冶传教学大纲80学时.docx

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冶传教学大纲80学时

《冶金传输原理》教学大纲

一课程简介

课程编号：

020401

开课院系：

冶金与生态工程学院

课程类别：

必修课

适用专业：

冶金工程

课内总学时：

80

学分：

6

参考教材：

《冶金传输原理》吴铿、冶金工业出版社、2011.12

二课程性质、目的与任务

《冶金传输原理》是冶金工程专业的一门重要的专业基础必修课程。

该课程的教学目的是要求学生掌握冶金传输过程的基础概念、基本理论。

本课程的任务是通过该课程的教学，使学生运用基本知识分析冶金过程，深入了解复杂的冶金反应过程中各因素的影响机理，从而为改进冶金工艺操作和设备、提高控制和设计水平打下基础。

三教学基本内容与基本要求

《冶金传输原理》课程主要内容有：

动量传输、热量传输和质量传输三大部分，并介绍了三者的类似机理、相互关联的关系；同时介绍了利用相似原理来处理试验数据和进行模型试验。

通过本课程学习，要求学生掌握冶金传输过程的基本理论，为“钢铁冶金学”专业课的学习打下较坚实的基础，培养学生分析冶金过程的问题和解决冶金过程问题的能力。

四课程教学的重点与难点

课程的重点内容，也是该课程的难点，就是应用物理学的三大基本定律（质量守恒、动量守恒和能量守恒），建立流体流动过程所满足的基本规律，即传输方程；以及如何应用这些方程去分析实际的工程问题。

五课程考核

1成绩评定

平时成绩占20％；期末考试成绩占80％；对在作业中有创意、成绩突出的学生，课程总评成绩给予5～10分的加分。

2试卷分析

为全面了解教与学的情况，制定了试卷分析基本框架，经过两届学生试卷分析，为提高教学质量、改进教学方法与手段，提供了依据和帮助。

六教学内容与学时分配

概论

1冶金传输原理与冶金物理化学和金属材料学被称为钢铁冶金的三大重要的专业基础课；

2冶金传输原理包括动量传递、热量传递和质量传递三部分组成；

3为什么把“三传”放在一起讲；

4传输原理课堂讲授内容的学时分配

前言传输原理和流体力学概论

2学时

第一篇动量的传输

32学时

习题课

4学时

第二篇传热学概论和热量的传输

26学时

习题课

4学时

第三篇传质学概论和质量的传输

16学时

习题课

4学时

第四篇传输现象的类比

2学时

总结

2学时

总复习

2学时

总计

80学时

第1、2学时结束

第一篇动量传输

第一章传输原理中流体的基本概念

主要内容：

主要介绍流体的基本概念。

从物理与数学的角度介绍流体的模型，给出流体的基本性质与分类，并对流体力学的分析方法做了介绍。

1.1流体力学研究的对象和意义

1.2流体及连续介质的假设

1.3流体的物理性质

1.4流体的压缩性和膨胀性

第3、4学时结束

1.5流体的粘性

1.6作用在流体上的力

1.7体系和控制容积及单位和量纲

第5、6学时结束

（作业：

1-1～1-14）

第二章控制体法（积分方程）

主要内容：

依据质量、动量与能量守恒定律，建立流体的质量、动量与能量守恒积分式，并将其结果应用到重力作用下流体平衡基本方程。

2.1质量平衡积分方程

2.2动量平衡积分方程

第7、8学时结束

2.3能量平衡积分方程

2.4重力作用下的流体平衡基本方程

第9、10学时结束

（作业：

2-1～2-8）

第三章描述流体运动的方法

主要内容：

在介绍流体运动状态的基础上，给出描述流体运动的基本方法：

拉格朗日法与欧拉法；同时介绍定常流、迹线、流线、流管、流量等一系列概念。

3.1雷诺试验和卡门涡街

3.2描述流体运动的两种方法

3.3质点导数

3.4拉格朗日法和欧拉法的转换

3.5流体运动的基本概念

第11、12学时结束

（作业：

3-1～3-11）

第四章流体动力学

主要内容：

在介绍连续性微分方程的基础上，对理想流体与实际流体建立了动量守恒微分方程，进而给出伯努利方程，讨论伯努利方程在实际中的应用。

4.1连续性微分方程

4.2理想流体运动方程

4.3伯努利方程

第13、14学时结束

4.4伯努利方程的应用

4.5实际流体运动方程

第15、16学时结束

（作业：

4-1～4-9）

习题课

第17、18学时结束

第五章管道中的流动

主要内容：

对管道中的流体流动状态进行分析，给出湍流的描述方式，特别介绍了普朗特混合长度理论；同时介绍了管道中的流体力学参数计算；较详细地讨论在冶金过程中经常使用的欧根公式和管路能量损失的计算。

5.1圆管中流体的层流流动

5.2湍流的流动

5.3普朗特混合长度理论

5.4圆管内湍流速度分布

第19、20学时结束

5.5圆管内的摩擦阻力系数

5.6气体通过固体散料层的公式

5.7管路计算

第21、22学时结束

（作业：

5-1～5-13）

第六章边界层理论

主要内容：

介绍边界层的概念，以及边界层内的动量微分方程；为了深入分析，分别介绍边界层方程边界层内的微分方程和冯·卡门动量积分方程。

6.1边界层理论的基本概念

6.2边界层微分方程

6.3冯·卡门动量积分方程

第23、24学时结束

（作业：

6-1～6-4）

第七章可压缩气体的流动

主要内容：

介绍可压缩气体的相关概念，建立可压缩气体一元等熵流动方程．分析一元稳定等熵气流的特性；还对射流与气液两相流做了简要介绍。

7.1可压缩气体的相关概念

7.2可压缩气体一元稳定等熵流动的基本方程

7.3一元稳定等熵流动的基本特性

第25、26学时结束

7.4气流参数与流通截面的关系

7.5喷管的计算与分析

7.6射流和气液两相流动

第27、28学时结束

（作业：

7-1～7-9）

第八章相似原理和模型研究方法

主要内容：

介绍相似原理的概念与思想，以及特征数的推导方法，并对量纲和谐原理、白金汉定理和模型研究方法及自模化等做了介绍；通过白金汉定理讨论细颗粒在流体中的阻力。

8.1相似的概念

8.2相似原理

第29、30学时结束

8.3量纲分析

8.4模型研究方法

第31、32学时结束

（作业：

8-1～8-12）

习题课

第33、34学时结束

第二篇热量传输

第九章热量传输的基本方式

主要内容：

介绍导热、对流和辐射这三种传热方式的基本规律，以及组合传热的概念；讨论不同物质的导热系数。

9.1导热

9.2对流

9.3辐射

9.4组合传热

第35、36学时结束

（作业：

9-1～9-6）

第十章导热微分方程

主要内容：

推导导热微分方程，介绍导温系数和定解条件等概念。

10.1导热微分方程

10.2导温系数（热扩散系数）

第37、38学时结束

10.3柱坐标系和球坐标系的导热微分方程

10.4定解条件

第39、40学时结束

（作业：

10-1～10-4）

第十一章一维稳态和非稳态导热

主要内容：

给出各种情况下一维稳态导热的微分方程解，引入热阻概念，介绍临界绝热层直径的计算方法；讨论非稳态导热的概念，对薄材给出非稳态导热方程的解，介绍其

他典型的定解条件下非稳态导热；还对导热问题的数值解法做了简要介绍。

11.1通过平壁的一维稳态导热

11.2通过圆筒壁的一维稳态导热

11.3非稳定导热的基本概念

11.4薄材的非稳态导热

第41、42学时结束

11.5半无限大物体的一维非稳态导热

11.6有限厚物体的一维非稳态导热

11.7导热问题的数值解法的简介

第43、44学时结束

（作业：

11-1～11-11）

第12章对流换热的基本方程和分析解

主要内容：

在介绍对流换热概念的基础上，建立对流换热微分方程组，并将其应用到边界层内；给出平板条件下的边界层内对流换热的微分方程解，同时给出相应的积分方程近似解。

12.1对流换热概述

12.2对流换热微分方程组

12.3对流换热边界层微分方程组

第45、46学时结束

12.4对流换热边界层微分方程组的分析解

12.5对流换热边界层积分方程近似解

12.6小结

第47、48学时结束

习题课

第49、50学时结束

（作业：

12-1～12-6）

第13章对流传热的无量纲参数及其试验关联式

主要内容：

分别介绍强制对流换热与自然对流换热的特征数与关联式。

13.1对流给热的无量纲参数和量纲分析

13.2强制对流给热及实验关联式

13.3自然对流给热及实验关联式

13.4小结

第51、52学时结束

（作业：

13-1～13-8）

第14章热辐射的基本定律

主要内容：

介绍热辐射的基本定律，以及辐射力、辐射强度、黑体、灰体、白体等概念；还介绍了基尔霍夫定律。

14.1热辐射的基本概念

14.2热辐射的基本定律

14.3实际物体的热辐射特性

14.4小结

第53、54学时结束

（作业：

14-1～14-9）

第15章辐射换热的计算

主要内容：

针对各种物质特性与几何条件，介绍辐射换热的计算方法；讨论气体辐射换热。

15.1黑体表面间的辐射换热

15.2灰体表面间的辐射换热

15.3辐射换热的网络方法

第55、56学时结束

15.4气体辐射

15.5气体与围壁表面间的辐射换热

15.6小结

第57、58学时结束

（作业：

15-1～15-9）

习题课

第59、60学时结束

第三篇质量传输

第16章质量传输的基本概念

主要内容：

介绍分子（原子）扩散的基本概念与规律，以及对流传质公式；介绍稳态传质与非稳态传质的概念。

16.1分子扩散传质

16.2分子扩散传质系数

16.3对流流动传质

16.4质量传输中的常用浓度单位

16.5传质通量

16.6小结

第61、62学时结束

（作业：

16-1～16-7）

第17章质量传输的微分方程

主要内容：

根据质量守恒定律，建立质量传输的微分方程，给出相应的定解条件，介绍模拟分子扩散的求解方法。

17.1质量传输平衡方程式

17.2质量传输过程的定解条件

17.3模拟分子扩散过程的步骤

17.4小结

第63、64学时结束

（作业：

17-1～17-2）

第18章分子扩散传质

主要内容：

根据扩散微分方程，求解不同几何条件下的稳态解，并对有化学反应参与的扩散传质问题建立数学模型；对几种筒单情况下的非稳态扩散方程进行求解。

18.1一维稳态无化学反应的传质

18.2一维稳态有化学反应的传质

18.3静止介质中非稳态分子扩散

18.4小结

（作业：

18-1～18-7）

第65、66学时结束

习题课

第67、68学时结束

第19章对流流动传质

主要内容：

介绍对流传质的基本方程；给出对流传质的重要参数，在层流下精确求解了边界层内的扩散的微分方程和冯·卡门动量积分方程。

19.1对流传质基本概念

19.2对流传质中的重要参数

19.3层流浓度边界层的精确解

19.4浓度边界层的近似解

19.5小结

第69、70学时结束

（作业：

19-1～19-5）

第20章对流动传质的特征数和试验关联式

主要内容：

介绍对流传质的特征数与关联式，并将其应用到管道流、流化床、湿壁塔等实际情况；介绍对流传质模拟的概念与步骤。

20.1对流传质的量纲分析

20.2流过平板、球体和圆柱体的传质

20.3管道内的湍流传质

20.4流体流过填充床和流化床的传质

20.5湿壁塔内的传质

20.6对流传质过程的模拟步骤

20.7小结

第71、72学时结束

（作业：

20-1～20-3）

第21章相间传质

主要内容：

介绍相际传质的概念，讨论三种边界层内的传质模型，介绍有化学反应参与时的相际传质。

21.1相际平衡与平衡浓度

21.2相间对流传质基本模型

21.3双膜理论与相际稳态综合传质

21.4具有化学反应的相际稳态综合传质

21.5具有传热过程的相际稳态综合传质

21.6小结

第73、74学时结束

（作业：

21-1～21-8）

习题课

第75、76学时结束

第四篇传输现象的类比和耦合

第22章传输现象的类比特性

主要内容：

对三种传输现象进行类比，初步探讨本课程的体系与结构。

22.1动量、热量和质量传输基本概念和参数类比

22.2动量、热量和质量传输的类比

22.3类比的特征数

22.4雷诺类比和柯尔伯恩类比

22.5动量、热量和质量边界层的类比

22.6冶金传输原理课程体系与结构的初步探讨

22.7小结

（作业：

22-1～22-4）

第23章传输现象的耦合特性

主要内容：

介绍不同传输现象间的耦合效应，及相应的不可逆过程热力学理论，着重介绍昂色格倒易关系。

23.1线性流密度和耦合效应

23.2不可逆过程热力学的基本概念

23.3近平衡体系的线性不可逆过程热力学

23.4昂色格（Onsager）倒易关系

23.5小结

第77、78学时结束

总复习

第79、80学时结束

（作业：

无）

七教学参考书

1.冶金传输原理，张先棹主编,冶金工业出版社1995

2.传递现象，R.B.博德，W.E.斯图沃特，E.N.莱特富特著，化学工业出版社2004

3.冶金传输原理基础，沈颐身，李保卫，吴懋林，著冶金工业出版社2000

4.传热和传质基本原理，弗兰克P英克鲁佩勒，大卫P德维特等著化学工业出版社2007

5.流体力学，张亮，李云波编，哈尔滨工业大学出版社2001

6.传热学，周筠清编，冶金工业出版社1999