动动量传输系数，又称运动粘度，动量传输系数，又称运动粘度，m2/s，单位体积动量，单位体积动量梯度所传递的动量。梯度所传递的动量。u1动量传递动量传递u2梯度梯度 yx yxdyuddyudxx)()(dyduxyx牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 牛顿流体牛顿流体：剪应力和变形速率满足线性关系。：剪应力和变形速率满足线性关系。 非牛顿流体非牛顿流体：剪切应力和变形速率之间不满足线性：剪切应力和变形速率之间不满足线性关系的流体。关
20、系的流体。韦森堡效应韦森堡效应牛顿流体牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体dyduxyx0A：塑性流体；乳液、沙浆、矿浆：塑性流体；乳液、沙浆、矿浆nxyxdydu)(CABDdyduxyx0B：似塑性流体，：似塑性流体，n1；粘土、石灰及水泥岩的悬浮液。；粘土、石灰及水泥岩的悬浮液。2.4(2.8) 流体的流动性质流体的流动性质 层流层流( (片流片流) )：所有质点按同方向作平行流动，质点没：所有质点按同方向作平行流动，质点没有宏观横向掺混的流动，称为层流。有宏观横向掺混的流动，称为层流。 湍流湍流( (紊流紊流) )：各质点速度的方向不同，且其大小、方：各
21、质点速度的方向不同，且其大小、方向均随时间变化的流动称紊流。即质点作复杂的无规向均随时间变化的流动称紊流。即质点作复杂的无规则运动所构成的流动。则运动所构成的流动。雷诺实验雷诺实验 雷 诺（O.Reynolds，1842-1912）1883年用实验证实了粘性流体的两种流动状态层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。层流层流过渡状态过渡状态紊流紊流雷诺实验雷诺实验层流与紊流的区别在于：层流与紊流的区别在于： 层流：流层之间无流体质点的层流：流层之间无流体质点的宏观横向掺混，只有微观分子宏观横向掺混，只有微
22、观分子运动存在运动存在; 紊流：流层之间有质点的宏观紊流：流层之间有质点的宏观横向掺混，这是由于涡体的作横向掺混，这是由于涡体的作用所产生的结果。用所产生的结果。由实验可知，由实验可知，u, , d, 层流层流紊流，紊流，则紊流则紊流层流。层流。涡体的形成涡体的形成 雷诺在实验中提出确定两种流动状态的转变条件：雷诺在实验中提出确定两种流动状态的转变条件：ududRe 由一种状态转变为另一种状态时的由一种状态转变为另一种状态时的Re数称为临界雷诺数数称为临界雷诺数Rec,它是层流转变到紊流的判据。它是层流转变到紊流的判据。 对管流：对管流：Rec=2100-2300 对平板：对平板：Rec=1-
23、5105流体的动力粘度，流体的动力粘度，N s/m2 流体的运动粘度，流体的运动粘度，m2/s雷诺准数雷诺准数(无量纲无量纲)ududRe注意：对不同的流动问题，雷诺数中的定性尺度是不一样的，注意：对不同的流动问题，雷诺数中的定性尺度是不一样的，如流体在平板表面流动时，定性尺寸是长度如流体在平板表面流动时，定性尺寸是长度L；流体沿圆球；流体沿圆球表面绕流流动时，定性尺寸是圆球直径表面绕流流动时，定性尺寸是圆球直径d；流体在非圆管内；流体在非圆管内流动，定性尺寸为流通截面的当量直径流动，定性尺寸为流通截面的当量直径ds。当量直径：当量直径：SAds4A 管 的 横 截 面 积管 的 横 截 面
24、积S管壁的周长管壁的周长粘性力惯性力)/(Re2duudu 流体质点在运动中同时受惯性力和粘性力的作用，当流体质点在运动中同时受惯性力和粘性力的作用，当u,，则惯性力，则惯性力，易受扰动形成涡体。，易受扰动形成涡体。 而而，易保持质点原有运动状态，限制质点不规则运，易保持质点原有运动状态，限制质点不规则运动，即保持层流容易。动，即保持层流容易。 对对d而言，而言，d，管壁，对流体的接触面积相对减少，管壁，对流体的接触面积相对减少，管壁对整个流体运动的作用相对减少，易形成紊流。管壁对整个流体运动的作用相对减少，易形成紊流。例题：例题：水水=1.79 10-3Pas, 油油=24 10-3Pas,
25、 油油=800 kg/m3若它若它们以们以u=0.5m/s的流速在直径为的流速在直径为 d=100mm的圆管中流动的圆管中流动, 试确试确定其流动形态定其流动形态解解:水的流动雷诺数水的流动雷诺数2100166710241 . 05 . 0800Re322ud流动为紊流状态流动为紊流状态油的流动雷诺数油的流动雷诺数2100279331079. 11 . 05 . 01000Re311ud所以流动为层流流态所以流动为层流流态紊流脉动的特征紊流脉动的特征xxxuuuAuxux uxu xuu1u2A 1 2duuxx01时均速度时均速度xu脉动速度脉动速度式中，式中，2.5(2.9) 附面层附面层
26、(边界层边界层)附面附面层层(边界边界层层)的概念是的概念是1904年德国科学家普朗特年德国科学家普朗特提出的。提出的。 普朗特（L.Prandtl，18751953）建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。1918-1919年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。普朗特普朗特1904年用在水中撤放粒子的方法，获得了水沿薄平板运年用在水中撤放粒子的方法，获得了水沿薄平板运动的画面。由于画面上粒子留下的轨迹正比于流动的速度，在靠近动的画面。由于画面上粒子留下的轨迹正比于流动的速度，在靠近壁
27、面有一薄层，其中速度比离壁面较远处的速度明显较小，且有大壁面有一薄层，其中速度比离壁面较远处的速度明显较小，且有大的速度梯度。的速度梯度。边界层的定义边界层的定义 设有速度均一的流体，平行流入平板表面，由于流体设有速度均一的流体，平行流入平板表面，由于流体的粘性，在表面附近将产生一具有速度梯度的流体的粘性，在表面附近将产生一具有速度梯度的流体层层称流体层为边界层称流体层为边界层(附面层附面层).边界层产生的原因边界层产生的原因 壁面不滑移条件壁面不滑移条件由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点
28、与粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动。固壁一起运动。 壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑移条件。移条件。边界层的厚度边界层的厚度理论上讲，边界层厚度为自板面起到流体速度达到理论上讲，边界层厚度为自板面起到流体速度达到来流速度为来流速度为u0为止处的厚度。极端地，边界层厚度为无为止处的厚度。极端地，边界层厚度为无限厚。故规定：自板面起流速增至限厚。故规定：自板面起流速增至0.99u0处的厚度为速处的厚度为速度边界层厚度度边界层厚度 。边界层的特点边界层的特点xux0Re 510)51 (Rexc 边界层内有
29、速度梯度，边界层外速度均一为来流速度。边界层内有速度梯度，边界层外速度均一为来流速度。 x 流入平板的开始阶段，流入平板的开始阶段， 小，粘性力起主导作用，是层流；随小，粘性力起主导作用，是层流；随x ， 变变大，惯性力占主导地位，由层流过度为紊流，在紊流区靠近表面处仍大，惯性力占主导地位，由层流过度为紊流，在紊流区靠近表面处仍有一层流底层区存在。有一层流底层区存在。 层流层流紊流的判据紊流的判据 边界层外为均一的平行流动边界层外为均一的平行流动无旋流动的势流区无旋流动的势流区 边界层外为均一的平行流动边界层外为均一的平行流动视为非粘性流体视为非粘性流体(理理想流体想流体)将研究区域缩小到有限
30、的局部范围内，同时又将研究区域缩小到有限的局部范围内，同时又不至于使研究结果失真。不至于使研究结果失真。管内流动的边界层管内流动的边界层 管流边界层不存在主流区，故严格的讲管流情况下是管流边界层不存在主流区，故严格的讲管流情况下是不符合边界层的定义的。不符合边界层的定义的。2.6 流体运动的描述方法流体运动的描述方法 流场：流体运动所充满的空间称流场。流场：流体运动所充满的空间称流场。 流场的特征：与流体流动相关的物理参量随时间及空流场的特征：与流体流动相关的物理参量随时间及空间变化的函数关系，就称为流场的特征。如：间变化的函数关系，就称为流场的特征。如：运动参数速度场：)(zyxfuu状态参
31、数压力场：)(zyxfPP物性参数等。密度场：)(zyxf标量与矢量的概念标量与矢量的概念 标量标量(数量数量)场场仅有数值的大小而无方向性。仅有数值的大小而无方向性。 密度、压力、温度、能量密度、压力、温度、能量 矢量矢量(向量向量)场场既有大小又有方向既有大小又有方向 位移、速度、力、加速度、动量位移、速度、力、加速度、动量在直角坐标系下：在直角坐标系下：速度的大小：速度的大小：222zyxuuuuzyxukujuiu速度矢量：速度矢量：)(zyxfuxx)(zyxfuyy)(zyxfuzz速度分量：速度分量：研究流体运动的方法研究流体运动的方法 拉格朗日法拉格朗日法以流体质点为对象以流体
32、质点为对象 欧拉法欧拉法以空间点为对象以空间点为对象流体质点的加速度流体质点的加速度(欧拉法）欧拉法）dtudadtduaxxzuuyuuxuutuxzxyxxxzuuyuuxuutuayzyyyxyyzuuyuuxuutuazzzyzxzz同理同理dtdzzudtdyyudtdxxutuxxxxuutudtuda时变加速度时变加速度 位变加速度位变加速度流体流动的起因流体流动的起因连续介质连续介质流体的粘性及牛顿粘性定律流体的粘性及牛顿粘性定律流体的流动性质流体的流动性质附面层附面层流体运动的描述方法流体运动的描述方法本章小结本章小结思考题思考题1 1 l试叙述层流和紊流的不同流动特征，如何判断管道试叙述层流和紊流的不同流动特征，如何判断管道内的流态内的流态?l什么叫临界雷诺数什么叫临界雷诺数?自然流动自然流动
