传输原理——三传相似性 湍流模型

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1、冶金传输原理作业一、流体流动、传热、传质的相似性及特异性冶金中的化学反应，往往也同时伴随着热量的传输和质量的传输，而这些现象都是在物质的流动过程中发生的，也就是说，传热与传质的过程与流体的流动特性密切相关。因此，三者之间在传输的机理、过程、物理数学模型等方面具有类似性和统一性。首先，从研究目的及对象上说，动量传输、热量传输和质量传输的研究对象都是流体。所谓流体，是指不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限地变形物质。流体分为可压缩流体和不可压缩流体两种。不同流体，模型及研究方法不同。不同的是，流体流动

2、是对流体动量的研究，主要从力的方面分析，流体收到粘性力以及其他表面力和体积力。而热量传输中，主要研究由于温度差异所引起的能量的传递过程，涉及到的是能量过程。质量传输发生在多组分系统中，当存在组分浓度差时，系统中将会自发的进行分组由高浓度区向低浓度区的迁移过程。质量传输最大的不同是除了分子传输或湍流传输产生的传质速率外，还需要考虑传输介质自身在传输方向上的移动，以及混合物宏观运动由一处向另一处移动所携带的传输组分的速率。研究传输过程的只要目的是确定系统内部的浓度分布，求得质量传输的速率。第二，从机理上说

3、，三者是一致的。他们在微观上具有相同的规律，及传输过程都是分子快散运动和微团脉动引起的，同时宏观上也有相同的规律，可以用类似的方程式来描述。在层流中，尤其是简单的以为传递过程中，三传的相似性表现得更为明显，流体的粘性，热传导性和热量扩散性统称为流体的分子传递性质。因为从微观上来看，这些性质分别是非均匀流场中分子不规则运动这一过程所引起的动量、热量和质量传递的结果。当流场不均匀时，分子传递的结果产生切应力，温度分布不均匀时，分子传递的结果产生热传导，在多组分的混合流体中，如果某组分的浓度不均匀，分子传递

4、的结果便是引起该组分的质量扩散。表述三种传递的性质的关系式：式中，左边分别代表动量、热量和质量的通量，右部括号中的式子分别代表体积流体的动量、热量和质量，代表梯度，负号表示传递的方向与梯度的方向相反；、α、为物性系数，且具有相同的量纲。总的来说，层流中一维传递机理可以写成通式为：[动量／热量／质量]通量＝－物性系数×[速度／温度／浓度]梯度不过，这种相似性不能推广到多维流动中去。三维的热量和质量传递机理均表达为矢量公式，而三维的动量传递机理表达为张量公式。因此传热与传质的相似性更强。至于湍流，情况也比

5、这复杂。第三，从控制方程上说。流体的连续性方程是从质量守恒原理出发推导出来的，简述如下，在控制提内不存在源和汇的条件下，控制体内质量的增长速率等于单位时间内通过控制面净流入的质量。运动方程是动量定律在流体流动现象中的应用，叙述如下，控制体内的动量对时间的变化率等于控制体内流体上的合力与单位时间内通过控制面净流入流体的动量之和。能量方程依据能量守恒定律，采用微元分析法导出的，表述如下，单位时间内控制体内流体总能量的增量等于单位时间内净流入控制体的总能量和传入控制体内流体的热量及作用在控制体内流体上各力做

6、功之和。动量、热量和质量的传输，不但现象的实验定律完全类似，而且动量、热量、质量守恒的微分方程也完全类似。我们可以将微分方程用一个通用的形式表示：不稳态项+对流项=扩散项+源项第四，从模型上说，三种传输方式都是我们没法直接观察的，想要解决传输问题就要将过程建立成数学模型及物理模型。三种传输方式都要用到相似准数，同时也要用量纲分析法。动量方程中，导出了雷诺准数，同时，对流传质中同样用到了雷诺数，其物理意义是一样的。对应对流传热中的普朗特数在传质中是施密特数，对流中的怒塞尔数对应的是舍伍德数。二、湍流描述

7、的基本方法在工程的流体流动现象大多是湍流流动，其特点是流体内部充满了可以目测的旋涡，这些漩涡除了在主体流动方向上随流体运动外，还在各个方向上做无规则的随机运动，流体在运动中相互掺混极不规则。这些不规则的运动导致对湍流的研究大大的复杂于层流，到目前为止，由于对湍流的机理和本质还不清楚，还没有一套完整的描述湍流运动的理论，只能用一些半经验半理论的结果。湍流的突出特点是流体内部充满了可以目测得到的旋涡，它们除了在主体流动方向上运动外，还在各个方向上有不规则的脉动，所以，流体从规则的层流过渡到湍流必须具备两个

8、条件，一是漩涡的形成，一是漩涡脱离原来的流层。由于流体的粘性，当流体在流动过程中存在一定的速度梯度时，具有不同速度的相邻流层间将产生切应力，就某一个流层而言，流速大的流层给它施加的剪切力是顺流向的拖力，流速慢的流层给它施加的剪切力是逆向的阻力，因此该流层所受到的这两个力构成了力矩，从而有可能产生漩涡。另一方面，由于种种外界因素使流动产生波动，在流层凸起的地方，因流道截面的减小使流速增大，在凹下的地方，因截面的增大而使流速降低，据伯努利方程可，流速的增加必