南京工业大学传递工程第2章 传递过程导论精要.ppt

第二章 传递导论 第二章 传递导论 本章主要内容 一、传递方式 二、传递的研究对象 三、场的概念 四、平衡过程和速率过程 五、几个常用的算子 一、传递方式 传递过程的传递方式主要有: 分子传递 和 对流传递 两种方式。 例：能量的分子传递 在一流动的流场中，温度分布不均匀存在着温度分布，见图2-1的等温线（面） 通过此例知道分子传递的条件是： （1）存在分子热运动； （2）存在着某种强度量梯度。 存在速度梯度（速度不均匀）必将产生动量传递（动量扩散） 存在温度梯度（温度不均匀）必将产生热量传递（热传导） 存在浓度梯度（浓度不均匀）必将产生质量传递（质扩散） 分子传递方向 分子传递方向分别为：高速指向低速，高温指向低温，高浓度指向低浓度。 注意：传递方向（由高到低）与梯度方向（函数增大的方向）相反。 分子传递的规律至今尚无可能用理论公式来描述，迄今只能依赖于唯象律. 所谓唯象律就是指仅从客观现象归纳而得到的定律，是一种实验定律。 ② 分子传递的唯象律 牛顿粘性定律（Newton’s law） 2．对流传递 除了分子的传递外，宏观流体的微团（质元）运动也会引起动量、热量和质量的传递。 由于流体质元的质量比分子的质量大得多，因此质元传递要比分子传递的强度大得多。 质元概念类似讲义的连续介质概念（见P10） （1）质元定义 特征为： 线性尺寸足够小，所含的分子数又应当足够多。 足够小强调要讨论的质元很小的，以便进行微分处理。 足够多强调在这个微小质元内，分子数多到能保持在同一时刻内质元的宏观性质稳定。 即：不会由于个别分子的跳跃而使物体的宏观性质 T，P，u 发生变化，从而表现出统计平均值的意义。 在此基础上认为：流体是由这些连续的质点所组成。 （2）质元的传递过程及方向 质元在运动中它携带本身可能具有的动量、能量和质量进行迁移，这一迁移结果，造成了动、热、质量的传递。见图。 3．两种传递方式的区别与联系 （1）区别 分子传递与流体是否运动无关，仅与梯度是否存在有关，传递方向指向梯度变小的方向。 质元传递仅与流体是否运动有关，而与梯度是否存在无关，传递方向为质元的速度方向。 （2）联系 在传递过程中，这两种传递方式往往是同时存在的，所以总的传递量应是这二种传递的矢量和，见图。 由于每个质元含有足够多的分子所以质元传递规模要比分子传递大的多。 当发生湍流时，同方向上只需考虑对流传递； 当流体速度比较小时，分子传递影响逐渐上升； 在静止介质中则以分子传递为主。 二．传递过程中的研究对象 p19 流体作为物质的一种运动形式，必须遵循自然界中关于物质运动的某些普遍规律，由于这些规律的原始形式都是对“系统”写出来的，而在传递过程的实际问题中，采用“控制体”的概念却方便得多。 为此，有必要介绍“系统”和“控制体”的概念。 1．体系（系统） 定义：具有确定不变物质的任何集合称为体系。系统以外的一切统称为外界（环境）。 系统的边界是把系统和外界分开的真实和假想的表面。 在传递过程中，体系是指由确定的流体质点所组成的流体团。 2．控制体 定义：具有确定不变的空间区域（或空间体积）。 控制体（C.V.）是由称为控制面（C.S.）的封闭边界面围成。 在传递过程中：控制体是指流体在流动过程中所通过的一个固定不变的空间区域。 原则上讲以上两种研究对象所得方程是一致，因此都可采用。但在大多数传递过程中，控制体法似乎要更方便些。 举例 —— 研究对象的选取 若研究汽缸内的气体压缩、膨胀等传递情况，请问对图a采用哪种研究对象（方法）更为方便？ 举例 —— 研究对象的选取 图b 是一喷嘴装置，若要研究流体流过喷嘴时的运动规律，又采用哪一种方法更为方便？ 三、场的概念 定义：在给定区域位置、时间和物理量之间对应关系。 以速度场为例，数学表达式为： 稳定场（定常场）稳定场物理量不随时间变化。 数学表达式为： 一维过程的数学特征： 如仅在 x 轴 向上发生变化，则 四、平衡过程和速率过程 热力学讨论平衡过程的规律 考察给定条件下，过程能否自动进行？进行到什么程度？条件变化对过程有何影响？ 动力学讨论速率过程的规律 化学动力学是研究化学变化的速率。 传递动力学是研究物理变化的速率。 五、几个常用的算子 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： 哈密尔顿算子 ▽ 拉普拉斯算子 △ 随体导数算子 D/Dt 1．▽算子 (Hamilton Operatars) 哈密尔顿算子在直角坐标下的展开式（下同）： ① 作用在数性函数（如温度T）上，称为梯度， ② 作用在矢性函数（如速度 u