【正文】 ???????表示當(dāng)觀察者在流體中以與流體完全相同的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其觀測(cè)到的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化率。(m/s)/(m2s)] ※ 層流流體在流向上的動(dòng)量，沿其垂直方向由高速流層向低速流層傳遞，導(dǎo)致流層間剪應(yīng)力 τ （內(nèi)摩擦力）的產(chǎn)生。 湍流 (紊流 turbulent flow)：流速較大時(shí)，流體中各質(zhì)點(diǎn)除了沿管路向前運(yùn)動(dòng)之外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的脈動(dòng)，且彼此之間相互碰撞與混合。當(dāng) dux/dy為正值“ +”時(shí)，可將負(fù)號(hào)“ ”去掉?；鬟f過程基礎(chǔ) 一、化工研究的基本問題？ 緒 論 圖 01 McCabeThiele圖 平衡線 精餾段操作線 提餾段操作線 ? 過程的平衡和限度 – 《 化工熱力學(xué) 》 ? 過程的速率和實(shí)現(xiàn)過程所需要的設(shè)備 ? 化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備 –《 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 》 和 《 化學(xué)反應(yīng)工程 》 ? 物理過程速率和設(shè)備 – 《 化工傳遞 》 和 《 化工單元操作 》 推動(dòng)力：溫度差 推動(dòng)力：濃度差 二、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容？ ? 動(dòng)量傳遞 ? 熱量傳遞 ? 質(zhì)量傳遞 ? 物理過程的速率和傳遞機(jī)理的探討 推動(dòng)力：速度差 第一章 傳遞過程概論 第一節(jié) 流體流動(dòng)導(dǎo)論 一、靜止流體的特性 （一）流體的密度（ ρ ） 均質(zhì)流體： VM??dVdM??※ 非均質(zhì)流體： ρ ：點(diǎn)密度 dM：微元質(zhì)量 dV：微元體積 ※ 流體：氣體和液體的統(tǒng)稱 圖 11 均質(zhì)水溶液 圖 12 非均質(zhì)溶液 方法：取一微元，設(shè) 微元質(zhì)量為 dM， 體積為 dV 密度： ? ?zyxf ,?? （二）不可壓縮流體與可壓縮流體 ? 不可壓縮流體：密度不隨空間位置和時(shí)間變化的流體； ※ 通常液體可視為不可壓縮流體 ? 可壓縮流體：密度隨空間位置或時(shí)間變化的流體； ? ??? , zyxf?※ 氣體為可壓縮流體；但如氣體 等溫流動(dòng) 且 壓力改變不大 時(shí)，可近似為不可壓縮流體。 重要 物理意義：?jiǎn)挝凰俣忍荻葧r(shí)，作用在兩層流體之間的剪應(yīng)力； 單位： SI單位和物理單位 dydu x?? ?2. 動(dòng)力粘度 （ μ ） SI單位制： 物理單位制： 3. 運(yùn)動(dòng)粘度 （ ν ） 特性：是溫度、壓力的函數(shù)； ? ?PTf ,??流體的動(dòng)力粘度與密度的比值，稱為運(yùn)動(dòng)粘度 （ ν ） ???※ 壓力對(duì)液體粘度影響可忽略，氣體的粘度在壓力較低時(shí)（ ＜ 1000kPa）影響較小，壓力大時(shí)，隨壓力升高而增大。 雷諾實(shí)驗(yàn) 2. 雷諾數(shù) （ Re） ??du?Re※ u和 d稱為流體流動(dòng)的特征速度和特征尺寸 物理意義：作用在流體上的慣性力和粘性力的比值 ※ Re＜ 2023，總是層流； Re＞ 10000，一般都為湍流； 2023＜ Re＜ 10000，過渡狀態(tài)。本質(zhì)上是分子微觀運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，屬于分子傳遞過程。s)] ※ 湍流流體在流向上的動(dòng)量，分子傳遞 +渦流傳遞。后三項(xiàng)為對(duì)流導(dǎo)數(shù)，表示因流體流動(dòng)而導(dǎo)致的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化率。 ???????????? zr uzurrurr ?????? ?(一 )柱坐標(biāo)系 (二 )球坐標(biāo)系 0)(sin 1)sin(sin 1)(1 2239。 第三節(jié) 運(yùn)動(dòng)方程 運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)：拉格朗日觀點(diǎn)和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律（動(dòng)量守恒定律） 一、用應(yīng)力表示的運(yùn)動(dòng)方程 （一）動(dòng)量守恒定律在流體微元上的表達(dá)式 ? ??duMdF ?? ?理解：流體的動(dòng)量隨時(shí)間的變化率應(yīng)等于作用在該流體上的諸外力向量之和。 已知 10攝氏度水的粘度為 *s/m2 解：主體流速 smu b /)3600)()(1( 4 ??為了判斷此情況下流體的流型，需計(jì)算 Re，流道為矩形，故 Re中的幾何尺寸應(yīng)采用當(dāng)量直接 de替代， de的值為 md e ))(2( ))(1)(4( ??? 154610*)1000)()((Re3 ??? ???be ud 故流動(dòng)為層流，可采用式 （ 324） 確定速度分布方程，即 )002 (])(1)[011 )(23()1(23)1(222202202ma xyyyyuyyuu bx????????每米長(zhǎng)管道的壓力降可利用 （ 330） 求算為 )*/()( ))(10*)(3(3 22320mmNy uxpp bf ?????????? 二、平壁面上的降落液膜流動(dòng) ※ 應(yīng)用場(chǎng)合：膜狀冷凝，濕壁塔吸收等； ※ 特點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)層流，一維流動(dòng)；一側(cè)緊貼壁面，另一側(cè)為自由表面； ※ 不可壓縮 流體在 液膜內(nèi) 速度分布方程： ? ?222 xgu y ?? ???※ 主體流速： ???32gu b ?※ 液膜厚度： 2/13?????????gu b???重要 例 32 某流體的運(yùn)動(dòng)粘度為 2*104m2/s，密度為 800kg/m3，欲使該流體沿寬為 1m的垂直平壁下降的液膜厚度達(dá)到 ，則液膜下降的質(zhì)量流率應(yīng)為多少？ 解：由式 （ 337）， 得 smvgpgu b /)10*2)(3( ))((33 4222???? ????因此，單位寬度的質(zhì)量流量為 skguw b /)1( ???????? ??上述計(jì)算結(jié)果僅當(dāng)液膜內(nèi)流動(dòng)為層流時(shí)才是正確的，因此，需要驗(yàn)算流動(dòng)的 Re數(shù)。在體積流率為*106m3/s時(shí)，測(cè)得壓降為 *105pa。在該層流體中，與流動(dòng)相垂直方向上的速度梯度很大。 其二：邊界層之外的流動(dòng)區(qū)域，外部流動(dòng)區(qū)。 發(fā)展：隨著流體沿平板的向前流動(dòng)，邊界層在壁面上逐漸加厚。在距管進(jìn)口的某一段距離處，邊界層在管中心匯合，此后便占據(jù)管的全部截面，邊界層厚度即維持不變。 ※ 必要條件： ? 物面附件的流動(dòng)區(qū)域中存在逆壓梯度； ? 流體的粘性； 重要 ※ 逆壓梯度： dp/dx 0，壓力沿流動(dòng)方向遞增，而流速遞減。試求距平板前緣 m處的邊界層厚度 ，并計(jì)算該處 y方向上距壁面 1 mm處的 、 及 ? yux xu在 y方向上的速度梯度 值。試計(jì)算距平板前緣 m 處的邊界層厚度的質(zhì)量流率，并計(jì)算這一段平板壁面的曳力系數(shù)和承受的摩擦曳力。 重要 三、湍流的表征 （一）時(shí)均量和脈動(dòng)量 ※ 時(shí)均速度 u※ 脈動(dòng)速度 u? uuu ???※ 總速度 （二）湍流強(qiáng)度 速度的平均值， 穩(wěn)態(tài)湍流指時(shí)均值不隨時(shí)間變化 因脈動(dòng)高于或低于時(shí)均速度的部分 湍流流動(dòng)三維表示，一維湍流指時(shí)均速值僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向變化。 l?l? l?22 ?????????dyudl xryx ??※ 雷諾應(yīng)力與時(shí)均速度之間的關(guān)系式 l基本上與流速無關(guān)，有長(zhǎng)度的因次 第四節(jié) 圓管中的湍流 一、光滑圓管湍流時(shí)的通用速度分布方程 （ 1）層流內(nèi)層 (0≤y+≤5) ?? ? yu（ 2）緩沖層 (5≤y+≤30) ?? ?? yu（ 3）湍流主體 (y+≥30) ?? ?? yu式中， u+和 y+ 為無因次速度和無因次距離 *uuu ???? su ?* *yyy?? svuvy ??** *5 uvb ?? bm uv ?? ?? *30mbic r ??? ?? 二、光滑圓管中的速度與流動(dòng)阻力 ? 與范寧摩擦系數(shù) f相連 2* fuub?? 摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 布拉修斯： 4/ ??f? ?53 101Re103 ???? 4/ ??f? ?53 102Re105 ???? Re ??f? ?63 103Re103 ???? Re → f → u* → y* → y + （通用速度方程） → u + → u ???????? ?2* fuub???????????? svuvy** 解題思路： ???????? ??*yyy?????? ?? *uuu→ 各層邊界層厚度 （各層邊界層公式） 三、粗糙管中的速度分布與流動(dòng)阻力 絕對(duì)粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度，以 e表示； 相對(duì)粗糙度：指絕對(duì)粗糙度與管徑的比值，以 e/d表示； （ 1）水力光滑管 ? ?Re,50 * ffveu ???※ 粗糙度對(duì)層流和過渡區(qū)幾乎沒有影響，可不必區(qū)分光滑管和粗糙管； 圓管內(nèi)流體流動(dòng)為湍流時(shí)，粗糙度會(huì)嚴(yán)重影響阻力系數(shù)的數(shù)值； 與粗糙度無關(guān)！ （ 2）過渡型圓管 ????????? deffveu Re,705*（ 3）完全粗糙管 既與 Re，又和相對(duì)粗糙度相關(guān)！ ???????? deffveu ,70*只與相對(duì)粗糙度相關(guān)！ 第五節(jié) 平板壁面上湍流邊界層的近似解 邊界層積分動(dòng)量方程 + 布拉修斯的 1/7次方定律 7/10??????? ?yuu x ? ? 5/ ??xx?5/ ?? LDC 5/45/15/45/9 LuF d ??? Review 第一章 傳遞過程概論 ※ 基本概念 ? 流體；密度和比體積；流速與流率；粘度與運(yùn)動(dòng)粘度；雷諾數(shù)； ? 不可壓縮流體；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；牛頓型流體；理想流體； ? 動(dòng)量、熱量及質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式； 第二章 連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)方程 ? 隨體導(dǎo)數(shù)；微分質(zhì)量衡算方程； ※ 基本概念 ? 不可壓縮流體的連續(xù)性方程； ※ 計(jì)算公式 第三章 運(yùn)動(dòng)方程的應(yīng)用 ※ 基本概念 ? 爬流及勢(shì)流； ※ 計(jì)算公式 ? 阻力及阻力系數(shù)；平板及圓管（充分發(fā)展流段）的速度分布及流動(dòng)阻力； 第四章 邊界層流動(dòng)（層流） ※ 基本概念 ? 邊界層定義、形成與發(fā)展；邊界層厚度；邊界層分離； ※ 計(jì)算公式 ? 臨界距離；臨界雷諾數(shù)；邊界層厚度；速度分布；流動(dòng)阻力； 第五章 湍流 ※ 基本概念 ? 湍流特點(diǎn)、起因及表征；粗糙管與流動(dòng)阻力； ※ 計(jì)算公式 ? 邊界層厚度；速度分布；流動(dòng)阻力； ※ 基本概念 ? 密度和比體積： ? 流速與流率： ? ?3/ mkgVM?? ?kgmMVv /3?1?v? ? ?smuuuu bx /, 0? ?smV s /3? ?skgw s /AVu sb ? dybuV xs ??? ??0Aw sb ?? dybuwxs ???? ?? ?0主體流動(dòng)速度： 邊界層內(nèi)流率： ? 流體：氣體和液體統(tǒng)稱為流體 ? 粘度與運(yùn)動(dòng)粘度： ? 雷諾數(shù) ?????? ??? 2m sNsPa? ??????sm 2?????Lxx c Re,Re,ReRe, 粘性力慣性力????duRe物理意義： 平板上： ??? 00Re xuxux ??臨界雷諾數(shù)： ??? 00Re uxux ccx c ?? 5105Re ??cx平板長(zhǎng) L： ??? 00Re LuLuL ?? ? 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：當(dāng)流體流過任一截面時(shí)，流速等有關(guān)的物理量不隨時(shí)間而變化 ? 不可壓縮流體：密度不隨空間位置和時(shí)間變化的流體 常數(shù)??? 理想流體；完全沒有粘性的流體 0????? 牛頓型流體；遵循牛頓粘性定律 的流體 dydu x?? ?? 通量的普遍表達(dá)式： （通量） = —（擴(kuò)散系數(shù)） x （濃度梯度） ? 隨體導(dǎo)數(shù) ? 微分質(zhì)量衡算方程 （流出質(zhì)量流率） （流入質(zhì)量流率） +（累積質(zhì)量流率） = 0 ? ??? ???? ??對(duì)流項(xiàng)局部項(xiàng)zuyuxuDDzyx ???????????????????? 爬流及勢(shì)流； 爬流：流速非常低的流動(dòng) （粘性力 ＞＞ 慣性力），可忽略慣性力 Re1 勢(shì)流：理想流體的無旋流動(dòng)（慣性力 ＞＞粘性力），可忽略粘性力 Re非常大 貼近物體壁面區(qū)域 粘性力不能忽略！ ? 邊界層定義 在壁面附近區(qū)域，存在著一薄的流體層。 發(fā)展：隨著流體沿平板的向前流動(dòng)，邊界層在壁面上逐漸加厚。 ※ 后