传递过程原理第一章概览.ppt

一、守恒定律与衡算方法 对于任一过程或物理现象，进行动量、热量与质量传递研究，都离不开自然界普遍适用的守恒定律： 动量守恒定律—牛顿第二定律、热量守恒定律—热力学第一定律以及质量守恒定律。 对所选过程或物理现象，划定一个确定的衡算范围，将动量、热量与质量守恒定律应用于该范围，进行物理量的衡算。 （1）宏观水平上描述 质量衡算 输入的质量流率-输出的质量流率 =累积的质量流率 能量衡算 输入的热量速率-流出的热量速率+加入的热速率-系统对外作功速率=累积的热速率 一、守恒定律与衡算方法 动量衡算 输入的动量速率-流出的动量速率+作用在体系上的合外力=累积的动量速率 总衡算的局限性： 总衡算只能考察系统的流入、流出以及内部的平均变化情况，系统内部物理量如温度、压力、密度、速度等的变化规律无法得知。 总衡算的方法在化工设计计算中常用—物料衡算与热量衡算等。 一、守恒定律与衡算方法 （2）微观水平上描述 微观衡算（微分衡算）—在研究对象内部选择一个有代表性的微分点，将守恒定律应用于该点。通过衡算，得出一组描述动量、热量与质量变化的微分方程，成为变化方程（Equation of change）。 然后通过积分，获得系统内部的速度、温度及浓度的变化规律。这些变化规律对于传递速率的求解必不可少。 一、守恒定律与衡算方法 （3）分子水平上描述 根据分子结构、分子间的相互作用，作分子水平上的考察，对于动量、热量与质量传递的理解是有帮助的。如各种传递系数（黏度、扩散性、导热性等）可以应用流体的分子运动理论求解。 一、守恒定律与衡算方法 本课程主要讨论微分衡算的方法，通过建立描述各种过程的数学模型，研究动量、热量与质量传递的速率。 一、守恒定律与衡算方法 二、系统与控制体 根据所考察的对象不同，选用衡算范围的方法有两种： 控制体 系 统 控制体 特点：相对于坐标其体积不变，包围该空间体积的界面称为控制面。流体可以自由进出控制体，控制面上可有力的作用和能量交换。其特点是体积、位置固定，输入和输出控制体的物理量随时间改变。 —具有确定不变的空间区域（体积）。 在传递过程中，控制体指流体在流动过程中所通过的固定不变的空间区域。 二、系统与控制体 系统 特点：系统与环境之间无质量交换，但在界面上有力的作用及能量的交换。系统的边界随着环境流体一起运动，因此其体积、位置和形状是随时间变化的。 系统 u u —包含确定不变物质（流体质点）的集合，系统以外的一切称为环境。 在传递过程中，系统指由确定流体质点所组成的流体元。 二、系统与控制体 三、拉格朗日观点和欧拉观点 根据研究所选定的衡算范围是控制体还是系统，有两种相应的研究方法： 拉格朗日观点（Lagrange viewpoint） 欧拉观点（Euler viewpoint） 欧拉观点 着眼于流场中的空间点，以流场中的固定空间点（控制体）为考察对象，研究流体质点通过空间固定点时的运动参数随时间的变化规律。然后综合所有空间点的运动参数随时间的变化，得到整个流场的运动规律。 体积固定 三、拉格朗日观点和欧拉观点 拉格朗日观点 着眼于流场中的运动着的流体质点（系统），跟踪观察每一个流体质点的运动轨迹及其速度、压力等量随时间的变化。然后综合所有流体质点的运动，得到整个流场的运动规律。 质点(质量固定） 三、拉格朗日观点和欧拉观点 原则上讲，两种方法所得结果一致，都可采用。 三、拉格朗日观点和欧拉观点 所谓算子是一种数学符号缩写的算符。本课程中常用的算子有： （1）哈密尔顿算子▽； （2）拉普拉斯算子Δ； （3）随体导数算子 四、几个常用算子 哈密尔顿算子在直角坐标下的展开式（下同）： 1、▽ 算子 （Hamilton Operators) 哈密尔顿算子是一个矢性、微分算子，它具有矢量和微分双重性质。 在本课程中，有关哈密尔顿算子的运算有下面三种形式： 四、几个常用算子 ① 作用在数性函数（如温度 t）上，称为梯度， 四、几个常用算子 ② 作用在矢性函数（如速度 u )上，点乘所得结果称为散度。 ③ 叉积所得结果称为旋度 四、几个常用算子 拉普拉斯算子是一数性、微分算子。 2. △算子（Laplace Operators) 拉普拉斯算子在直角坐标下的展开式： ▽与Δ的关系： 四、几个常用算子 定义式： 在直角坐标下的展开式 3. 随体导数 四、几个常用算子 例题1： 例题2： 习题1： 习题2： 传递现象普遍存在于自然界和工程领域，三种传递过程有许多共同规律。 本章介绍与课程有关的基本概念。 第一章 传递过程概论 * 对流+辐射 幻灯片 11 幻灯片 23 1.1 传递过程的分类