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文档简介

1、BUAA材料加工过程传输理论材料加工过程传输理论绪论绪论北京航空航天大学材料学院周铁涛2017.9BUAA材料加工过程传输理论材料加工过程传输理论Principle of Transport Principle of Transport Processes in Material WorkingProcesses in Material Working课程代号:011505学 时:32开课单位:105学 分:2BUAA一课程目的与地位一课程目的与地位: 传输现象是动量传输,热量传输和质量传输的总称。通过本课程的学习使同学能够系统地理解和掌握动量传输,热量传输和质量传输的一般原理及其工程应用。提

2、高学生运用有关物理概念和数学解析方法分析解决本专业工程实际问题的能力。本课程是为材料加工工程研究生开设的课程,是一门数理解析较重的专业基础课。在材料加工工程日新月异并更加趋向整体化、综合化的今天,特别是计算机技术的引进,材料加工过程的实时模拟和实时控制技术的发展,对过程的描述不仅要求是定性的,更要求精确定量的描述,本课程重要地位和作用不言而喻。BUAA二课程主要章节、学时分配二课程主要章节、学时分配第一篇 绪论第二篇动量传输第三篇热量传输第四篇质量传输综合复习和考试BUAA三教学方式及学习方法三教学方式及学习方法: 课程教学以课堂讲授和课堂讨论为主,每篇内容完成后安排一次综合练习,以巩固课堂教

3、学内容并训练学生综合运用所学知识的能力。 BUAA四考核方式四考核方式 全部教学内容完成后,再安排一次综合练习,要求每位学生独立完成,此次练习成绩与平时练习成绩占课程总成绩的60。课程总复习后笔试,笔试成绩占总成绩的40。五五主要参考书主要参考书梅帜:冶金传输过程原理中南工业大学 BUAA第一章第一章 绪绪 论论 材料加工过程的本质是以原材料为对象,通过各种加工手段获得成型零件,其本质是既要控制形状,更要控制其组既要控制形状,更要控制其组织和性能。织和性能。原材料包括:金属、陶瓷、高分子复合材料及由它们通过各种方式组合而成的复合材料。BUAA 碳素钢 碳素结构钢、碳素工具钢钢:合金钢 合金结构

4、钢(渗碳、调质、 弹 簧、轴承、易切削) 合金工具钢(刃具、模具、量具) 特殊性能钢 不锈、耐热、耐磨、导磁、 无磁、膨胀铸铁:灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、特种铸铁有色金属及其合金:铝及合金、铜及合金、钛及合 金、镁及合金、其他金属合金金属材料BUAA塑料:通用塑料:聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚苯乙烯PS、酚 醛树脂PF、脲醛树脂UF、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 工程塑料:聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、 聚甲醛、聚苯醚、环氧树脂、聚酰亚胺纤维:人造纤维:粘胶纤维、铜胺纤维、醋酸纤维素纤维、 蛋白质纤维合成纤维:PET纤维(涤纶)、PA纤维(锦纶或尼龙)聚丙烯纤维(丙纶)、聚丙烯腈纤维(腈

5、纶)、聚氨酯纤维(氨纶)、聚氯乙烯纤维(氯纶)橡胶:通用橡胶:顺丁橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、丁基橡胶、乙丙橡胶(EPR)特种橡胶:丁腈橡胶(NBR)、硅橡胶(MQ)、氟橡胶(FPM)、聚硫橡胶高分子材料BUAA陶瓷材料传统陶瓷:玻璃、水泥、耐火材料特种陶瓷:结构陶瓷 氧化物、氮化物、碳化物 功能陶瓷 电功能、磁功能、光功能、 生物功能BUAA复合材料聚合物复合材料(2500C-3500C)金属基复合材料(3500C-12000C)陶瓷基复合材料(20000C-)复合材料一般有两个基本相:连续相和分散相。连续相为基体相,分散相为强化相。一般满足高强度、高模量、耐高温、低密度。BUAA金属

6、:铸造、锻造、焊接、冲压、粉末冶金、高分子材料:挤出、注射、压延、流延、浇铸、热成型、中空吹塑、薄膜和纤维拉伸陶瓷:压制-烧结、浇铸-烧结、挤出-烧结、注射-烧结、吹制-烧结、吹制、拉制、浮法复合材料:手糊成型、压制成型、挤出、 注射、浸渍、共沉积、粉末冶金材料成型工艺方法BUAA各种物态成形方法固态成型工艺:塑形成性(锻造、冲压、中空吹塑、 薄膜和纤维拉伸)粉末成形与烧结 (粉末冶金)、机械切削液态成型工艺:浇铸、焊接、粘接、挤出、注射、压 延、压制、浸渍、吹制、拉制、浮法BUAA材料成型工艺的重要特点:一种成型工艺可以用于不同材料的成型;不同材料的成型工艺可以互相借鉴,共同促进该工艺的发展

7、。材料成型工艺的发展趋势:1.精密、精确、低能耗、无污染2.连续化、自动化3.技艺转化为科学,工艺设计、工艺模拟、成型制造科学化4.新技术应用,激光、微波、红外、超声波、高能辐射、电磁动态 技术5.计算机集成制造系统、智能制造系统,使成型工艺过程、结构和 性能可设计和监控,实现制品的性能裁剪。BUAA无论何种材料无论以何种工艺手段成型其本质是:温度T、压力P、各种场力M改变材料形状、成份、组织、性能研究:流场 流体力学、压力P 温度场传热理论、温度T 质量场传质理论、场力MBUAA 材料加工过程传输理论就是研究材料加工过程中流场、温度场、质量场的传输现象和规律。 传输现象不仅存在于材料加工及冶

8、金过程中。在其它工程技术领域中也是普遍存在的,如制冷工程、机械工程、生化工程及环境工程等领域。 物理本质:传输过程是物理量从非平衡状态朝平衡状态转移的过程。所谓平衡状态,通常是指在物理系统内具有强度性质的物理量(如温度、压力、组分浓度等)不存在梯度而言的,例如,热平衡是指物系内的温度各处均匀一致。反之,若物系处于非平衡状态,即具有强度性质的物理量在系统内不均匀时就会发生物理量的传输,例如,冷、热两物体互相接触,热量会由热物体流向冷物体,最后使两物体的温度趋于一致。BUAA 传输过程中所传递的物理量为动量、热量和质量。 动量传输是指在垂直于实际流体流动方向上,动量由高速度区向低速度区的转移; 热

9、量传输是指热量由高温度区向低温度区的转移; 质量传输指物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区转移; 由此可见,动量、热量与质量传输之所以发生,是由于系统内部存在速度、温度和浓度梯度的缘故。 通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程称为现象方程,它是一种关联所观察现象的经验方程。 动量、热量和质量传输是一门探讨速率过程的科学。将这三种传输现象归结为速率过程问题加以综合探讨,具有一个鲜明的持色,这就是在速率这个概念上三种传翰现象之间存在着许多相似性。BUAA动量、热量与质量传输的类似性动量、热量与质量传输的类似性 动量、热量与质量传输是一种探讨速率的科学,三者之间具有许多类似之处,它们不但可以用

10、类似的数学模型描述,而且描述三者的一些物理量之间还存在着某些定量关系。这些类似关系和定量关系会使研究三类传输过程规律的问题得以简化。 当系统中存在着速度、温度和浓度梯度时,则分别发生动量、热量和质量的传输过程。动量、热量和质量的传递,既可由分子的微观运动引起的分子扩散传递,也可以是由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。BUAA 冶金熔液或气体等流体的粘性、热传导性和质量扩散性,统称为流体的分子传递(传输)性质。因为从微观上来考察,这些性质分别是非均匀流场中分子不规则运动在同一过程所引起的动量、热量和质量传输的结果。当流场中速度分布不均匀时,分子传递的结果产生切应力;而温度分布不均匀

11、时,分于传递的结果产生热传导;在多组分的混合流体中,如果某种组分的浓度分布不均匀,分子传递的结果便引起该组分的质量扩散。表示上述三种分子传输性质的数学关系分别为牛顿粘性定律、博里叶定律和菲克定律。 BUAA牛顿粘性定律:牛顿粘性定律: 两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率。即:dydv dyvddyvd)()(对于均质不可压缩流体,上式可改写为:BUAA傅里叶导热定律:傅里叶导热定律: 在均匀的各向同性材料内的一维温度场中,通过导热方式传递的热流密度为:dydTq对于恒定cp的流体,上式可改写为:dyTcddyTcdcqppp)()(称为导热系数或热导率,称为导温

12、系数火热扩散系数BUAA菲克定律:菲克定律: 在混合物中若各组分存在浓度梯度时,则发生分子扩散。对于两组分系统通过分子扩散传递的组分A的质量通量密度为dydDjAABABUAA三种传输现象的类比:三种传输现象的类比: 由牛顿枯性定律、傅里叶定律和菲克定律的数学表达式可以看出,动量、热量和质量传输过程的规律存在着许多类似性,可得到如下几点结论: (1)动量、热量和质量传输通量,均等于各自量的扩散系数与各自量的浓度梯度乘积的负值,三种分子传递过程可用一个通式来表达,即 (通量)=-(扩散系数)x(浓度梯度) (2)动量、热量和质量扩散系数、DAB具有相同的因次其单位均为m2s (3)通量为单位时间

13、内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、热量或质量,各量的传递方向均与该量的浓度梯度方向相反,故通量的通式中有一“负”号。BUAA传输过程的研究方法传输过程的研究方法 传输现象包含了流体力学、传热学及传质学的内容,因此传输过程是物理过程。它的研究方法和物理学中其它领域的研究方法一样,有理论研究、实验研究和数值计算三种方法。它们彼此取长补短,相互促进,从而使学科得到不断发展。BUAA 一、理论研究方法一、理论研究方法 传输理论是以物理学的3个基本定律(质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律)为依据的。这3个定律对体系而言的数学公式早以为大家所熟知。 传输理论应用这3个定律从宏观上研究传输问

14、题,其分析方法的核心是微元平衡法,而整体平衡法只是微元平衡法的积分形式。前一种方法得到的是微分方程,其解是在具体条件下的速度分布、温度分布和浓度分布;后一种方法得到的是积分方程,其解是在具体条件下的体系进口与出口各物理量之间的关系。 BUAA理论研究方法一般可分为下述三个阶段: (1)确定简化的物理模型 这是理论研究方法最关键也是最困难的一步,它要求人们对所研究的对象必须有深刻的了解。通常可以依靠实验、观察,对被研究的对象进行具体分析,分析哪些是主要因素,哪些是次要因素,然后抓住主要因素忽略次要因素进行合理的简化和近似,从而提出一个简化的物理模型。 (2)建立数学模型 针对上述物理模型,根据物

15、理上已经总结出来的普遍定律(例如牛顿定律,热力学定律等)建立普遍方程。普遍方程是对一大类问题的一般描述,它没有涉及过程的具体特点。为了唯一地确定所研究的某一过程,必须列出相应的定解条件,它包括初始条件和边界条件。数学模型建立后,实际上已将一个物理问题变成了数学问题。 (3)数学求解 利用各种数学工具准确地或近似地解出上述数学问题,并将结果和实验或观察资料进行比较,确定解的准确程度以及适用范围。BUAA 二、实验研究方法二、实验研究方法 实验研究方法在传输过程中有着广泛应用,它是研究问题不可缺少的一个方面。简化物理模型的提出,需要实验提供依据;计算结果的正确性、可靠性,需要实验来检验;当所研究的

16、问题极其复杂数学模型不易建立,或虽有数学模型但因方程复杂或边界条件复杂难于求解时,实验研究或基于相似理论的模型实验研究就显得特别重要。 实验研究方法的主要特点在于,实验能在与所研究的问题完全相同或大体相同的条件下进行观测。因此,通过实验得出的结果一般说来是可靠的。但是实验方法往往要受到模型尺寸的限制,以及边界条件不能全部满足等问题。BUAA 三、数值计算方法三、数值计算方法 传输方程是二阶非线性偏微分方程组。当研究对象是三维空间或边界条件复杂时,普通的数学解析方法往往会无能为力。数值计算方法是在20世纪60年代蓬勃发展起来的。由于数学发展水平的局限,理论研究方法往往只能局限于比较简单的物理模型

17、。 生产技术的日益提高,又要求能研究更复杂更符合实际的过程。另外,高速电子计算机的出现,以及一系列有效的近似计算方法(有限差分法、有限元法等)的发展,使数值计算在传递过程研究方法中的作用和地位不断提高,并已成为与理论研究和实验研究并列的具有同等重要意义的研究方法。 BUAA 数值计算方法的优点是能够解决理论研究无法解决的复杂问题。和实验相比,所需的费用和时间都比较少,而且有较高的精度。有些问题,例如加热炉过程的解祈与自动控制、可控热核聚变中的高温等离子流动,以至星云演化过程等均无法在实验室内进行实验,若采用数值计算法却可以对它们进行研究。 当然,数值计算法也有局限性,所得结果也是离散的,以至不容易看出各个物理参数对解的影响。另外,它要求对问题的物理特性有足够的了解,从而能

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