化工传递过程复习

“化工传递过程”复习大纲

一 课程基本内容

(1)动量传递建立动量传递方程组，介绍方程组礁层流、湍流中的应用。其应用是指在特定的条件下求解：流体的速度分布、应力分布及流量计算。介绍边界层概念和方程，湍流概念和方程。这部分内容是学习传递过程的基础，务必一开始就扎扎实实地加以掌握。

(2)热量传递在这部分内容中首先建立了热量传递方程组，接着在稳态、非稳态热传导和稳态层流、湍流传热领域展开讨论。主要解决在定解条件下固体、流体内的温度分布、局部热量通量和总热流率。稳态导热中要掌握一维导热例子(直角坐标和柱坐标)。在非稳态导热中注意对毕渥特数(Bi)的判别，掌握集总热容法(Bi<0.1)，和无限大物体导热的高斯误差函数法，其它情况可采用图解法计算。对沿板的精确解、近似解所导出的公式会正确使用，如利用公式求解温度分布、边界层层厚及热流通量。类比解主要是用在湍流传递中，其思想是利用较易得到的摩擦阻力系数类推得出湍流传热系数和湍流传质系数或是用对流传热系数类推出对流传质系数，类比解注意对J因数类似法的掌握运用。

(3)质量传递在上述部分基础上，进一步讨论了与化工生产最为密切的质量传递，它是传递与分离过程间的桥梁。在这部分中建立了组元的质量传递方程，用于解决浓度分布问题，介绍了传质方式和原理，介绍了对流传质系数的定义和在层流、湍流下传质系数的求解公式。这部分内容在方程的建立，求解思路和所用的数学解法与(1)(2)部分雷同，学习时可注意借鉴上述知识。学完这部分内容后，注意全篇的融会贯通、归纳整理。如每一部分开始都是建立各自的微分方程。三传的层流解、湍流解、类比解、图解等都可加以归纳。进行对比找出一些共性的规律。 二 课程考核目标(知识要点、内容难点和考核要求) 第一章 传递过程概论 (一)知识要点

1、传递过程的研究对象。 2、传递过程的研究方法。 3、传递过程的名词和三传定义。 (二)考核要求

1、分子传递唯象律表达式及各项物理意义。 2、涡流传递唯象律表达式及各项物理意义。 3、传递通量的表述。

第二章 连续性方程与运动方程 (一)知识要点

1、连续方程的建立(微分质量方程)。 2、微分动量方程的建立。

3、方程的简化、特例和在其他坐标系下的方程。 (二)内容难点

1、方程建立的思路、依据、步骤和推导。 2、连续性方程的两种表达式的形式与物理意义。 (三)考核要求

1、根据具体的物理过程和特定条件建立简单的微分质量方程(推导)。 2、根据所给条件对连续性方程进行简化。 3、随体导教的正确表达、各项的物理意义的说明。 4、认识并理解其他坐标系下的连续方程。 5、总衡算方程不作要求。

第三章 运动方程的应用(奈维-斯托克斯方程的应用) (一)知识要点

1、奈维-斯托克斯方程在稳定、层流状态下，沿平板、圆管流动时的应用-求解速度分布。

2、流线定义、特点及流线方。 3、流函数定义、使用条件及表达式。 4、势(位)函数定义、使用条件及表达式。 (二)内容难点 1、方程的简化。 2、简化后方程的求解。

(三)考核要求

1、奈维-斯托克斯方程在直角坐标、柱坐标和球坐标系下正确使用和简化过程。 2、速度分布和应力分布的计算。

3、流线、流函数、位函数的概念、使用条件、对应方程和方程的应用。 第四章 边界层流动 (一)知识要点

1、速度边界层定义、边界层的形成、发展和分离。 2、边界层微分方程的建立。 3、边界层积分方程的建立 (二)内容难点

1、准数方程、量级分析和边界层微分方程的建立。 2、边界层积分方程的建立 (三)考核要求

l、边界层的概念及定义。

2、掌握边界层分离条件和分离后果。

3、沿平板流动时，层流边界层的速度分布，应力分布、流量的求取。 第五章 湍流 (一)知识要点

l、湍流的特点、起因及表征。 2、瞬时量、脉动量和时均量。 3、湍流运动方程。

4、混合长及动量涡团传递理论。 5、通用速度方程。 6、粗糙管中的湍流

(二)内容难点 1、湍流的表征。

2、用均时量表征瞬时量的思想及表述方法。 3、湍流公式的推导。 (三)考核要求

1、湍流概念瞬时值的表达;混合长概念及表达;光滑管和粗糙管概念;水力光滑、半粗糙及完全粗糙概念。

2、通用速度分布方程的熟练使用包括：计算层流内层、缓冲层、核心层内的速度分布和各层层厚计算。 3、光滑管和粗糙管的阻力计算。 4、沿平板湍流计算。

第六章 热量传递概论与能量方程 (一)知识要点

1、传热的三种方式及机理。 2、能量微分方程的推导 (二)考核要求

l、熟悉不同坐标系下的能量方程表达式。 2、根据已知条件对能量方程进行简化。

3、根据已知条件建立简单情况下的能量衡量方程。 第七章 热传导 (一)知识要点

l、热传导的基本微分方程。 2、一维稳态热传导。 3、不稳态热传导。

4、速算图及多维热传导(Newmare法则) (二)内容难点

l、毕涡特数Bi(BiotNumber)的定义及物理意义。 2、三类边界条件的分类、识别、互相转换关系。 3、解析解的推导和不同边界条件下的解。

4、各坐标系下的速算图的运用及图中各个参数的含义。 (三)考核要求

1、熟悉基本热传导的微分方程。 2、集总热容法的判别和正确运用。 3、无限大物体不稳态导热的计算。

4、对薄平板双向或单向不稳态导热要求会用速算图求解。

5、上述的运用、计算、求解要求求出具体的温度随时间、地点的分布规律：求出热量通量(单位面积所传递的热量，J/m2.s)和传热速率(J/S) 6、扩展表面的导热和二维稳态导热的数值解不作要求。 第八章 对流传热 (一)知识要点

l、对流传热机理及对流传热系数的定义。 2、温度边界层概念。

3、层流下沿板热量传递的精确解和近似解。 4、湍流传热的类似律(类比解) (二)内容难点

l、精确解的推导思路。 2、近似解的推导过程。 3、类比解的思想。

例4-12 试由f?0.079Re

?14导出

uxy?()1/7 umaxri?62例4-21 由例4-20所得数据：uav?1.28m/s、d?75mm、??1.006?10m/s和

??998.2kg/m3，用1/n方速度分布式计算管中心流速和离管中心25mm处的流速。

例4-33 温度为20℃的水，以3m/s的流速流过平板壁面。试计算距平板前缘0.1m及1m处的边界层厚度，并求水在该两处通过边界层截面的质量流率。

例5-5 由变导热系数材料构成的平壁，其导热系数随温度平方按下式变化k?k0(1??t2) 试导出平壁导热速率的表达式。

例5-16 热量沿长圆筒壁径向传递。已知r?ri处，t?ti；r?r0处，t?t0。又导热系数随温度变化k?ki?(ki?k0)t?t0 ti?t0试导出通过圆筒壁的导热速率；若圆筒壁很薄，结果如何？

例5-27 大平壁内具有发热率随温度变化的内热源q?qL[1??(t?tL)]式中，?为常数。试导出如图5-19所示平壁内的温度分布。

例6-3 流体沿平板流动时的局部传热系数为hx?Cx?12??，式中C为常数。求x?0?L间

的平均传热系数和平均努赛尔数与x?L处的局部值之比。

例6-6 21℃的水以0。512m/s的速度沿平板流动，平板在流动方向长1m，其宽度为0.3m，设计要求从平板传递给谁的热流速率为3517W，试求平板表面所需维持的温度为多少？

例7-3 试证明在由组分A和B组成的双组分混合物中进行分子扩散时，质量平均速度u与摩尔平均速度uM不等，且其关系为u?uMNAMA?NBMB()式中, MA、MB、M分别MNA?NB为组分A、B的相对分子质量和混合物的平均相对分子质量，且MA?MB。

例8-1 在288.5K时，萘的蒸气压为4.838Pa,萘的密度为1152kg/m3,萘在空气中的扩散系数取0.0571?10m/s，试计算直径为12.7mm的萘粒在空气中的蒸发速率。

?42

例8-3 在0.3mm的塑料膜两侧，分别维持氢气压力为3?10Pa和1?10Pa，温度为20℃。已知氢气在塑料膜中的扩散系数为8.7?10m/s，在塑料膜中的溶解度为

?82551.5?10?8kmol/(m3?Pa)，试求氢气通过膜的扩散通量。

例8-6 如图8-7所示，试管内盛有液态氯仿，干空气不断从试管上方吹过，用以测定氯仿在空气中的扩散系数。测定开始时，自氯仿液面至管子顶部的高度为7.4cm，温度保持25℃，压力维持在101325Pa，经10h后，液面下降多少？已知DAB?0.093cm2/s，氯仿的饱和蒸气压为26648Pa，密度为1485kg/m3。

例9-3 299K的纯水平行流过固体苯甲酸平板。平板在流动方向的长度为0.25m，水的速度为0.06m/s，苯甲酸在水中的溶解度为0.0295kmol/m3，苯甲酸在水中的扩散系数为

1.24?10?9m2/s。试求平均传质系数。

例9-4 常压下，0℃的空气以10m/说的速度流过一厚10mm、长0.2m的萘板。已知常压下、0℃时萘在空气中的扩散系数DAB?5.14?10?6m2/s，萘的饱和蒸气压

3。0℃时空气的物性：pAs?0.785N/m2，固体萘的密度?A?115k2gm/?B?1.293kg/m3，?B?1.75?10?5N?s/m2。试求经10h后，萘板减薄了多少？

例9-23 要使某物质A溶于一有机液体，达90%饱和。使不溶于水的有机液体以刚性小滴（直径为2mm）的形态通过A的饱和水溶液上升，上升速度为4?10m/s。组分A在有机液滴中的初始浓度为零。为使有机液滴中心处的A达到90%饱和，水相的高度应为多少？ 已知A在水中及在有机液体中的扩散系数皆为1?10m/s，有机液体中A的溶解度为水中的1/200，且连续水相中的浓度基本不变。

例10-3 水以1.0kg/s的流量通过一个内径为25mm、长为1.5m的管子，其压降为7kPa，壁温维持在50℃，水的进口温度为20℃，试求水的出口温度。

例10-9 温度为7℃的水在内壁涂有肉桂酸的圆形直管内流动，管内径为50mm，流速为1.5m/s。已知7℃下，水的密度??999.8kg/m，水的黏度??1.45?10Pa?s，肉桂酸溶于水中的施密特数Sc=2920。试用雷诺类比和柯尔邦类比计算传质系数并加以分析。

五 模拟试题

3?3?92?2一、填空题（20分 每空1分） 1. 分子扩散系数（ν ，α ，DAB）是物质的物理性质常数，它们仅与____ ， ______

和_____等因素有关。

2. 涡流扩散系数（E）则与流体的______无关、而与_______，流体在管道中的

________和________等因素有关。

3. 三种最常用的相间传质模型分别为：_ ______，_ 和 。 4. 依据流体有无粘性，可以将流体分为___________流体和_______流体。 5. 用于描述涡流扩散过程传递通量计算的三个公式分别为：____ _、

_______ 和________ __。

6. 微分恒算得两种观点分别是_______和 ________，奈维-斯托克斯方程得推

导采用 观点。

7. 对于伴有化学反应的分子扩散过程，如果满足___________ _，则过程为化

学反应控制，如果满足 ，过程为扩散控制。 二、简述题 (15分，每题5分)

1.分析爬流和势流的特点，如何判断流动是爬流或势流。

2. 分析雷偌类比，普兰德-泰勒类比，冯卡们类比，柯尔帮类比各自的特点，说明在那种类

比对层流和湍流均适用，那种只适用于湍流？

3 无论层流还是湍流流动，管壁粗糙度对速度分布和摩擦阻力都有影响吗? 说明理由。

3．三，推导证明题 （30分， 每题10分）

1，已知费克第一定律得普遍表达形式为：NA??DAB?xA(NA?NB) 根据费克定律，推导如下情况下组分A 的扩散通量的表达式： A 等摩尔反向扩散； B 组分A通过滞留的B 组分扩散。 2，已知流体在水平圆管内稳态层流流动时的速度分布为：

ux?1?p2r?ri2 2??x??证明：A umax?11?p(?ri2)。 B uB?umax

22??x3，已知导热微分方程为：

??tq2 ???t?'?cp??请根据下列条件将导热微分方程简化：

A 无内热源； B 有内热源的稳态导热；C 无内热源稳态导热。 四，计算题（35分,1,3题各10分，2题15分）

1、在直径为50mm、长度为2m的圆管内壁面上有一薄层水膜，常压和25℃的绝干空气以0.5m/s的流速吹入管内，试求平均传质系数kcm。

2、20℃的水稳态流过内径为10mm的光滑圆管，流动已充分发展。试求在下述两种质量流率下半径中点处水的流速及每米管长的压降－Δp. （1） 质量流率为50kg/h;（2） 量流率为500kg/h。

已知 20℃时水的物性：??1?10?3N.s/m2 ??998kg/m3 湍

u?2r?分布满足：x??1??umax?D?1/7 范宁摩擦系数计算式为：层流：f?16 湍流Re（4000

3 设平板壁面上层流边界层的速度分布和温度分布分别为：

u?a1?b1y?c1y2 t?a2?b2y?c21y2

试利用适当的边界条件确定其中的常数，并给出速度分布和温度分布的函数关系

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