传热与传质学第十四章 对流传质.ppt

1思考：定义：流体与相界面之间所发生的质量传递过程称为对流传质
公式：对流传质的速度方程（类似牛顿冷却定律）
NA＝kcΔcA
对流传质过程由两种作用完成：
1.对流传递作用：在对流条件下，流体质点不断运动和混和，把物质由一处带到另一处,称为质量对流；
2.分子扩散作用。传质膜系数kc是这两种作用的综合指标。
影响对流传质的因素(类似前面的对流换热）：
如流动原因、流动状态、流体物性、壁面几何参数等都会影响对流传质过程，由此可见它是一个比较复杂的物理现象。
对流传质研究方法14-2层流和紊流边界层及浓度边界层浓度边界层：在y=0处，流体浓度为cA,S，离开壁面y=δC处，流体浓度近似等于主流区流体浓度cA,∞，该区域称为浓度边界层（传质边界层及扩散边界层）
浓度边界层内：最显著的浓度变化，
浓度边界层以外：可认为浓度梯度等于零，是一个等浓度区域。在层流边界层中和紊流边界层的层流底层中主要靠分子扩散来传递质量，
在紊流边界层的层流底层以外的紊流核心区中，主要靠质量对流。二、对流传质的常用准则数1.施密特数Sc
定义：Sc＝ν/DAB＝μ/（ρDAB）
对流换热中：Pr=ν/a=cpμ/λ
Pr的物理意义：动量扩散能力和热量扩散能力的对比关系。
物理意义：动量扩散能力和质量扩散能力的对比关系。
施密特数Sc在对流传质中的作用类似普朗特数Pr的作用。2.路（刘）易斯数Le
定义：Le=a/DAB=λ/(ρcpDAB)
物理意义：热量扩散能力和质量扩散能力的对比关系。
当过程同时涉及质量和热量传递时，就要用到Le数。3.舍伍德数Sh
定义：Sh=kcL/DAB
Sh在对流传质中的作用类似对流换热中的努塞尔特数Nu。
物理意义：表征对流传质的强弱；表示表面处的浓度梯度与总浓度梯度之比。表面处的浓度梯度与总浓度梯度之比14-3因次分析在对流传质中的应用应用柏金汉方法(或称π定律法）可定出三个无因次组，以DAB、ρ和D作为核心变量，可得到三个π组合。
π1＝DABaρbDckc
π2＝DABdρeDfu
π3＝DABgρhDiμ
将π1中各物理量的量纲代入：
1=[L2T-1]a[ML-3]b[L]c[LT-1]
L：0＝2a－3b＋c＋1T：0＝－a－1
M：0＝b
联立求解这些方程得a＝-1；b＝０；c＝１。将a、b、c代入π1的表达式得到
π1=kcD/DAB=Sh
另外两个π组合也可用同样方法求得
π2＝Du/DABπ3＝μ/(ρDAB)＝Sc
π2/π3＝Du/DAB×DABρ/μ＝Duρ/μ＝Re

Sh＝f(Re，Sc)
与对流换热的准则关系式Nu＝f(Re，Pr)相类似。二、自然对流中传质
kc=f(L，DAB，ρ，μ，gΔρA）
其中包含的六个物理量的量纲在下表表示：
Sh＝f(GrAB,Sc)

式中GrAB——传质格拉晓夫数
GrAB≡L３gΔρA/（ρν2)
与自然对流换热准则方程Nu=f(Gr,Pr)类似。其他准则数（表14-1）：
1.传热斯坦顿（登）数St:
St=Nu/(Re·Pr)=α/（ρucp)
2.传质斯坦顿（登）数StD:
StD=Sh/(Re·Sc)=kc/u
14-4质量、动量和热量传递的类比在紊流中总切应力可表示成：
τ＝τl－τt（14-7）
式中τl——层流切应力，即μdu/dy；
τt——紊流切应力。
引入普朗特混合长度假说可以证明：

EH——紊流热扩散系数

ED——紊流质扩散系数二、质量、动量和热量传递的类比

“三传类比”的方法：由于紊流流动的机理十分复杂，所以EM、EH和ED都无法用纯数学方法求得，一般均应用类比法来解紊流流动问题，即根据摩擦系数，由类比关系推算出对流换热系数及传质膜系数。1.系统具有常物性参数；
2.系统中不产生和消失能量和质量（无源无汇）；
3.忽略辐射作用；
4.无粘性损耗；
5.进行低速率的质量传递，所以质量传递对速度分布无影响。四种类比方法(一)雷诺类比
在层流中，不存在紊流动量扩散系数和紊流热扩散系数，所以由式(14-9)和式(14-10)得：

假定q/τ在任意y处都是相同的，并且取壁面处的值。在紊流中，雷诺假定整个流动场是由单一的高度紊流区构成，亦即认为不存在层流底层。由于紊流扩散的强度要比分子扩散的强度大得多，即认为
α<<EH;ν<<EM。
故α与ν可以忽略不计，又假定EＨ＝ＥＭ，则得:
同样，将上式从壁面到主流积分，并假设q/τ在任意点上都相等，q和τ均取壁面处的数值得:

与刚才层流的式子比较：cf:边界层动量传递的摩擦阻力系数。St=α/（ρu∞cp)=cf/2=jM(14-12)
jM称为动量传递的j因子jM=cf/2
jH称为热量传递的j因子jH=St=α/（ρu∞cp)
同理，在Sc=1时用质量传递和动量传递进行类比