对流传质.ppt

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1、第十四章第十四章 对对 流流 传传 质质定定义义：流流体体与与相相界界面面之之间间所所发发生生的的质质量量传传递递过过程程称称为为对对流流传传质质，对对流流传传质质的的速速度度方方程和牛顿冷却定律相类似，即程和牛顿冷却定律相类似，即 NAkccA对流传质过程由两种作用完成：对流传质过程由两种作用完成：1.1.对对流流传传递递作作用用，在在对对流流条条件件下下，流流体体质质点点不不断断运运动动和和混混和和，把把物物质质由由一一处处带带到到另另一一处处,称为称为质量对流质量对流；2.2.分子扩散分子扩散作用。作用。14-1 14-1 概概 述述传质膜系数传质膜系数kc是这两种作用的综合指标。是这两

2、种作用的综合指标。影响对流传质的因素影响对流传质的因素(类似前面的对流换热）：类似前面的对流换热）：如如流流动动原原因因、流流动动状状态态、流流体体物物性性、壁壁面面几几何何参参数数等等都都会会影影响响对对流流传传质质过过程程，由由此此可可见见它它是是一个比较复杂的物理现象。一个比较复杂的物理现象。思考：思考：对流换热是什么传热机理作用的结果？对流换热是什么传热机理作用的结果？对流换热影响因素是什么？对流换热影响因素是什么？对流换热系数是一个物性量吗？对流换热系数是一个物性量吗？对流传质研究方法对流传质研究方法因次分析法因次分析法三传三传（动量、热量、质量）（动量、热量、质量）类比法类比法目的

3、：目的：计算计算kc14-2 14-2 层流和紊流边界层及浓度边界层层流和紊流边界层及浓度边界层 一、浓度边界层一、浓度边界层 1.定定义义：当当流流体体与与相相界界面面之之间间有有浓浓度度差差时时，由由于于浓浓度度在在相界面法线方向的变化，将会产生相界面法线方向的变化，将会产生浓度边界层浓度边界层。2.C和和t关系关系：它和热边界层相类似，但厚度不相同它和热边界层相类似，但厚度不相同。在在y=0y=0处处，流流体体浓浓度度为为cA,S，而而在在离离开开壁壁面面y=C处处，流流体体浓浓度度近近似似等等于于主主流流区区流流体体浓浓度度cA,，这这一一区区域域称称为为浓浓度度边边界界层层，或称为传

4、质边界层及扩散边界层。或称为传质边界层及扩散边界层。C称为称为浓度边界层厚度浓度边界层厚度。只只有有在在浓浓度度边边界界层层内内才才具具有有最最显显著著的的浓浓度度变变化化，而而在在浓浓度度边边界界层层以以外外则则可可认认为为浓度梯度等于零，是一个等浓度区域。浓度梯度等于零，是一个等浓度区域。在在层层流流边边界界层层中中和和紊紊流流边边界界层层的的层层流流底底层层中中主主要要靠靠分分子子扩扩散散来来传传递递质质量量，在在紊紊流流边边界界层层的的层层流流底底层层以以外外的的紊紊流流核核心心区区中，主要靠中，主要靠质量对流质量对流。对流传质的机理对流传质的机理二、对流传质的常用准则数二、对流传质的

5、常用准则数 l动动量量传递传递准准则则：雷雷诺诺数和欧拉数数和欧拉数，l对对流流换热换热准准则则：普朗特数和努普朗特数和努谢谢尔尔特数特数，l对流传质准则：？对流传质准则：？分析质量、动量和热量传递得知分析质量、动量和热量传递得知:运动粘度运动粘度 /动量扩散能力动量扩散能力 热扩散率热扩散率 /cp 热量扩散能力热量扩散能力 分子扩散系数分子扩散系数 DAB 质量扩散能力质量扩散能力 它它们们具具有有相相同同的的因因次次，因因此此这这三三个个扩扩散散率率中中任意两个之比都是无因次的。任意两个之比都是无因次的。1.1.施密特数施密特数Sc l定义：定义：Sc/DAB/（DAB）对流换热中：对流

6、换热中：Pr=/a=cp/Pr的物理意义：动量扩散能力和热量扩散的物理意义：动量扩散能力和热量扩散能力的对比关系。能力的对比关系。lSc的物理意义：动量扩散能力和质量扩的物理意义：动量扩散能力和质量扩散能力的对比关系。散能力的对比关系。l施密特数施密特数Sc在对流传质中的作用类似普在对流传质中的作用类似普朗特数朗特数Pr的作用。的作用。2.路（刘）易斯数路（刘）易斯数Le l定义：定义：Le=a/DAB=/(cpDAB)l物理意义：热量扩散能力和质量扩散能物理意义：热量扩散能力和质量扩散能力的对比关系。力的对比关系。l当过程同时涉及质量和热量传递时，就当过程同时涉及质量和热量传递时，就要用到要

7、用到Le数。数。3.舍伍德数舍伍德数 Shl定义：定义：Sh=kcL/DABlSh在对流传质中的作用类似对流换热中的在对流传质中的作用类似对流换热中的努谢尔特数努谢尔特数Nu。l物理意义：表征对流传质的强弱；表示物理意义：表征对流传质的强弱；表示表面处表面处的浓度梯度与总浓度梯度之比。的浓度梯度与总浓度梯度之比。14-3 14-3 因次分析在对流传质中的应用因次分析在对流传质中的应用 一、受迫对流中传质一、受迫对流中传质 kc=f(D，u，DAB)其中包含的六个物理量的量纲在下表表示其中包含的六个物理量的量纲在下表表示：应用应用柏金汉方法柏金汉方法(或称或称定律法定律法）可定）可定出三个无因次

8、组，以出三个无因次组，以D DABAB、和和D D作为核心变作为核心变量，可得到三个量，可得到三个组合。组合。1DABabDckc2DABdeDfu 3DABghDi 将将1 1中各物理量的量纲代入：中各物理量的量纲代入：1=L2T-1aML-3bLcLT-1L：02a3bc1 T：0a1 M：0b联立求解这些方程得联立求解这些方程得a-1；b；c。将将a、b、c代入代入1的表达式得到的表达式得到 1=kcD/DAB=Sh另外两个另外两个组合也可用同样方法求得组合也可用同样方法求得 2D u/DAB 3/(DAB)Sc 2/3D u/DABDAB/D u/ReShf(Re，Sc)与与对对流流换

9、换热热的的准准则则关关系系式式Nuf(Re，Pr)相相类类似似。二、自然对流传质二、自然对流传质 kc=f(L，DAB，gA A）其中包含的六个物理量的量纲在下表表示：其中包含的六个物理量的量纲在下表表示：ShShf(Grf(GrABAB,Sc),Sc)式中式中GrGrABAB传质格拉晓夫数传质格拉晓夫数 GrGrABAB L LggA A/（2 2)与与自自然然对对流流换换热热准准则则方方程程Nu=f(Gr,Pr)Nu=f(Gr,Pr)类类似似。同理：同理：其他准则数（表其他准则数（表14-1）：）：1.传热斯坦顿（登）数传热斯坦顿（登）数St:St=Nu/(RePr)=/（ucp)2.传质

10、斯坦顿（登）数传质斯坦顿（登）数StD:StD=Sh/(ReSc)=kc/u14-414-4质量、动量和热量传递的类比质量、动量和热量传递的类比 一、紊流质扩散系数一、紊流质扩散系数 紊流流动的特点：紊流流动的特点：脉动和由脉动带来的横向掺混。脉动和由脉动带来的横向掺混。紊流中任一点的流动方向和速度均是不规则的，紊流中任一点的流动方向和速度均是不规则的，涡流运动引起整个紊流核心的混和，这一过程称涡流运动引起整个紊流核心的混和，这一过程称为为“涡流扩散涡流扩散”。时均值：时均值：虽然变动，但是始终围绕一个值上下波虽然变动，但是始终围绕一个值上下波动动 在紊流中总切应力可表示成：在紊流中总切应力可

11、表示成：lt （14-7）式中式中l层流切应力，即层流切应力，即du/dy；t 紊流切应力。紊流切应力。引入引入普朗特混合长度假说普朗特混合长度假说可以证明：可以证明：EH H紊流热扩散系数紊流热扩散系数 ED D紊流质扩散系数紊流质扩散系数 二、质量、动量和热量传递的类比二、质量、动量和热量传递的类比 u“三三传传类类比比”的的方方法法：由由于于紊紊流流流流动动的的机机理理十十分分复复杂杂，所所以以E EM M、E EH H和和E ED D都都无无法法用用纯纯数数学学方方法法求求得得，一一般般均均应应用用类类比比法法来来解解紊紊流流流流动动问问题题，即即根根据据摩摩擦擦系系数数，由由类类比比

12、关关系系推推算算出对流换热系数及传质膜系数出对流换热系数及传质膜系数。1.1.系统具有常物性参数；系统具有常物性参数；2.2.系系统统中中不不产产生生和和消消失失能能量量和和质质量量（无无源源无汇）；无汇）；3.3.忽略辐射作用；忽略辐射作用；4.4.无粘性损耗；无粘性损耗；5.5.进进行行低低速速率率的的质质量量传传递递，所所以以质质量量传传递递对速度分布无影响。对速度分布无影响。假设条件假设条件四种类比方法四种类比方法雷诺类比雷诺类比普朗特类比普朗特类比卡门类比卡门类比切尔顿切尔顿-柯尔朋类比柯尔朋类比(j(j因子关系式因子关系式)(一一)雷诺类比雷诺类比 u在层流中，不存在紊流动量扩散系

13、数和紊在层流中，不存在紊流动量扩散系数和紊流热扩散系数，所以由式流热扩散系数，所以由式(14-9)和式和式(14-10)得：得：假定假定q/q/在任意在任意y y处都是相同的，并且取壁面处都是相同的，并且取壁面处的值。处的值。u在在紊紊流流中中，雷雷诺诺假假定定整整个个流流动动场场是是由由单单一一的的高高度度紊紊流流区区构构成成，亦亦即即认认为为不不存存在在层层流流底底层层。由由于于紊紊流流扩扩散散的的强强度度要要比比分分子子扩扩散散的的强强度度大大得多，即认为得多，即认为 EEH H;E;EM M。故故与与可可以以忽忽略略不不计计，又又假假定定E E，则则得得:同同样样，将将上上式式从从壁壁

14、面面到到主主流流积积分分，并并假假设设q/q/在在任任意意点点上上都都相相等等，q q和和均均取取壁面处的数值得壁面处的数值得:与刚才层流的式子比较：与刚才层流的式子比较：当当PrPr1 1时时c cp p/，则则以以上上两两式式完完全全一一致致，也也就就是是说说对对于于PrPr的的流流体体来来说说，层层流流底底层层与与紊紊流流核核心心中中的的qs/s是是相相等等的的。这这样样雷雷诺诺类类比比就就可可以以应应用用了了。以以上上两两式式均均可可改写成：改写成：c cf f是边界层动量传递的摩擦阻力系数。是边界层动量传递的摩擦阻力系数。St=/（ucp)=cf/2=jM (14-12)jM称为动量

15、传递的称为动量传递的j因子因子 jM=cf/2 jH称为热量传递的称为热量传递的j因子因子 jH=St=/（ucp)同理，在同理，在Sc=1时用质量传递和动量传递进时用质量传递和动量传递进行类比可以得到：行类比可以得到：StD=kc/u=cf/2=jM (14-13)jD称为质量传递的称为质量传递的j因子因子 jD=StD=kc/u也就是也就是在在Pr=1和和Sc=1的情况下有：的情况下有：St=StD=jM=cf/2jHjDjHjD(二二)普朗特类比普朗特类比 普普朗朗特特假假设设紊紊流流流流动动是是由由层层流流底底层层和和紊紊流核心流核心组成。组成。当当Sc=1时，变为雷诺类比式时，变为雷

16、诺类比式（14-13）。）。(三三)卡门类比卡门类比 卡卡门门假假定定紊紊流流流流动动是是由由层层流流底底层层、过过渡渡层层和和紊紊流流核核心心组组成成的的，从从而而导导得得质质量量传传递的卡门类比为：递的卡门类比为：当当Sc=1时，变为雷诺类比式时，变为雷诺类比式（14-13）。）。(四四)切尔顿切尔顿-柯尔朋类比柯尔朋类比(j(j因子关系式因子关系式)质量传递的切尔顿质量传递的切尔顿-柯尔朋类比为：柯尔朋类比为：当当PrPr，ScSc时，得时，得 jHjDjM (14-18)这就是雷诺类比式。这就是雷诺类比式。此式适用于气体和液体，在此式适用于气体和液体，在0.60.6ScSc250025

17、00和和0.60.6Pr100的范围内。的范围内。k kc c的影响因素的影响因素kc=f(u,T ,Ts,DAB,L,)和对流换热影响因素类似：和对流换热影响因素类似：流动原因、流态、物性、几何结构流动原因、流态、物性、几何结构形状、相态变化。形状、相态变化。温度对温度对kc的影响主要体现在对物性的影的影响主要体现在对物性的影响，为考虑这种影响，要进行物性修正，响，为考虑这种影响，要进行物性修正，修正方法如下：修正方法如下：三传类比的物理意义三传类比的物理意义 三三传传类类比比的的物物理理意意义义在在于于对对三三种种不不同同的的传传递递过过程程找找出出其其间间的的共共性性，以以进进行行综综合

18、合的的考考查查，并并得得出出其其间间的的一一些些定定量量关关系系，从从而而可可将将一一种种传传递递过过程程的的规规律律用用于于条条件件类类似似的的其其它它过过程程。特特别别是是两两种种或或三三种种传传递递经经常常同同时时进进行行，可可对对其其间间的的内内在在联系作出估计联系作出估计。三传类比的不足之处三传类比的不足之处 从从理理论论导导出出的的类类比比式式具具有有一一定定的的局局限限性性和和近近似似性性，这这是是由由于于事事先先作作了了一一些些简简化化假假定定，其其中中包包括括：忽忽略略了了物物性性随随位位置置的的变变化化(如如传传热热时时假假定定物物性性均均为为定定性性温温度度下下之之值值)

19、，及及“三三传传”之之间间的的相相互互影影响响(如传热、传质引起的对流现象如传热、传质引起的对流现象)等。等。三传类比的实用意义三传类比的实用意义 实实用用意意义义在在于于：随随着着工工业业的的迅迅速速发发展展，常常会会遇遇到到缺缺乏乏需需要要的的数数据据，这这时时可可应应用用类类比比关关系系作作近近似似的的分分析析和和推推算算。例例如如，从从易易测测定定的的摩摩擦擦因因数数估估算算传传热热、传传质膜系数，能提供有益的参考。质膜系数，能提供有益的参考。例题例题14-1 头头部部包包有有湿湿纱纱布布的的“湿湿球球”温温度度计计置置于于1105N/m2的的空空气气中中，温温度度计计读读数数为为1818，水水的的蒸蒸发发压压力力为为0.02105m2，汽汽化化潜潜热热为为2478kJ/kg2478kJ/kg，cH2O,s8710-5kmol/m3，空空气气的的密密度度为为1.216kg/m，比比热热为为1.005kJ/(kg)，Pr0.72,Sc0.61。试求空气温度为多少。试求空气温度为多少。