冶金传输原理(武汉科技大学)全套课件.ppt

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2,2022/10/3,第一篇动量的传输,概述冶金过程：

是物理化学过程、动量、热量、质量传输过程的组合过程。

传输理论的基础：

质量守恒定律；动量守恒定律；能量守恒定律。

研究的目的：

研究速率过程（动量、热量、质量）本学科的现状与发展,3,2022/10/3,工程单位制；基本单位：

长度，时间，力一单位制：

国际单位制；基本单位：

长度，时间，质量工程单位制规定：

质量为1kg的物体在标准重力加速度处所受的引力为1kg力。

缺点g随地点的不同而异，力不能作为基本单位，且kgKgf是不同的概念。

国际单位制：

基本单位：

米（m）公斤（kg）秒（s）度（）（K）导出单位：

力牛顿（1N=1kgm/S）能量焦耳（1J=1kg/S）压力（强）帕斯卡（Pa=N/）功率瓦（W=J/s）,4,2022/10/3,二单位换算：

力:

1kgf=9.807N1N=0.102kgf压力（强）:

1atm=1.01325105Pa1atm=760mmHg=10332mmH2O1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807104Pa1mmH2O=1kgf/=9.8Pa能量:

1kJ=0.239kcal1kcal=4.187kJ1w=1J/s=0.86kcal/h1kcal/h=1.163w,5,2022/10/3,第一章动量传输的基本概念,1、流体的定义:

流体的密度,在剪切应力的作用下会发生连续的变形的物质。

V从宏观上看应足够小，而从微观上看应足够大。

1、1流体及连续介质模型,6,2022/10/3,流体及连续介质模型,流体的密度,对于均质流体,7,2022/10/3,流体及连续介质模型,只有当流体是连续介质时，流体的一切物理属性均可以看作是坐标和时间的连续函数。

可以用微积分来处理问题。

即密度的倒数。

流体的比容,1、2流体的主要物理性质流体的密度,8,2022/10/3,流体的基本性质,流体的重度：

对于气体可以当作理想气体来处理，即气体满足理想气体状态方程。

R0：

普适气体常数，工程单位制中：

国际单位制,=g,9,2022/10/3,流体的基本性质,1、2、2流体的压缩性1、等温压缩对于液体而言，由于p很小，一般不记其压缩性。

注意压缩性是一相对的概念体积压缩系数其倒数为体积弹性模数,10,2022/10/3,流体的基本性质,对于气体：

1、等温时（T1=T2）2、等压时（P1=P2）,=1/273,11,2022/10/3,流体的基本性质,当气体的压力不太高（10kPa）,或速度不太高（70m/s）时，可认为是不可压缩的。

3、绝热时当气体没有摩擦，又没有热交换时，可认为是绝热可逆过程：

单原子气体k=1.6；双原子气体k=1.4（如氧气、空气）；多原子气体k=1.3（如过热蒸汽）；干饱和蒸汽k=1.135,K:

气体的绝热指数K=Cp/Cv绝热指数仅与气体的分子结构有关,12,2022/10/3,1、3流体的粘性,实验一：

当=0时，将一条色线穿透水射向平板，是一条直线（兰色），当0时，u水0色线变得弯曲起来（红线），可以看到无论来流的速度是多少，这条色线总是粘附在固体壁面上。

这种边界叫无滑移边界（条件）,13,2022/10/3,流体的粘性,实验二两平行平板，中间充满流体，平板的面积为A，其间的流体均匀，高为H。

且HA叫无限大平板,固定,14,2022/10/3,流体的粘性,将下面的一块平板作匀速直线运动，连续测定使这块平板作匀速直线运动所需的力。

实验测得稳定后F=Const。

实验结果：

10与F不变时，FA2A=Const时：

Fo/H（唯一的单增函数）结果的表达式为：

yx下标：

x为运动方向；y为在该方向上有速度梯度式中：

流体的动力粘度系数，其单位为PaS1PaS=1NS/=1Kg/ms,15,2022/10/3,1.3.2牛顿粘性定律a.正负号的意义，由于粘性应力的方向与流动方向平行，则yx与dvx/dy的方向无关（梯度是矢量）粘性应力是一对大小相等，方向相反的力。

亦是一矢量，正负号表示力的方向。

同时也可表为粘性动量通量。

流体的粘性,16,2022/10/3,流体的粘性,b.粘性动量通量：

通过单位面积在单位时间内传递的动量。

运动粘性系数，单位：

m2/s粘性动量通量的大小与动量梯度成正比方向：

总是从高速流层传向低速流层。

既粘性动量的传递方向指向速度梯度的负值方向。

使得计算结果中，粘性动量通量总是大于等于零。

即：

粘性动量通量,17,2022/10/3,1.3.4牛顿流体与非牛顿流体,牛顿流体：

满足牛顿粘性定律的流体。

两个含义：

1、当速度梯度为零时，粘性力为零。

2、粘性力与速度梯度呈线性关系。

非牛顿流体：

凡不满足牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿流体。

1滨海姆流体,18,2022/10/3,牛顿流体与非牛顿流体,当时，不符合第一个条件，如：

沙浆，矿浆等2屈服塑张流体：

其特征为两个条件均不满足3似塑性流体：

注意：

我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。

图1-4牛顿流体与非牛顿流体,19,2022/10/3,1.3.5粘性流体与理想流体,实际流体都是具有粘性的，都是粘性流体。

不具有粘性的流体称为理想流体，这是客观世界上并不存在的一种假想流体。

（1）在静止流体和速度均匀、直线运动的流体中，流体的粘性表现不出来。

（2）在许多场合下，想求得粘性流体的精确解是很困难的。

可以先不计粘性的影响，使问题的分析大为简化，从而有利于掌握流体流动的基本规律。

至于粘性的影响则可通过试验加以修正。

20,2022/10/3,1.4作用在流体上的力,1.4.1表面力如法向力（压力），切向力（粘性力）表面力的大小与其表面积的大小呈正比，是作用在表面上的力。

体积力（质量力）如重力、惯性力、电磁力等质量力的大小与其质量的大小呈正比，它可以远距离作用在流体内部的每一个质点上。

故称远程力。

21,2022/10/3,1.4.3流体的静压力及其特点：

1.流体静压力的作用方向与作用面垂直，并由外向内指向作用面。

用反证法来证明假定移去如图所示的一团流体的上部后作用力F的方向不垂直于作用面A，则F可分解为法向力和切向力，而由于切向力的存在这团流体就不会保持平衡而产生流动，所以，F必然是法向力。

F,Fn,F,22,2022/10/3,流体的静压力及其特点：

2.流体中任意点上的静压力在各方向上均相等而与方向无关。

证明：

在静止的流体中取一无限小的三角形，（如图所示）它包含有P点。

三角体的厚度取单位厚度，现分析其受力的情况，先考虑X方向的力：

dz=1,23,2022/10/3,流体的静压力及其特点：

X方向的受力：

流体受力有：

压力P和重力gx和gy流体是静止的Fx=0即：

又dxdy是高阶无穷小可不计Px=P同理可证Py=P依据静压的第二个特性：

当需要测量流体中某一点的压力时，可不必选择方向，只需在该点确定的位置上进行测量即可。

24,2022/10/3,压力的单位,除了用Pa外，还常用大气压力、毫米汞柱、毫米水柱、工程大气压等。

1物理大气压（atm）=760mmHg=10332mmH2O=101325Pa1工程大气压（at）=1kgf/cm2=98066.5Pa=0.986物理大气压（atm）=10000mmH2O1mmH2O=9.81Pa;1mmHg=133.32Pa,25,2022/10/3,1.5表面张力,1.5.1表面张力水滴悬挂在墙上或水龙头出口上，水银在平滑表面上呈球形滚动等现象，这些现象表明液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收缩趋势的力称为表面张力。

将单位长度上所受到的这种拉力定义为表面张力，以表示，它的单位是N/m。

1.5.2毛细现象当把直径很小两端开口的细管插入液体中时，表面张力的作用将使管内液体出现升高或下降的现象，我们称之为毛细现象。

这种足以形成毛细现象的细管称为毛细管。

26,2022/10/3,六、体系与控制体体系（系统）：

一些具有特性固定不变的物质的集合控制体：

大小、形状、位置不随时间而变化的流动区域三大守恒定律在在研究区域内描述质量守恒定律：

体系：

体系内质量随时间的增加率=0控制体：

控制体内质量随时间的增加率=单位时间流入控制体质量的速率-单位时间流出控制体质量的速率或表为：

控制体内质量随时间的增加率+单位时间净输出控制体质量的速率=0,27,2022/10/3,2.1流体运动的描述流体运动的全部范围称为流场，即无数个流体质点或微团运动所构成的空间。

流场速度场：

（在直角坐标系中）注意维数，稳定和非稳定流场。

V=f（x，y，z，）Vx=f（x，y，z，）Vy=f（x，y，z，）Vz=f（x，y，z，）Vy=f（x，）Vz=f（x，y，z，）Vz=f（x）,第二章动量传输的微分方程,28,2022/10/3,压力场P=f（x，y，z，）P=f（x，y，）密度场=f（x，y，z，）=f（x，）2.1.1研究流体运动的两种方法1.拉格朗日法以质点为研究对象,研究整个流体的运动着眼于弄清各个流体运动的轨迹,以弄清全流体的情况为拉格朗日的研究方法,在固体力学上是一种很有用的方法,在流体中研究波涛轨迹等用得较多。

2.欧拉法:

从分析空间某点上流体运动的物理量随时间的变化，以及由一点到另一点时这些量的变化来研究整个流体的运动。

既描写场内不同空间点的流动参数随时间的变化。

29,2022/10/3,2、1、2稳定流动与非稳定流动据流场中各参数是否随时间的变化，可将流场分为稳定和不稳定流场。

依据/是否为零来判断，为所有流动参数。

如：

流速、压力、密度当/=0为稳定流动；否则为不稳定流动,（a）,（b）,30,2022/10/3,2、1、3迹线和流线、流束和流管,迹线：

某一流体质点在空间运动时所走过的轨迹特点：

每一个质点都有一个运动的轨迹即为迹线的微分方程。

流线：

某一瞬间流场空间的一条曲线，在曲线上任一流体质点的运动速度方向与该点的切线方向重合。

31,2022/10/3,流线的性质：

通过流场内的任何空间点，都有一条流线，在整个空间中就有一组曲线族，亦称流线族流线是不能相交的，即某一瞬间通过任一空间上，只能有一条流线（反证）在不稳定流动下，流线与迹线不重合,32,2022/10/3,三、流管.流束及流量流线只能表示流场中质点的流动参数,但不能表明流过的流体数量。

为此引入流管、流束概念通过微小流束的流体数量dQ=vdAm3/s通过流管的流量Q=AvdA工程中常用平均流速的概念,33,2022/10/3,对微元控制体,质量守恒可描述为:

在单位时间内：

输入控制体的质量-输出控制体的质量=控制体内质量的蓄积,2、2连续性方程,X,y,z,dx,dy,dz,0,34,2022/10/3,X方向净输入的质量Y方向净输入的质量Z方向净输入的质量,35,2022/10/3,对于稳定流动有：

或表示为：

36,2022/10/3,2.2.2一维总流的连续性方程2.2.3圆柱坐标系和球坐标系的连续性方程此即圆柱坐标系的连续性方程。

对于不可压缩流体，其连续性方程为对于球坐标系，流体流动的连续性方程为,37,2022/10/3,2、3理想流体运动方程欧拉方程,控制体动量守恒作用于控制体的诸力之和+输入控制体的动量速率-输出控制体的动量速率=控制体内累积的动量速率欧拉方程:

x方向的欧拉方程,作用于控制体的力为:

压力、重力,y,x,38,2022/10/3,输入输出控制体的x方向动量的速率:

39,2022/10/3,可得理想流体的运动方程-欧拉方程：

对不可压缩流体有：

40,2022/10/3,3.7实际流体运动方程纳维-斯托克斯方程,N-s方程实际流体有粘性,作用在微团上应力比理想流体多，由于粘性而引起的附加法向力（由于剪切变形而引起的）及切向应力：

41,2022/10/3,推导方法同欧拉方程一样，即对微元控制体作动量的衡算，注意在推导的过程中须加上粘性力项。

粘性力在x