冶金传输原理(武汉科技大学)全套课件.ppt

1、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（

2、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=9.807 N 1N=0.102kgf压力（强）:1atm=1.01325105 Pa 1atm=760mmHg=10332mmH2O 1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807104 Pa 1mmH2O=1kgf/=9.8Pa能量:1kJ=0.239kcal 1kcal=4.187kJ 1w=1J/s=0.86kcal/h 1kcal/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

3、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

4、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/C

5、v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H A 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：1 0与F不变时，F A 2

6、 A=Const 时：F o/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 Pa S 1Pa S=1N S/=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

7、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

8、-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（

9、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

10、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）=760 mmHg=10332 mmH2O=101325Pa 1 工程大气压（at）=

11、1 kgf/cm2=98066.5Pa=0.986物理大气压(atm)=10000mmH2O 1 mmH2O=9.81Pa;1mmHg=133.32 Pa,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

12、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

13、，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

14、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

15、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=vdA m3/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,

16、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