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舍伍德数Sh怎么算:对流传质和扩散传质的比值怎么来的

2026年10月26日0
舍伍德数Sh怎么算:对流传质和扩散传质的比值怎么来的
舍伍德数Sh怎么算:对流传质和扩散传质的比值怎么来的

说到采暖里的湿空气、含湿量和新风负荷,常常绕不开"物质怎么从一处跑到另一处"这件事。舍伍德数 Sh 就是衡量对流传质强度的无量纲数,它把"流动带着物质走"和"物质自己慢慢扩散"这两种机制放在同一个尺度上比大小。理解 Sh,等于拿到了把传热公式平移到传质问题的钥匙——它的结构和努塞尔数 Nu 几乎一模一样,只是把温度边界层换成了浓度边界层。

一、舍伍德数 Sh 到底在比什么

舍伍德数 Sh 的定义式很简洁:Sh = k·L / DAB。其中 k 是对流传质系数(单位 m/s,表示单位浓度差下物质穿过边界层的快慢),L 是特征长度(比如一片暖气片的高度、一颗水滴的直径),DAB 是组分 A 在介质 B 中的分子扩散系数(单位 m²/s)。从量纲看,分子 k·L 是"对流能把物质推过 L 距离"的速率,分母 DAB 是"纯扩散"的速率,所以 Sh 越大,说明流动主导的传质越占上风。它也因此被称为"传质的努塞尔数"。

二、和努塞尔数 Nu 是孪生兄弟

这正是舍伍德数最省力的地方。传热里努塞尔数 Nu = h·L / λ 描述对流传热 vs 导热,它依赖雷诺数 Re 和普朗特数 Pr;传质里的 Sh 则依赖 Re 和施密特数 Sc,二者的函数形式完全相同,只要把 (Nu, Pr) 整体替换成 (Sh, Sc) 即可套用。更进一步,Nu 与 Sh 的比值等于刘易斯数 Le 的 1/3 次方,当 Le≈1(例如空气-水蒸气体系)时两者数值几乎相等,热边界层和浓度边界层可以完全类比。想知道努塞尔数本身怎么算,可以参考暖气片表面换热系数怎么算。

三、它随流动怎么变:Froessling 关联式

对单个球体(比如蒸发中的水滴、结露的小液滴),常用 Froessling 关联式:Sh = 2 + 0.552·Re0.5·Sc1/3。式子里"2"是静止流体里纯扩散的极限值——哪怕一点风都没有,物质也能靠分子扩散传过去,对应的 Sh 下限就是 2;后面那一项则是流动带来的额外强化。注意 Sc 就是传质版的普朗特数,表征动量扩散与质量扩散的相对快慢,空气的 Sc 大约在 0.6 上下,关于它的含义可看施密特数 Sc 怎么算。

四、算一个空气侧的例子

假设一颗直径 2 mm 的水滴在 1 m/s 的空气流中蒸发,取特征长度 L = 0.002 m。空气运动黏度 ν≈1.5×10⁻⁵ m²/s,则 Re = u·L/ν ≈ 1×0.002/1.5×10⁻⁵ ≈ 133;水蒸气在空气中的 Sc≈0.6。代入 Froessling:Sh = 2 + 0.552×√133×0.61/3 ≈ 2 + 0.552×11.5×0.84 ≈ 7.3。再求传质系数 k = Sh·DAB/L,取 DAB≈2.5×10⁻⁵ m²/s,得 k ≈ 7.3×2.5×10⁻⁵/0.002 ≈ 0.09 m/s。可以看到,流动把传质效率从静止时的 Sh=2 提升到了 7 以上,这正是新风、除湿、暖气片表面凝水这类湿空气过程里物质迁移快慢的根本来源。

五、在采暖湿空气场景里有什么用

舍伍德数本身不直接出现在暖气片选型表里,但它解释了为什么"开窗通风换气"比"关着窗等它慢慢扩散"排湿快得多——流动把 Sc 之外的 Re 项拉大,Sh 随之升高。在做新风负荷、浴室排湿、冷凝干衣这类涉及含湿量变化的估算时,只要手边有对应的 Nu 关联式,把 Pr 换成 Sc 就能立刻得到 Sh,进而反算传质系数。它把传热和传质两套语言统一了起来,也让采暖系统里的湿过程不再只是一句"注意通风"的口头提醒,而有了一个可以定量比较的数。

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