冶金传输原理 课件

1、2022-3-151教材及参考书目：教材及参考书目：1、冶金传输原理，、冶金传输原理， 张先棹主编张先棹主编 冶金工业出版社冶金工业出版社 19952、冶金传输原理基础，、冶金传输原理基础， 沈颐身沈颐身 李保卫李保卫 吴懋林吴懋林 著著 冶金工业出版社冶金工业出版社 20003、传递现象，、传递现象， R. B. 博德博德 等著，等著， 戴干策等译戴干策等译 化学工业出版社化学工业出版社 20044、（工程）流体力学，、（工程）流体力学， 多种版本多种版本5、传热学，周筠清编，冶金工业出版社、传热学，周筠清编，冶金工业出版社6、传热学，杨世铭、传热学，杨世铭 （及其他多种版本）等。（及其他多

2、种版本）等。2022-3-152 冶金传输原理导论冶金传输原理导论 （所有老师用统一课件（所有老师用统一课件PPT)PPT)1、什么是传输现象？、什么是传输现象？ （横向学科及其作用）（横向学科及其作用） 本课程的历史与地位：基础课、专业基础课（主干本课程的历史与地位：基础课、专业基础课（主干课）、专业课课）、专业课2、为什么研究传输现象？、为什么研究传输现象？ 提高化学反应速度和过程效率。提高化学反应速度和过程效率。 科学研究不断深入的需要。科学研究不断深入的需要。 问题：问题：*如何搅拌高温钢水？（加料均匀分布和温度均匀）如何搅拌高温钢水？（加料均匀分布和温度均匀） *转炉内钢水如何流动？

3、动力何来？转炉内钢水如何流动？动力何来？ *两船高速并行与两纸片间吹气的后果？两船高速并行与两纸片间吹气的后果？ *等温室内条件下，为何冬天和夏天人的感觉不一？等温室内条件下，为何冬天和夏天人的感觉不一？三传：传热三传：传热 传质传质 传动量传动量-物理过程物理过程 传热学传热学 传质学传质学 流体力学流体力学 （无静力学）（无静力学） 温度场温度场 浓度场浓度场 速度场速度场 （设计，创新，改造，诊断等）（设计，创新，改造，诊断等）现象现象 = 三传一反三传一反 （物理（物理+化学过程）化学过程） 为化学反应输送所需。为化学反应输送所需。还有没解决的问题：紊流，多相流等。还有没解决的问题：紊

4、流，多相流等。 3、冶金工业和生活中哪些是传输现象吗？、冶金工业和生活中哪些是传输现象吗？2022-3-153 主要是研究和分析冶金过程主要是研究和分析冶金过程传输规律、机理和研究方法。主要内容包括冶金传输规律、机理和研究方法。主要内容包括冶金过程动量的传递（流体流动行为）、热量传递和过程动量的传递（流体流动行为）、热量传递和质量传递三大部分。质量传递三大部分。 怎么学习怎么学习“传输原理传输原理”？学什么？方法等。？学什么？方法等。 多看，多练，多想，多交流。多看，多练，多想，多交流。冶金传输原理课程的内容冶金传输原理课程的内容2022-3-154钢铁冶金生产流程B.F. gasConver

5、ter gasCoke oven gasIron oreLime stoneCoalHotblastOxygenBottom gasVacuumSlabProduct(Hot coil)WatercoolingTorpedo carSinteringCoke ovenBlastfurnaceConverterDegassererTundishC.C. machineHot strip millCopper mouldWater coolingWater cooling2022-3-1552022-3-156高炉生产设备2022-3-157转炉炉口装料转炉车间2022-3-158钢铁工业是一个涉

6、及物理化学过程的复杂流程（高温化学工业）。钢铁工业是一个涉及物理化学过程的复杂流程（高温化学工业）。特点：高温传热过程、多相反应、流体流动、物质扩散特点：高温传热过程、多相反应、流体流动、物质扩散冶金过程必然会涉及到以下现象：冶金过程必然会涉及到以下现象：1) 物料的加热过程，物料的冷却过程物料的加热过程，物料的冷却过程2) 流体的流动状态、速度和流动动力流体的流动状态、速度和流动动力3) 物料扩散、搅拌及其均匀性物料扩散、搅拌及其均匀性动量传输、热量传输、质量传输（流体力学）（传热） （传质）2022-3-159为什么把为什么把“三传三传”放在一起讲放在一起讲“三传三传”具有共同的物理本质具

7、有共同的物理本质都是物理过程。都是物理过程。“三传三传”具有类似的表述方程和定律。具有类似的表述方程和定律。在实际冶金过程中往往包括有两种或两种在实际冶金过程中往往包括有两种或两种以上传输现象，它们同时存在，又相互影响。以上传输现象，它们同时存在，又相互影响。2022-3-1510 2022-3-1511冶金传输原理动量传输部分 动量传输的研究对象是什么？流体流动的流动的何为何为“动量动量”？其与？其与“动能动能”有何区别？有何区别？2022-3-15122022-3-1513 流体的定义和特征流体的定义和特征 流体作为连续介质的假设流体作为连续介质的假设 作用在流体上的力作用在流体上的力 表

8、面力表面力 质量力质量力 流体的密度流体的密度 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 流体的粘性流体的粘性1.71.7 粘性动量通量粘性动量通量2022-3-1514流体的定义和特征流体的定义和特征固态、液态和气态固态、液态和气态具有具有流动性流动性的物体的物体（即能够流动的物体）（即能够流动的物体）。 流动性流动性：在微小在微小剪切力剪切力作用下会发生连续变形的特性。作用下会发生连续变形的特性。流体包括液体和气体流体包括液体和气体u=VMoving plateFixed plateyxu=0Fluid t0t1t22022-3-1515流体的定义和特征流体的定义和特征液体与气体的区别液体

9、与气体的区别 液体的流动性小于气体液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状；液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积气体充满任何容器，而无一定体积。流动性流动性2022-3-1516流体流体连续介质连续介质的假设的假设流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。分子间存有空隙，在空间是不连续的。一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。距离大得多。问题的引出：问题的引出：2022-3-1517 A fluid can be mo

10、deled in one of two ways: as a collection of individual,interacting molecules (Molecular Model) or as a continuum in whichproperties are defined to be continuous throughout space (ContinuumModel). Macroscale fluid mechanics is based on continuum model. But if themolecules are sparsely distributed re

11、lative to the length scale of the flow,assuming continuity of fluid and flow properties may lead to wrong results. Consider measuring the density of a fluid for a certain sampling volume of space.Fluid Modeling2022-3-1518流体的连续介质假设流体的连续介质假设连连续介质续介质流体视流体视 为由无数连续分布的为由无数连续分布的流体微团流体微团组成的连续介质。组成的连续介质。 流体微

12、团必须具备的两个条件流体微团必须具备的两个条件必须包含足够多的分子；必须包含足够多的分子；体积必须很小。体积必须很小。一、流体的一、流体的连续介质假设连续介质假设Number density: N2 3x1025 m-3 , H2O 2x1028 m-3Intermolecular spacing: N2 3 nm , H2O 0.4 nmMean free path: N2 100 nm2022-3-1519流体的连续介质假设流体的连续介质假设1.1. 避免了流体分子运动的复杂性避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏，只需研究流体的宏 观运动。观运动。2. 可以利用数学工具来研究流体的

13、平衡与运动规律。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。二、二、采用采用流体流体连续介质假设的连续介质假设的优点优点2022-3-1520两类作用在流体上的力：两类作用在流体上的力：表面力和质量力表面力和质量力一、表面力一、表面力1.应力应力 单位面积上的表面力。单位面积上的表面力。AFpAn0lim 流体或其他物体通过流体或其他物体通过流体表面时，作用在流体上的力，流体表面时，作用在流体上的力，其大小与作用面积成比例。其大小与作用面积成比例。2022-3-1521一、表面力一、表面力2.法向法向应力和切向应力（压力和剪切力）应力和切向应力（压力和剪切力） dAFdAFpnnAnn0lim

14、dAFdAFpAn0limFFAFpT2022-3-1522二、质量力二、质量力 作用在作用在流体内部流体内部每个流体微团上的力，其大小与每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。（也叫流体质量成正比。（也叫彻体力彻体力）kZjYiXf例如：例如：重力、惯性力、磁力等。重力、惯性力、磁力等。2022-3-1523一、流体的一、流体的密度密度单位体积流体单位体积流体所具有的所具有的质量质量。密度密度表征物体惯性的物理量。表征物体惯性的物理量。dVdM单位：单位：kg/mkg/m3 3 VM常见流体的密度：常见流体的密度： 水水1.010103 3 kg/m3 空气空气1.23 kg/m3 水银

15、水银13.6103 kg/m3均匀流体：均匀流体：流体流体重度重度：g单位单位：N/m32022-3-15242022-3-1525二、流体的二、流体的相对密度相对密度( (比重）比重）流体的密度与流体的密度与4 4o oC C时水的密度的比值。时水的密度的比值。 式中，式中， f f 流体的密度（流体的密度（kg/mkg/m3 3） w w4 4o oC C时水的密度时水的密度（kg/mkg/m3 3）wfd2022-3-1526三、流体的三、流体的比容比容单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。1单位：单位： m m3 3/ /kgkg202

16、2-3-1527一、流体的压缩性一、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数压缩系数 单位压力增加所引起的体积单位压力增加所引起的体积相对变化量相对变化量)/(/2NmpVVp2022-3-1528二、二、可压缩性可压缩性流体和流体和不可压缩性不可压缩性流体流体 引起重要影响的参数！引起重要影响的参数！高压与常压流体的区别高压与常压流体的区别 可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体常数 可压缩流体：考虑可压缩性的流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体 不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体常数2022-

17、3-1529一、流体的粘性：一、流体的粘性：引起重要影响的参数！引起重要影响的参数！1. 1. 粘性的定义粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。（与固体外表面接触时）产生摩擦力（即粘性力）的性质。（与固体外表面接触时）(1) (1) 库仑实验库仑实验(1784)(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。 2022-3-1530一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) )1 1.粘性的粘性的定义定义( (续续) ) (2) (2)

18、流体粘性表现在：流体粘性表现在： 流体运动时，流体运动时，内部内部各流体微团之间会产生粘性力，由此在各流体微团之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度；流体中产生速度梯度；流体运动时，流体附着在流体运动时，流体附着在壁面壁面上，此处速度为零（无滑移上，此处速度为零（无滑移边界条件）。边界条件）。2022-3-1531一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) )2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (或或粘性定律粘性定律)()(续续) ) 牛顿内摩擦定律：试验证明粘性力正比与速度梯度。牛顿内摩擦定律：试验证明粘性力正比与速度梯度。dydu实验表明，对于实验表明，对于大多数大多数流体，存在内摩

19、擦力流体，存在内摩擦力yuAFdd引入比例系数引入比例系数，得：，得：ohdyyu+duuyU粘性剪切应力粘性剪切应力yuAFdd2022-3-1532一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) )2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) ) (2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) )粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正比；(2)(2)比例系数称比例系数称动力粘度动力粘度，简称粘度。另一粘度单位：运动粘度，简称粘度。另一粘度单位：运动粘度牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：dydu2022-3-1533ohdyyu+duuyU因为力存在于流体内部，因

20、为力存在于流体内部，故称为故称为内摩擦力内摩擦力TAA为两个流体层接触面的面积。为两个流体层接触面的面积。自上而下一层带动一层，自上而下一层带动一层，运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动，运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动，运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层，运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层，说明层间存在有摩擦力。说明层间存在有摩擦力。牛顿内摩擦定律实质：牛顿内摩擦定律实质：B层上下受到的内摩擦力（或切应力）方向相反ABC2022-3-1534一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) ) 流体粘性大小的度量流体粘性大小的度量, ,由流体流由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。动的内聚力和分子的动量交换引起。(1) (1) 动力粘度动力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2) (2) 运动粘度运动粘度( (动量扩散系数）动量扩散系数）)/(2sm)/(smkg3.3.粘度粘度sPadyud)(2022-3-1535一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) )3.3. (3) (3) 粘度的影响因素粘度的影响因素温度温度对流体粘度的影响很大对流体粘度的影响很大 当温度升高时，液当温度升高时，液体的粘度减小，气体体的粘度减小，气体的粘度增大。的粘度增大