材料工程基础(材料)复习指南

1、材料工程基础课程复习指南材料工程基础课程复习指南1 流体力学基础1.1 流体力学概述1、 流体的概念及流体的最基本特性P.2 流体：凡能够流动的物体统称为流体；专业术语定义：流体是指在任何微小的剪切力下都能发生连续变形的物体。 特性：流动2、 流体的物理力学性质及其表征的物理量：惯性（密度与重度的关系）、压缩性与膨胀性 密度： 压缩性与膨胀性：流体的压缩性是指在温度一定时，流体的体积或密度随压强改变的性质流体的膨胀性是指在压强一定时的体积或密度随时间改变的性质。 3、 流体的黏滞性、牛顿内摩擦定律内容、流体的动力黏性系数与运动黏性系数及其相互换算、影响流体黏滞性的因素、流体黏滞性与温度的关系；

2、举例说明牛顿流体与非牛顿流体。 粘滞性：所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体的一种固有物理性质，统称为流体的粘滞性。 牛顿内摩擦定律： 运动粘滞系数： 动力粘滞系数： 影响粘滞系数的的因素：物质本身 温度 气体的粘滞性随温度升高而升高，液体的粘滞性随温度减少。液体分之间的吸引力比气体要大的多，分子间的吸引力是构成液体粘滞性的主要因素。当温度上升时，分子间的空隙增大，吸引力减小，故液体的黏度降低。相反，气体分子间的吸引力微不足道，构成气体黏性的主要因素是气体分子做不规则热运动时，在不同流层见你所进行的动量交换。 黏性流体：实际流体 理想流体：没有黏性的流体。 牛顿流体：凡是遵循牛顿黏

3、性定律的流体统称为牛顿流体。例：所有气体和大多数相对分子量小的液体均属于牛顿流体，如水、空气等。 非牛顿流体：某些高分子溶液、油漆、血液等属于非牛顿流体。4、流体力学中的主要力学模型P.2、P.5、P.8流体连续介质模型、不可压缩流体模型、理想流体模型。 流体连续介质模型；质点与质点之间没用空隙。及宏观连续微观不连续。 不可压缩流体；如果气体的压强、温度变化不大似为不可压缩流体。密度不变。5、 作用于流体上的力 质量力；质量力与周围流体的存在无直接关系，对于均质流体，总质量力的大小与流体的质量（或体积）成正比。（如重力、磁力、电场力） 表面力：表面力是周围相接触的物体作用于所研究流体表面且与该

4、表面积大小成正比的力，它与流体的质量无关，而与周围物体的存在有直接关系。如大气压力、水压力与摩擦力1.2 流体静力学1、 流体静压强定义、流体静压强的两个重要特性 流体静压强：当流体处于静止或相对静止时，作用力流体单位面积上的压力称为流体的静压强。 特征：流体静压力的方向沿作用面的内法线方向 静止流体中任一点的流体静压强的大小与其作用面在空间的方位无关，即同一点上各个方向的流体静压强大小相等。为标量2、 等压面的定义及其重要特性（质量力与等压面正交）、仅重力作用下水平面为等压面，构成等压面的条件 等压面:静止流体中压强相等的各点构成的面称为等压面。 在静止流体中，作用于任一点的质量力垂直于经过

5、该点的等压面，可更具质量立的方向来判断等压面的形状，例如质量力只有重力时，因重力的方向垂直向下，可知等压面必是一系列的水平面。3、流体静力学基本方程式数学表示式、各项能量意义与几何意义、方程适用条件（同种、连续、静止，质量力仅为重力）及其应用方法。 能量意义：单位重量流体所有的位能，压力能4、 压强的两种计算基准：绝对压强与相对压强。完全无气体存在的空间称为绝对真空。 表压： 真空度： 绝对压强总是正的，而相对压强可正可负。5、压强的量度单位：(1)从压强的基本定义出发、液柱高度、标准大气压、工程标准大气压(2)1atm=101.325kPa =760mmHg=10.33mH2O(3)1at=

6、1kgf/m2=735.6mmHg=10.00mH2O6、 压强的静力学测量原理及计算方法1.3 流体动力学1、 研究流体流动的两种方法及各自特点：拉格朗日法与欧拉法。 拉格朗日法：跟踪每个质点的运动过程，描述其运动参数。 欧拉法：不着眼于个体流体质点的运动，而是在固定空间位置上，观察在不同时刻流体质点的运动情况。2、流体动力学的一些基本概念：恒定流与非恒定流、流线与迹线的联系和区别、过流断面（亦称为有效断面）与流量、水力半径与当量直径、点流速与平均流速。若流场中空间点上的任何运动要素不随时间变化，称为恒定流，否则为非恒定流。迹线：流体质点运动的轨迹即为迹线，它是采用拉格朗日法考察流体运动所得

7、结果。流线：某时刻在流场中画出一条空间曲线，此瞬时在曲线上任一点之切线方向与该点流体质点的速度方向重合，这条曲线就称作流线。 在非恒定流中，流线一般会随时间变化，在恒定流中，流线不随时间变化，流体质点将严重流线走流线与迹线重合。过流断面：凡是与流线处处相垂直的横截面称为流体的过流断面。平均流速：公式： 点流速湿周：在总流的的有效截面上，流体与固体壁面接触的长度称为湿周。水力半径：总流的有效截面积和湿周之比称为水力半径。当量直径：3、连续性方程及其适用条件： 一元恒定流 恒定流 不可压缩4、 渐变流概念及其过流断面的流体动压强分布规律 在渐变流断面上，流体动压强近似按静压强分布。5、实际流体总流

8、伯努利方程式的数学表示式、各项的能量意义与几何意义、方程适用条件及其应用方法。适用条件：重力作用、同一流线、不可压缩、理想流体、恒定流物理意义：沿同一微元流速或流线，单位重量流体的动能、位势能、压力势能之和为常数，即总的机械能是守恒的几何意义；对于重力作用下的不可压缩理想流体做恒定流动时，在整个流场或沿流线，总水头为一常数，即总水头线（各点总水头的连线）为一水平线。6、 过流断面上的测压管水头的定义：位置水头+压强水头7、总流伯努利方程的应用注意事项：(1)过流断面选取(2)基准面选取(3)压强选取(4)动能修正系数的确定(4)能量损失的计算h。1.4 流动阻力和能量损失1、 流体流动的两种流

9、动状态及各自特点及其判断方法。 层流：特征：是流体的运动很规则，流动分成，互不掺混，质点迹线光滑，流场稳定。 湍流：流动不规则，各部分剧烈掺混，质点的迹线也杂乱无章，流场极不稳定。 判断方法：雷诺数 公式： 当Re<2300时，；流动呈层流；当Re>4000时，流动呈湍流，而在2300<Re<4000为过度流。 2、 流体流动处于层流及紊流状态下过流断面上流速分布规律、动能修正系数的值。 圆管层流：流体呈旋转抛物面分布最大速度在中心平均速度等于最大速度的一半动能修正系数的准确值等于2 圆管湍流呈对数分布 动能修正系数为1.051.1之间取1 湍流程度越大动能修正系数越小

10、3、流体流动过程中能量损失的类型及其计算公式： (1)沿程阻力损失hl 沿程损失：是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的黏性力造成的。 液体 气体：(2) 局部阻力损失hm 局部损失：是发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，这种主要是由于流体微团发生碰撞，产生漩涡等原因(3) 流体流动产生能量损失的原因(4) 减小流动能量损失的措施。4、 尼古拉兹粗糙管的来源、绝对粗糙度(e)与相对绝对粗糙度(e/d) 在人工均匀沙粒粗糙管中进行了系统的沿程阻力系数和断面流速分布的测定。5、尼古拉兹实验的结论（5点）：(1)层流： 阻力与流速的一次方成正比(2)过渡流：l=f2(Re)(3)水力

11、光滑管： l=f(Re)(4)紊流过渡区：l=f(Re，e/d)(5)紊流粗糙区(阻力平方区)：l=f(e/d) 阻力平方区6、 实际管道的沿程阻力系数及其影响因素、水力光滑管与水力粗糙管7、 莫迪图的结构与特点（5点）及使用方法。1.5 管路计算基础1、管路阻力数S及其计算管路阻力数SH管路阻力数SH的单位：s2/m5流量、扬程（风压）与管路阻力数S关系。H=SHqV22、 管道沿程阻力损失、局部阻力损失及简单管路的计算3、管路的串联与并联特点1.6 相似性原理与量纲分析1、保证两个流动问题的力学相似条件两个流动几何相似、运动相似、动力相似以及两个流动的边界条件和起始条件相似。 几何相似：是

12、指模型流动和原型流动空间相似。几何相似是力学相似的前提 运动相似：是指模型流动和原型流动的速度场相似。运动相似是模型试验的目的。 动力相似：是指模型流动和原型流动的流场，在对应时刻里，各对应点所作用的同名力方向相同，同名里的大小成一定比例。 动力相似是运动相似的保证。 初始和边界条件相似：对于非恒定流动，初始条件是必须的，对应恒定流动，初始条件则失去了实际意义。2、各个相似准数的表达式及其含义欧拉准数(Eu)：表面两个流动的压力与惯性力的比为一常数弗劳德准数(Fr)：说明两个流体的惯性力与重力的比为一常数雷诺准数(Re)：说明两个流动的惯性力与黏性力的比为一常数。努塞尔准数(Nu)：反映了给定

13、流场的对流传热能力与其导热能力的对比关系。格拉晓夫准数(Gr)：气体上升力与黏性力的比值普朗特准数(Pr)：反映了流体的动量扩散能力与其能量扩散能力的比值关系。3、 相似三定律4、相似律雷诺模型律、弗劳德模型律1.7 窑炉系统内气体的流动1、两气体伯努利方程的表达式、各项计算方法与意义、相互转换关系及方程式适用条件： 适用条件：不可压缩流体质量力仅有重力恒定流2、 垂直分流法则的内容及其适用条件。 内容：在分散垂直通道内，热气体应当自上而下流动才能使气流温度均匀分布；同样，冷气体应当自下而上流动才能使气流温度分布均匀。这就分散垂直气流法则。 使用条件：应用于几何压头起主要作用的通道内，如果通道

14、的阻力很大就不使用。3、 高压气体流动：拉伐尔管适用条件 当高压气体由收缩管嘴流出，最大流速只能达到声速，要想得到超声速气流，必须将喷管做成先渐缩后渐扩的形状，即拉法尔管嘴。同时，在选择原始压强P0与周围介质压强P时，应当是 又使 ，这样气流达到拉法尔管喉部达到声速之后，得以在扩张管继续膨胀以获得超声速气流。4、烟囱自然排烟的工作原理、影响烟囱抽力的因素，可由下述公式讨论： 工作原理：由于烟囱中的热烟气受到大气浮力的作用，使之由下而上自由流动，在烟囱底部形成负压，而使窑内热烟气源源不断的流入烟囱底部。 影响烟囱抽力的因素：当动压头及压头损失都较小时，烟囱抽力主要取决于烟囱底部的几何压头 。烟囱

15、越高，产生的抽力越大，随烟囱底部烟气温度的升高，烟囱的抽力随之增大，这就是间歇式窑炉在点火初期烟囱抽力不如旺火期的原因。随着大气温度降低，空气密度增大，烟囱抽力随之增大，所以夜间烟囱抽力叫白天大，冬季烟囱抽力较夏季达。5、 烟囱设计注意事项，几座窑同时合用一个烟囱排烟情况考虑。 几座窑合用一个烟囱时，各窑的烟道应并联，并要防止相互干扰，以保护各窑的独立作用。烟囱抽力应按照几个窑中阻力最大者进行计算，而不是各窑阻力之和，烟囱直径则按几个烟囱总烟气量进行计算。燃料消耗量有变化的窑，应按最大燃料消耗时产生的烟气量进行计算为保证在任何季节都有做够的抽力，空气密度也应按该地区全年最高气温时的密度进行计算

16、。进行烟囱高度计算时，应根据烟囱所在地的海拔高度进行气压的校正烟囱高度的确定，还应考虑环境卫生的要求，应将烟气排至高空，以减轻对环境的污染。附近有飞机场，不能妨碍飞机的升降，此时烟囱高度一般不超过20M1.8 泵和风机1、 离心风机与离心泵的结构，特别重视出口安装角b2，划分泵与风机的叶轮叶型及其意义。 前向叶片叶轮b>90 径向叶轮 b=90 后向叶轮b<90 意义：具有前向叶型的叶轮所获得的理论扬程最大，其次为径向叶轮，而后向叶型的叶轮所获得的理论扬程最小。前向叶型的风机和泵虽能提供较大的理论扬程，但由于流体在前向叶型的叶轮中流速较大，真正扩压器中流体进行的动、静压的损失也比较

17、大，因而总效率比较低。 离心式泵全部都采用后向式叶轮，在大型风机中，为了增加效率和降低噪音水平，也几乎采用后向性。但就中小型风机而论，效率不是考虑的主要因素，也有采用前向叶型的，这是因为在相同的压头之下，前向性叶轮的轮径和外形可以做的较小。故在微型风机中，大多采用前向叶型的多风叶叶轮。 2、 离心风机与离心泵的工作原理 (从四个方面阐述：动力、离心、动能变静压能、负压)。 工作原理：当原动机通过转轴带动叶轮做旋转运动时，处在叶轮叶片间的气体也随叶轮高速旋转而获得离心力，经叶片间出口被甩出叶轮。被甩出的气体挤出机壳后，机壳内流体压强增高，最后被导向风机的出口排出。与此同时，叶轮中心由于流体被甩出

18、而压力降低，外界的流体真正大气压的作用下，沿风机的进口吸入叶轮，如此源源不断地输送气体。 3、离心风机与离心泵的性能参数及其相互关系、风机启动应注意事项 A流量 B全压：单位体积的气体从风机进口至出口的能量之差称为风机的全压。 扬程：当我重量的流体从进口至出口的能量增值，即单位重量流体通过泵所获得的有效 能量。 C功率：公式： D转速: 风机风机启动前应将风机进口调节风门严密关闭，以防误操作，带负载启动。4、比转数的概念、相关规定、实用意义及计算对于泵：； 对于风机： 比转速的实用意义： 比转速反映了某系类泵或风机性能上的特点。可以看出比转速大表明其流量大而压头小；反而，比转速小时，表明流量小

19、而压头大。 比转速可以反映该系类风机或泵在结构上的特点。因为比转速大的机器流量大而压头小，故其进出叶轮面积必然较大，即进口直径D0与出口宽度b2较大，而轮径D2则较小，因此叶轮厚而小。反之，比转速小的机器流量小而压头大，叶轮的D0与b2小而轮径D2较大故叶轮相对地扁而大。 比转速可以反映性能曲线的变化趋势。比转速小，则qv-H曲线越平坦，qv-H曲线上升较快，qv- 曲线变化越小；比转速越大则qv-H曲线下降较快，qv-N曲线变化较缓慢，qv- 曲线变化越大。5、 离心泵的气蚀现象、产生的原因。 气蚀：泵出现振动和噪声，在叶轮表面形成麻点和斑痕。在凝热的助长下，活泼气体还对金属发生化学腐蚀，以

20、致金属表面发生块状脱落，这种现象就是气蚀。 产生的原因：泵的安装位置高处液面高度太大泵安装地点的大气压强较低泵所输送的液体温度过高6、允许吸上真空度的修正方法及泵的安装高度计算。(1)修正方法：Hs'=Hs-(10.33-ha)+(0.24-hv)(2)泵的安装高度计算。7、 选用泵与风机应同时满足的要求、泵与风机的选择步骤。 选用时应满足使用与经济两个方面的要求。 步骤：选择类型 计算最大扬程、流量、或分压 根据qv、H、q选择泵的类型2 传热学基础2.1 传导传热1、 传热的推动力及传热三种基本方式的相关概念 传热的推动力：温差 传热的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射 热传导：

21、是在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热 流体流过物体表面时，依靠导热和热对流联合作用的热量传递过程，称为对流传热的过程。 热辐射：是指物体因自身具有温度向外发射电磁波或光子来传递热量的方式。2、 导热的基本概念：温度场、温度梯度、热流量与热流密度 温度场：是指某一瞬间，空间（或物体内）所有各点温度分布的总称。 温度梯度：表示温度床内某一点等温面法线方向的温度变化率。 垂直等温面单位长度的温度变化 梯度方向低温高温 热流密度：单位时间内通过单位面积上传递的热量，称为热流密度。符号q；单位W/m2 热流量：

22、耽误时间内通过某一给定面积上传递的热量称为热流量，符号 单位W 3、 导热的基本定律(傅里叶定律):或 任何时刻，均匀连续介质内各点所传递的热流密度正比例于当地的温度梯度 4、 导热系数（亦称为热导率）的概念、影响材料导热系数的因素，会解释日常生活的一些例子。 热导率 ：等于单位温度梯度作用下物体内热流密度矢量的模 量纲：W/(m*K) 其大小表征物质的导热能力，是物质的一个重要热物性参数。（本身、温度） 把热导率小于0.2W/(m*K)的材料称为隔热材料或热绝缘材、保温材料 大多数纯金属的热导率随温度升高而减小。非导电固体材料，他们的热导率随温度升高而明显增大。这类材料具有多孔结构，由于孔隙

23、存在，不能把这类材料看做连续介质，其热导率实为当量热导率。当温度升高时，不但孔隙中空气的热导率增大，而且材料本身的热导率也增大。此外材料孔隙中或多或少会产生对流换热和辐射换热，这些过程又会随温度升高而增强，以上原因的综合结果，就使这类材料的热导率随温度升高急剧增大。5、 导温系数的概念与意义 也称热扩散率。是材料的一种热物理性质,表示材料被加热或冷却时,其内部温度趋于一致的能力,单位为m/h。导温系数愈大,表明材料内部的温度分布趋于均匀愈快。 公式：6、 平壁单位面积热阻以及总面积热阻、圆筒壁单位长度热阻以及圆筒壁总面积热阻的表示形式。7、稳定态导热的分析与计算固体壁类型温度分布热阻形式传热量

24、形式平壁圆筒壁球壁2.2 对流换热1、 对流换热的概念及影响对流换热的因素，会解释日常生活的一些例子。 定义： 对流传热是指流体和固体壁面直接接触时彼此的传热过程 影响因素：流体流动状态和流动起因（自然对流传热和强制对流传热） 流体的物理性质 传热表面的形状、尺寸和相对位置 流体有无相变 例子：冬季在空气与水中水中冷 冬天骑车有风与无风那个冷2、 对流换热的基本定律(牛顿冷却定律)：或 h：物理意义：当流体与壁面之间的温差为1K时，1m2的壁面面积每秒所能传递的热量。3、 速度边界层与热边界层的概念。 温度边界层：当流体流过与其温度不同的壁面时，在壁面附近将形成一温度急剧变化的流体薄层，称为热

25、边界层或温度边界层。 速度边界层：紧贴固体壁面速度变化很大的薄层叫做速度边界层。4、 与对流换热有关的一些相似准数的表达式及其意义，如：Re、Gr、Pr、Nu 5、 定性尺寸、定性温度与特征速度的确定。 特征尺寸：它反映了流场的几何特征，对于不同流场，特征尺寸的选择不同，如对于流体平行流过平板，选择沿流动方向上的尺寸，对于管内流体流动，选择垂直于流动方向的管内直径，对于流体绕圆柱体流动，选择流动方向上的圆柱体外直径。 定性温度：反映了流体流场的流动特性。如流体流过平板来流速度被选择为特征流速；流体管内流动，管子截面上的平均流速可作为特征流速。 定性温度：6、 各种对流换热现象所涉及的特征数方程

26、中的各项意义。 定性温度取流体进出温度的算术平均值 ：特征尺寸为管内径 流体被加热时b=0.4流体被冷却时，b=0.32.3 辐射换热1、 热辐射的概念与热辐射的特点。 概念：当温度大于0K时，都会不停的以电磁波的形式向外辐射能量。 特点：热辐射能的传递不需要任何介质，且在真空中传递效率最高。 热辐射能传递的过程中伴随着辐射能与热能两种能量形式之间的装换。2、 热辐射 “三率”的定义与含义：吸收率、反射率与透过率 吸收率： 反射率： 透过率：3、 辐射的几个基本概念：辐射力、光谱辐射强度(单色辐射强度) 辐射力：也称全色辐射力，指单位时间内单位辐射面积向半球空间辐射出去的一切波长的辐射能量，用

27、符号E表示。单位为W/m2 光谱辐射力力：单位时间单位辐射面积向半球空间辐射出去的某一波长范围的辐射能量。称为光谱辐射力。用E 来表示，单位为W/( )4、 黑体辐射的基本性质与人工黑体 黑体通常吸收率 =1的物体称为黑体5、 黑体辐射定律的各式意义：普朗克定律、维恩偏移定律、斯蒂芬-波尔茨曼定律、兰贝特定律与基尔霍夫(亦称克希霍夫)定律 玻尔兹曼公式：6、 黑度(辐射率)、单色黑度(单色辐射率) 、灰体的定义与含义 灰体：如果实验所得辐射光谱是连续的，而且曲线 又和同温度下黑体相当的曲线相似，则称该物体为理想灰体，简称灰体。7、 两个物体间辐射角系数的概念与角系数的几个性质 定义：一表面发射

28、出去的辐射能投射到另一表面上的份额称为该表面对另一表面的角系数。 性质：相对性 自见性 完整性8、 两个灰体之间辐射换热的热阻数学表达形式及其意义、两个灰体之间辐射换热的辐射网络图9、 辐射换热的强化与削弱 遮热板10、 气体辐射与吸收的特点 与本身性质有关，单原子气体、分子结构对称的双原子气体，如惰性气体氢、氧、氮没有发射和吸收辐射能的能力，可以认为是辐射的透明体 有选择性 气体对辐射没有反射能力，它一面透过一面吸收，在整个气体体积中进行。固体和液体的辐射和吸收都在表面上进行。11、会计算两个物体间的辐射换热：不发光火焰：当煤气或重油在燃烧室中完全燃烧成烟气后送人窑中时辐射传热完全属于气体辐

29、射范围，由于气体辐射的选择性，不连续性，火焰的颜色略带蓝色或无色，称为不发光火焰。火焰辐射：由于这些固体微粒可以辐射可见光波，因此在窑炉空间出现明亮的火焰，所以这种辐射称为火焰辐射。 燃料含碳氢化合物越多的燃料，火焰黑度就越高。因为碳氢化合物含量越多，燃烧过程分解出的固体碳粒就越多。2.4 传热过程1、 会解释传热过程。2、综合换热系数(亦称表面传热系数)与对流换热系数、辐射换热系数的相互关系、辐射换热系数的计算3、传热过程分析(1)平壁的内、外热阻形式、热流密度计算：(2)圆筒壁的的内、外热阻形式、单位长度传热量计算：3 燃料及其燃烧计算3.1 燃料的种类及其组成1、 根据状态不同燃料的种类

30、、气体燃料的可燃成分与有害成分。 种类：气态：天然气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、沼气 液态：石油、汽油、煤油、柴油、重油 固态：泥煤、烟煤、无烟煤、褐煤、焦炭 可燃成分： 不可燃成分： 有害成分： 重油：用裂化及减压蒸馏等方法所得到的油渣有时比重油更重，也是一种燃料油，统称为 重油。2、 液体燃料的种类及特性参数以及相互关系。 A黏度 B闪点、燃点和着火点。闪点：当有火源接近时，若出现蓝色闪光，此时的油温称为油的闪点。若油温超过闪点，则油温蒸发速度加快，当火源接近油表面时，在蓝色闪现后能持续燃烧（不少于5s）此时油温称为油的燃点。若再继续提高油温，则油表面的蒸汽即使没有火源接近也会自发燃烧起来，这种现象称为自然，此时的油温称为油的着火点。 C凝固点3、 按照形成年代划分，煤的种类及各自特点，材料工业所用燃料种类。 泥煤：特点，含有大量水分，热值低，灰分低，挥发分高，为长焰燃料，机械强度低，不便于远途运输，仅能作地方性燃料 褐煤：它较泥煤所含的挥发分和水分少，固定炭多，热值及机械强度均较泥煤高。但褐煤长期储存易自燃和破碎且热值任较低，水分较大，因此也只能作为地方性燃料，褐煤除直接燃烧外还可用来产生发生炉煤气。 烟煤:固