《對流傳質(zhì)》PPT課件(I)

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1、2.3對流傳質(zhì)12.3.1概述2.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界曾2.3.3傳質(zhì)邊界層的微分方程組2.3.4邊界層積分方程2.3.5對流傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式2.3.6干濕球溫度計2021/7/162.3.1概述對流傳質(zhì)（又稱質(zhì)對流）是指當(dāng)液體流經(jīng)一個相界面時與界面之間發(fā)生的質(zhì)量交換。這種界面可以是液體表面也可以是固體表面，如圖2-5所示。在對流傳質(zhì)過程中所傳遞的質(zhì)量也采用類似于牛頓冷卻公式的形式來計算：22021/7/16（2.3-1）（2.3-2）式中：、分別為界面處組分A的物質(zhì)的濃度與質(zhì)量濃度，單位分

2、別為kmol/m3、kg/m3；、分別為主流中組分A的物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量濃度，單位分別為kmol/m3、kg/m3；為表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，單位為m/s。32.3.1概述2021/7/16上式和牛頓冷卻公式一樣，只是表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)的定義式。確定表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)的計算式是對流傳質(zhì)的主要研究內(nèi)容。本節(jié)的重點(diǎn)將放在討論對流傳質(zhì)與對流換熱過程的類似點(diǎn)和不同點(diǎn)上，并闡明在什么條件下可以利用比擬關(guān)系獲得表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)的計算式。42.3.1概述2021/7/16對流傳質(zhì)過程是由兩種作用完成的。一是對流傳遞作用，在對流條件下，流體質(zhì)

3、點(diǎn)不斷運(yùn)動和混和，把物質(zhì)由一處帶到另一處；二是分子擴(kuò)散作用，由于流體各處存在著濃度差，質(zhì)量也必然會以分子擴(kuò)散方式傳遞，而且濃度梯度越大的地方，分子擴(kuò)散作用也顯著。傳質(zhì)膜系數(shù)就是這兩種作用的綜合強(qiáng)度指示。52.3.1概述2021/7/16顯然一切支配這兩種作用的因素和規(guī)律，諸如流動狀態(tài)、流速、流體物性、壁面幾何參數(shù)等都會影響對流傳質(zhì)過程，由此可見它是一個比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象。本節(jié)將從分析對流傳質(zhì)的邊界層開始，通過邊界層微分方程的求解，闡述理論推導(dǎo)傳質(zhì)膜系數(shù)的基本途徑，揭示過程的機(jī)理。62.3.1概述202

4、1/7/16湍流傳質(zhì)是工業(yè)設(shè)備中常見的現(xiàn)象。由于湍流時質(zhì)點(diǎn)的脈動和渦流，過程的動量、熱量和質(zhì)量傳遞都大大地強(qiáng)化了，但問題也趨于復(fù)雜。因此，對于這一問題處理方法往往是根據(jù)微分方程式應(yīng)用類比關(guān)系，從流動摩擦的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定對流傳質(zhì)的計算關(guān)系。討論三傳（動量、熱量和質(zhì)量）類比及其定量關(guān)系，它對于換熱膜系數(shù)、傳質(zhì)膜系數(shù)難以直接測定的某些情況具有重大意義。通過三傳類比的分析，還將有助于深入理解湍流傳質(zhì)的機(jī)理。72.3.1概述2021/7/162.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層一、濃度邊界層我們已經(jīng)知道，由于

5、速度在壁面附近沿法線方向的變化出現(xiàn)了速度邊界層，它在對流傳質(zhì)中起著主要作用。同樣，當(dāng)流體與相界面之間有濃度差時，由于濃度在壁面法線方向的變化，也將會產(chǎn)生一個濃度變化較明顯的區(qū)域，叫做濃度邊界層。濃度邊界層和速度邊界層、溫度邊界層形狀相類似，但厚度不相同，圖2-5示出了壁面法線方向流體濃度變化示意圖。82021/7/16在處，流體濃度為，而在離開壁處，流體濃度近似等于主流體濃度，這一區(qū)域稱為濃度邊界層，或稱為傳質(zhì)邊界層及擴(kuò)散邊界層。稱為濃度邊界層厚度。這樣，只有在濃度邊界層內(nèi)才有最顯著的濃度變化，而在濃

6、度邊界層以外則可認(rèn)為濃度梯度等于零，是一個等濃度區(qū)域。92.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層2021/7/16由此可見，由速度邊界層和濃度邊界層的狀況決定了邊界層中質(zhì)量傳遞過程。在層流邊界層中主要靠分子擴(kuò)散來傳遞質(zhì)量，在湍流邊界層中，層流底層中質(zhì)量轉(zhuǎn)移主要靠分子擴(kuò)散，而在層流底層以外的湍流區(qū)中，除分子擴(kuò)散外，主要靠對流傳質(zhì)。102.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層2021/7/16二、對流傳質(zhì)的準(zhǔn)則數(shù)在對動量傳遞和熱量傳遞的研究過程中出現(xiàn)過許多用以表征它們物理特性的無量綱準(zhǔn)則數(shù)，如雷諾數(shù)、歐拉數(shù)，

7、普朗特數(shù)和努賽爾數(shù)等。相應(yīng)地，在對流傳質(zhì)過程中，我們也要應(yīng)用一些準(zhǔn)則數(shù)來表示傳質(zhì)特性。分析質(zhì)量、動量和熱量傳遞（也稱“三傳”）得知下列諸項(xiàng)可表現(xiàn)“三傳”過程的特征。112.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層2021/7/16動量擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率質(zhì)量擴(kuò)散率它們具有相同的單位：。這三個擴(kuò)散率中任意兩個之比都是無因次的，但不同組合下的比值，其內(nèi)涵是不一樣的。122.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層2021/7/161．動量擴(kuò)散率與質(zhì)量擴(kuò)散率之比稱為施密特數(shù)：（2.3-3）2．分子熱擴(kuò)散率與質(zhì)量擴(kuò)散率之比稱為

8、路易斯數(shù)Le：（2.3-4）3．動量擴(kuò)散率與分子熱擴(kuò)散率之比稱為普朗特數(shù)Pr：132.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層2021/7/16當(dāng)過程同時涉及質(zhì)量和熱量傳遞時，就要用到Le數(shù)，現(xiàn)在來分析一下組分A向組分B中擴(kuò)散，例如溶質(zhì)表面與溶液之間的質(zhì)量傳遞時的規(guī)律。（2.3-5）在貼壁處，分子擴(kuò)散應(yīng)滿足下列質(zhì)量傳遞方程若為常數(shù)時，則上式可寫成（2.3-6）142.3.2層流和湍流邊界層及濃度邊界層2021/7/16聯(lián)立式（2.3-5）和式（2.3-6）得即