第三章

燃燒傳質學基礎

3-1傳質學基本概述一、傳質的定義在房間中打開一瓶香水，香水瓶附近很快就會聞到香味，隨后就會在整個房間中聞到香水的芬芳。實際上，香水分子從高濃度區域遷徙到遠離瓶蓋的低濃度區域，呈現出質量遷徙的現象，這一過程就是傳質學問題。強調：香水分子的遷徙是在空氣的氧氣分子和氮氣分子的背景下進行的，如在房間空間遷徙過程，則不屬于傳質學研究范圍，而是一個流體力學問題。傳質學研究對象：混合氣體或混合液體中某個組分分子或微團的遷徙質量傳遞：在兩種或兩種以上分子（或微團）組成的混合系統中，某些形式的勢（或“推動力”）所引起的分子（或微團）的運動。推動力：濃度勢、溫度勢、壓力勢、化學勢等在化工生產中，物質在濃度差的推動下在足夠大的空間中進行的擴散最為常見，一般分子擴散就指這種擴散，它是傳質分離過程的物理基礎，在化學反應工程中也占有重要地位。此外，還經常遇到流體在多孔介質中的擴散現象，它的擴散速率有時控制了整個過程的速率，如有些氣固相反應過程的速率。至于熱擴散只在穩定同位素和特殊物料的分離中有所應用，強制擴散則應用甚少。二、傳質的形式（氣體傳質）1、分子擴散①定義：在濃度差或其他推動力的作用下，由于分子、原子等的熱運動所引起的物質在空間的遷移現象，是質量傳遞的一種基本方式。②分類推動力：濃度梯度最一般的普通分子擴散傳質

溫度梯度熱擴散

壓力梯度壓力擴散

除重力以外其他力（電場力、磁場力…）強制擴散2、對流傳質（convectivemasstransport）①定義：對流傳質通常指運動流體與固體壁面（或兩股直接接觸的流體之間）間的質量傳遞，是相際傳質的基礎。這種過程既包括由流體位移所產生的對流作用，同時也包括流體分子間的擴散作用。這種分子擴散和對流擴散的總作用稱為對流傳質。

對流傳質

分子擴散

對流擴散②對應于傳熱學對流傳熱③分類：強迫對流傳質；自然對流傳質；紊流傳質；相際傳質3、湍流擴散①定義：湍流運動導致混合氣體的某組分與其他組分的混合。②屬于宏觀運動③忽略分子擴散作用4、混合擴散①氣體中的分子團簇擴散呈氣溶膠運動特性，用氣溶膠動力學能較好描述；②燃燒微粒形成和傳質機理尚不明確。大氣湍流三、燃燒相關傳質問題層流火焰：由于燃燒化學反應的出現，火焰內部的不同氣體的濃度分布將有所不同，燃燒反應強烈的地方，燃氣和氧氣濃度低一些，燃燒產生煙氣濃度高一些，燃氣、氧氣和煙氣必然交叉滲透，這種由于不同氣體濃度差異，造成的不同氣體相互質量傳遞，從傳質學角度，這種各氣體間的相互運動，這就是分子擴散傳質的過程。湍流火焰：湍流火焰的不同氣體物質的相互質量傳遞明顯較層流火焰復雜，除了各氣體濃度差造成不同氣體的分子擴散型傳質，顯然，流體湍流的強烈渦流結構也將有效的混合燃氣、氧氣、煙氣，這種氣體間的質量傳遞稱為渦流擴散。在高度湍動的湍流火焰里，渦流擴散的效應是非常大的，所以，在湍流火焰中存在所謂的自由湍流的渦流擴散傳質過程。補充說明：幾乎所有的工業火焰都是湍流火焰。當液滴和顆粒足夠小，液滴、顆粒、湍流氣體形成湍流多項流，這里發生的質量傳遞問題極為復雜，這就是燃燒中存在的多項流傳質問題3-2分子擴散一、基本概念1、濃度分數（以A、B二組分混合物為例）質量分數YA：

摩爾分數xA:

2、分子擴散速度（V氣體混合物整體速度、流體力學速度；Vi:i種氣體組分速度；）

3、質量通量與分子擴散通量①質量通量(即擴散速率)：是指在垂直于濃度梯度方向的單位面積上，單位時間內所通過的物質量，簡稱通量。公式：通量是濃度和擴散速度的乘積，其單位由相應的濃度和速度的單位決定，質量通量：kg/(m2?S)；摩爾通量：mol/(m2?S);組分i的分子擴散速度=Vi-V，是指表示相對于整體平均流動速度的運動速度，分子擴散的重要度量參數；凈運動速度、代表i組分在分子擴散中的凈傳質量；②分子擴散通量：指多組分混合氣體中，A物質由于分子擴散效應所引起的質量傳遞的質量通量。定義式：分子擴散通量是質量密度和分子擴散速度的乘積。概念相似于熱通量Q’’（HeatFlux，ThermalFlux）也稱熱流密度，具有方向性，其大小等于沿著這方向單位時間單位面積流過的熱量，方向即為沿等溫面之法線方向，且由高溫指向低溫方向。二、分子擴散基本定律—斐克第一定律1.分子擴散通量的斐克定律表達式：mA’’:A的分子擴散通量；DAB：A氣體相對于B氣體的擴散系數；負號表示傳質方向是A的氣體濃度的反方向，即從高濃度分子區到低濃度分子區物質的分子擴散系數表示它的擴散能力，是物質的物理性質之一。根據菲克定律，擴散系數是沿擴散方向，在單位時間每單位濃度梯度的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質的質量。

質量擴散系數D和動量擴散系數ν及熱量擴散系數α具有相同的單位（m2/s）或（cm2/s），擴散系數的大小主要取決于擴散物質和擴散介質的種類及其溫度和壓力。質擴散系數一般要由實驗測定。2、氣體雙組份分子擴散系統的重要結論：①零和效應：系統總傳質的質量通量為0推廣：n組份系統同樣成立②DAB=DBA注：本節討論的分子擴散，是指氣體混合物中的物質依靠分子運動從高濃度轉移到低濃度的過程，分子擴散在靜止或呈層流流動的流體中進行。三、分子運動論考慮一個簡單地分子擴散問題：靜止的A、B雙組分氣體薄層，氣體分子為剛性球體，分子間無吸引力，分子質量相等。假設在氣體薄層的x方向存在一個足夠小的濃度梯度，可認為在幾個分子的平均自由程范圍內，這種組分濃度基本成線性分布。

得到結論：3-3對流傳質近壁面處速度邊界層、濃度邊界層、熱邊界層的比較：一、定義：在運動著的流體和相界面之間，或者在兩個不相混合的運動著的流體之間的質量傳遞稱為對流傳質二、計算（牛頓輸運公式）三、對流傳質系數kc對流傳熱系數：牛頓（Newton）冷卻公式（Newton‘slawofcooling）中的比例系數，一般記做h，單位是W/(㎡*K)，含義是對流換熱速率。大小與對流傳熱過程中的許多因素有關。它不僅取決于流體的物性以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有著密切的關系。傳質系數kc，不僅取決于流態、流體物性、系統的幾何形狀與位置，還與濃度差有密切的關系

。確定kc的主要方法是濃度邊界層理論和動量、熱量、質量傳遞的相似比擬法（三傳類比）。

類似于對流傳熱基本計算式——牛頓（Newton）冷卻公式q=hΔT=h（Tw-Tf）；其中，Tw及Tf分別為壁面溫度和流體溫度，℃。這三種傳遞過程有相同的傳遞機理，相同的數學表達形式。1874年O.雷諾首先指出熱量與動量傳遞之間的類似性，并給出摩擦因子與傳熱分系數之間的定量關系。隨后L.普朗特于1910年、G.I.泰勒于1916年和T.卡門于1939年相繼對雷諾類比作了改進。有的提出了新的類比關系，并推廣到動量傳遞和質量傳遞的類比。在類比關系的基礎上，可以根據已知的一類傳遞規律，類推其他兩種傳遞的規律。三傳類比：指傳遞過程中的動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三者之間定量的類比關系。常見的類比關系有以下四種：雷諾類比雷諾假定單位時間內質量為M的流體微團,從距壁面一定距離處向壁面運動，其流速由u降為零。以整個流場均為湍流的假設為基礎，認為流體微團直接將熱量帶到了壁面，而忽略了近壁處存在層流底層。普朗特類比普朗特考慮到壁面附近有層流底層，流體到達層流底層后，不再以對流方式而以熱傳導方式進行傳熱。卡門類比卡門在前人的基礎上提出一個三層模型，他認為，在湍流核心與層流底層之間還有一個過渡區。柯爾本類比A.P.柯爾本應用管內湍流傳熱的經驗式Nu=0.023Re0.8Pr1/3、范寧摩擦因子的經驗式f=0.046Re，上述其他三個類比應用于傳質時,也有相對應的關系式。在Hr=0.5～50的范圍內j因子經常用于關聯傳熱、傳質的實驗數據。當出現邊界層分離時，除了摩擦阻力外，還存在壓差阻力（流動阻力），這時類比式不再適用，但jd和jh仍相等。五、常用準則數流體力學中常用準則數：雷諾數(Reynolds)：歐拉數(Euler)：弗勞德數(Froude)：韋伯數(Weber)：馬赫數(Mach)：準則數名稱定義式釋義畢渥數Bi固體內部導熱熱阻與其界面上換熱熱阻之比。傅立葉數Fo非穩態導熱過程的無量綱時間，表征過程進行的深度。格拉曉夫數Gr浮升力與粘滯力之比的一種度量。努塞爾數Nu壁面上流體的無量綱溫度梯度。普朗特數Pr動量擴散厚度與熱量擴散厚度之比。雷諾數Re慣性力與粘滯力之比的一種度量。傳熱學中常用準則數：L為特征尺寸；舍伍德數是反映包含有待定傳質系數的無因次數群，類似于傳熱中的努塞特數，以符號Sh或Nsh表示，它表征的是對流傳質與擴散傳質的比值，命名為Sherwood，主要是為了紀念美國著名化學工程家ThomasKilgoreSherwood。對流傳質中常用準則數：施密特數（Schmidtnumbe