备课_动量传输(绪论+Chapter_1)-(2014)

1、任课教师：邹友生办公室：办公室：339栋栋411室室Email人简介l受教育经历受教育经历2001/08 2005/06，中国科学院金属研究所，博士1998/09 2001/03，东北大学材料与冶金学院，硕士1994/09 1998/07，东北大学材料与冶金学院，本科l研究工作经历研究工作经历2011/03 2012/03，英国布里斯托大学化学系，公派访问学者2009/06 2009/09，香港城市大学物理与材料科学系，研究员2008/01 至今，南京理工大学材料科学与工程学院，副教授2005/06 2008/01，香港城市大学物理与材料科学系，博士后2007/08

2、2007/09，德国哥廷根大学物理系，访问学者2Memristor 2D semiconductorsDoped ZnOPhotodetectorElectronic structureDefects, dopants, surfaces, dimension1. 宽禁带半导体纳米晶、薄膜及光电器件2. 原子厚度二维半导体材料、物性及器件3. 低维光电材料的理论与计算模拟。课题组：l金刚石薄膜表面纳米构造、功能化修饰、电化学传感l碳基超硬薄膜及应用l光电薄膜与器件l半导体纳米晶及其光电器件研究平台研究平台l纳米材料合成实验平台l纳米器件组装实验平台l光电性能测试实验平台l计算平台必修：必修：4

3、8学时/3学分专业基础课程：专业基础课程：教材教材: : 金属热态成形传输原理金属热态成形传输原理，林柏年主编，哈尔滨工业大学出版社，2000课程介绍课程介绍:流体及其流动、流体静力学、流体的层流流动、流体的紊流流动、流体流动的能量守恒 热量传输基本概念、固体中的热传导、对流换热、辐射换热质量传输的基本概念与扩散系数、扩散传质、对流传质、相间传质课程主要内容课程主要内容:平板状工程材料导热系数测定 自然对流换热系数的测定 个实验：个实验： 传输原理是材料科学与工程、材料成形与控制等专业的学科基础课。 本课程主要面向金属热态成形过程，阐述动量、热量和质量三种传输过程的基本概念、基本规律和计算解析

4、方法。 使学生掌握相关的基础知识、分析计算方法、技能，能够分析各种参数对传输现象的影响，并将其应用于金属热加工过程中，具备分析和解决相关实际问题的能力。课程的性质与作用课程的性质与作用:课程教学目标：课程教学目标： 掌握动量、热量和质量三种传输过程的基本概念概念、基本规律规律和解析方法方法，及传输理论在材料加工与成形过程中的应用应用。 掌握流体动力学基本知识；热传导、对流及对流换热、辐射换热等热量传输过程计算的基本方法；扩散、对流等质量传输的基本规律和相似原理。 了解三种传输现象的区别及联系，为正确分析和解决有关问题奠定基础。 该课程特点是运用到较多高等数学和物理方面知识，课程难度较高、内容深

5、。u 要求课前预习。u 课上认真听讲，做好笔记，跟上。u 课后要及时复习与总结。u 多作习题、独立完成作业，有疑难问题多问。课程教学基本要求：课程教学基本要求：其他参考教材：其他参考教材：1吴树森，材料加工冶金传输原理，机械工业出版社2苏华钦主编，冶金传输原理，东南大学出版社，19893沈颐身、李保卫、吴懋林著，冶金传输原理基础，20004朱爱民，流体力学基础，中国计量出版社，20045赵镇南主编，传热学，高等教育出版社，20026J.R.威尔特等编著、马紫峰、吴卫生等译，动量、 热量和质量传递原理物质或能量从非平衡态到平衡态转移的物理过程。垂直于流体流动的方向上，动量由高速度区向低速度区的转

6、移。热量由高温度区向低温度区的转移。体系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。传输理论是以物理学中的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。 （2）传输现象：）传输现象：普遍存在于金属热态成形过程与冶金过程，这些过程都是在高温下进行、并且常有气、液、固等多相参与，过程中必然伴随着各种物质传递或者热量传递等物理过程。例如：钢铁冶金过程中的高炉炼铁、转炉炼钢、铁水脱硫都是一个高温化学反应过程。如何实现高温？如何实现化学反应？此外，传输现象还存在于制冷工程、机械工程、生物化学工程及环境工程等领域。 合金熔炼过程中组分的混合合金熔炼过程中组分的混合 冲天炉熔炼中焦炭的燃

7、烧冲天炉熔炼中焦炭的燃烧 热处理过程中组分的扩散热处理过程中组分的扩散合金液充型过程散热、铸件的冷却及组分的再分配合金液充型过程散热、铸件的冷却及组分的再分配 异质合金焊接及焊接过程热传导异质合金焊接及焊接过程热传导材料加工过程中的传输现象：材料加工过程中的传输现象：为什么把为什么把“三传三传”放在一起作为一个整体：放在一起作为一个整体： “三传”具有共同的物理本质：都是物理过程。 “三传”具有类似的表述方程和定律。 在实际金属热态成形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，是一个有机的整体。我国自1980年以来，冶金类院校就将传输原理作为冶金专业一门重要的专业技术基

8、础课程。1960 年前后，出现了“动量、热量与质量传递”或“传递现象”这一课程。期间美国威斯康辛大学的R.B.伯德等人合著了传递现象一书，这是最早将动量、热量和质量传输现象归于一体的教材，用统一的理论进行分析研究三种传输现象。在传输原理这一课程被提出之前，流体力学（动量传递）、传热学（热量传递）和传质学（质量传递）是一些大学独立开设的课程。（3）传输原理）传输原理课程发展历程课程发展历程动量传输是研究流体在外界作用下运动规律的一门学科，属于流体力学。研究对象：流体为什么出现动量传输？流动中的物体内部不同部位的质点流动速度不一样流动物体中的动量分布不均匀动量交换流动速度较大的流体质点丧失动量流动

9、速度较小的流体质点获得动量主要研究内容：研究各种条件下： 流动物体中的动量（也即流动速度）分布情况；流动物体中的动量（也即流动速度）分布情况； 动量的传输规律；动量的传输规律； 流动物体的流速随时空变化规律流动物体的流速随时空变化规律动量传输是自然界和工程技术中普遍存在现象大气的流动；河流中的水流动；烟气流动钢液和铁水的流动；浇注过程中的金属液的流动；金属液中的气泡和渣上浮；金属熔炼炉或加热炉中炉气的流动；金属液对缩孔的补缩流动传输理论（动量传输、热量传输和质量传输）具有不同动量的流体产生的动量传输将影响到热量和质量传输，因此这三种传输有着紧密地联系。l流体的一些特性流体的一些特性（连续介质模

10、型、压缩性、膨胀性、粘性）（连续介质模型、压缩性、膨胀性、粘性）l流体的流动（层流、紊流、雷诺数）流体的流动（层流、紊流、雷诺数） 1 1、1 1 流体的一些特性流体的一些特性1.1. 流体：流体：在剪切应力的作用下会发生连续的变形的物质在剪切应力的作用下会发生连续的变形的物质。通常指能够流动的物质。一般为液体和气体带有固相颗粒、液相颗粒的气体或液体也是为流体p 流体的力学性质：流体的力学性质：u流体可以承受压力，传递压力和切力，但不能传递拉力，并在压力和切力作用下出现连续变形产生流动。（流动可持续流动可持续）u流体流动时内部出现内摩擦力，静止流体没有内摩擦力。p 气体和液体的区别气体和液体的

11、区别: :液体的分子间距几乎与分子的直径相等。对液体施压时，间距稍有缩小就会产生斥力而抵抗外压力，即分子间距很难缩小，因此通常称液体为不可压缩流体。气体分子间距大，常温下约是分子直径的10倍。常温常压下分子间距为3.3x10-7cm，分子有效直径约为3.5x10-8cm。只有当分子间距很小时才会出现斥力，因此，通常称气体为可压缩流体。液体有一定体积，有自由表面(引力作用）；气体充满容器，无自由表面（引力小、热运动）；液体几乎不可压缩； 气体可压缩性较大。传递过程离不开物质（包括固体和流体，而流体又分为传递过程离不开物质（包括固体和流体，而流体又分为液体和气体），物质都是由一些离散的、不断地做杂

12、乱液体和气体），物质都是由一些离散的、不断地做杂乱运动且互相碰撞的分子组成的。运动且互相碰撞的分子组成的。从微观角度讲，物质的从微观角度讲，物质的物理量在时间上和空间上都是不连续的。物理量在时间上和空间上都是不连续的。人们感兴趣的不是物质的微观结构和分子运动，而是一人们感兴趣的不是物质的微观结构和分子运动，而是一些宏观的物理量，如压力、密度、温度等，因此有理由些宏观的物理量，如压力、密度、温度等，因此有理由不以分子作为研究对象不以分子作为研究对象，而采用连续介质模型。，而采用连续介质模型。2 2 流体的连续介质模型：流体的连续介质模型：2 2 流体的连续介质模型：流体的连续介质模型： 流体连续

13、性基本假设：流体质点之间没有空隙没有空隙。 即把流体看成占有一定空间的无限多个流体微团(质点)组成的密集无间隙的连续介质。 反映宏观流体的物理量（密度、压力、粘度、流速、浓度）也是空间坐标的连续函数。从而可以利用数学上连续函数的方法来定量描述。 研究区域与分子自由程处于同一数量级时，非常稀薄的空气、高真空环境？3 3 流体的压缩性和膨胀性：流体的压缩性和膨胀性：压缩性：四周受压时体积变小特性；膨胀性：本身温度升高时体积增大特性（1 1）液体）液体/dV Vkdp k:体积压缩系数，Pa-1V: 液体原有体积，m3dV: 缩小的体积， m3dp:液体受压增加的压强，Pa含义：温度一定时，每增加单

14、位压强，液体体积变化的相对值。VP负号表示：（1-1）例：液体水的体积压缩系数压力（MPa）0.51.02.04.05.0k (10-10 Pa-1)5.395.375.325.245.15pVV/pVVpVV/1039. 51051039.5VV0.5MPa0.5MPa时，若压力增大时，若压力增大0.1MPa0.1MPa，体积变化量？，体积变化量？此时体积的减小只有约万分之0.5610101 . 01039. 5VV表1-1 0 oC水在不同压力下的k值液体具有不可压缩性液体具有不可压缩性/dV VdT:温度膨胀系数， -1dT：温度升高值，（1-2）含义：压强一定时，温度升高含义：压强一定

15、时，温度升高1 1 时液体体积的增大率。时液体体积的增大率。不考虑液体的膨胀性不考虑液体的膨胀性例：液体水的热膨胀系数温度 T = 1020 ，压力 P = 0.1MPa，水1.510-4 K-1TVV/4105 . 1VV当温度变化T=1K时，p实际在工程上，可以认为水是不可被压缩的。类似地，其他液体也可认为不可压缩。p液体的热胀性在工程上一般也不考虑。p特殊情况（比如液体体积较大，而压力变化突然），必须考虑液体的压缩性。（2 2）对气体）对气体（1-3）R：气体常数，287.2（Nm/(kgK)）空气理想气体：pVRTpRTpconst（1-4）波义耳定律：温度一定时，气体的密度与压力成正

16、比。盖吕萨克定律：TconstV：比体积（m3/kg）=1/p：绝对压力（Pa）T：热力学温度（K）标准状态下的空气（T=273K, p=101325Pa, V=0.774m3/kg)TT00constT由得令TTt0有00000001TTTTtt TVRTp温度变化为：体积变化为：所以：于是：01t（密度和温度的具体关系式）（密度和温度的具体关系式）p, T0, 0p, T, 恒压下推导恒压下推导盖吕萨克定律盖吕萨克定律: :000/11VVRTp VT气体膨胀系数0TT-Tp p tRTRTRtVVVp00,单位质量气体在273K时的体积为V0，温度升高T后其体积为Vt，当压强一定时，有：

17、00273273273273ttVVTVVT根据气体膨胀系数的定义，有：0000(1)tVVVVVTVT 比较这两式可得：1273压力不变时，一定质量气体的体积随温度升高而膨胀。温度升高1K，体积便增加273K时体积的1/273，此即盖吕萨克定律。气体膨胀系数恒压下气体膨胀系数的推导恒压下气体膨胀系数的推导：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=1.135k: 气体的绝热指数,仅 与气体的子结构有关k=Cp /CvCp ：定压比热容Cv：定容比热容1111111

18、11kkkkkkkkkppconstTTppconstpVp VconstTVconst（1-6）气体具有明显的压缩性和膨胀性，压缩性与压缩过程有关；气体具有明显的压缩性和膨胀性，压缩性与压缩过程有关；当气体的压力不太高（当气体的压力不太高（10kPa) ,10kPa) ,或速度不太大或速度不太大(70m/s)(70m/s)时，可认为是不可压缩的。时，可认为是不可压缩的。（3 3）可压缩流体和不可压缩流体）可压缩流体和不可压缩流体不可压缩流体不可压缩流体：流体的k和都很小，可忽略，其密度和重量可看成常数。可压缩流体可压缩流体：流体的k和都比较大，不能忽略，其密度和重量可变。液体视为不可压缩流体

19、处理；气体为可压缩流体处理：气体有明显的压缩性和热胀性。在工程上考虑气体的压缩性和热胀性时，常根据过程的特点做一些简化处理。（见P.6）如气体在管道中流动；或固体在静止气体中运动时，只要它们之间相对速度小于音速，气体的密度变化很小，这时可以忽略气体的压缩，视气体密度为常数。例题例题2：常温常压下（：常温常压下（20，1atm），将），将10m3空气等温加空气等温加压和绝热加压到压和绝热加压到5atm时体积分别是多少？若将该气体等容时体积分别是多少？若将该气体等容升温和绝热升温到升温和绝热升温到1000 时，压力为多少？时，压力为多少？解解：（：（1）等温加压）等温加压311 122212,11

20、025PVconstPPVPVVVmP（2）绝热加压）绝热加压112121 1222121,()()kkkkkVPVPPVconst PVPVVPVP11311.42121()10 ( )3.167645kPVVmP（3）等容升温：）等容升温：12221121100027314.3447120273PPTPVnRTPPatmTTT （4）绝热升温：）绝热升温：111112211221121121.4111 1.4212()()()20273()1 ()170.94751000273kkkkkkkkkkkkPTconstPTPTTPPTTPPTTPPatmT 例例3：当锅炉内的水温：当锅炉内的水

21、温t1=70时，可注入时，可注入50m3的水，如果的水，如果当锅炉内的水温升到当锅炉内的水温升到t2=90时，能从锅炉内排送出的水时，能从锅炉内排送出的水量为多少？已知水的热膨胀系数量为多少？已知水的热膨胀系数=6.410-4K-1。解：解：/dV VdT由436.4 1050 200.64dVVdTm故排送出的总水量为V2=V1+dV=50+0.64=50.64m34 4 流体的粘性流体的粘性dxdyyxyx(a)(a)流体速度分布流体速度分布(b)(b)流体微圆体上的切应力流体微圆体上的切应力 两平板之间充满流体，上板以速度v0运动，下板固定速度为0。紧贴于上运动平板下方的一薄层流体也以同

22、一速度运动。当vx不太大时，板间流体将保持成薄层流动。靠近运动平板的流体比远离平板的流体具有较大的速度，且离运动平板越远的薄层，速度越小，至固定平板处速度降为零。流体运动情况：流体运动情况：yxvvv+dvdyv=0v0由粘性力所引起的上、下两板间流体的质点只产生；在流体中的粘性力带动下，下层流体出现流动，并在，其分布如图(a)；运动快的流体层带动运动慢的流体层，流层之间 ，两层流体之间存在反向的相互作用，阻碍相对运动。这种性质，即流体的。yx两平板之间流体的运动特点：两平板之间流体的运动特点：（1 1）牛顿粘性定律：）牛顿粘性定律：dyvx+dvxvx流体层流流动时，流层之间的内摩擦力与以下

23、几个因素有关：l与两层流体的接触面积A成正比；l与两层流体的速度梯度成正比；l与流体的物理性质有关xdvFAdy （1-7）xyxdvFAdy 流层间单位面积上的内摩擦力（切应力）为：1687年牛顿总结出了关于确定流体内摩擦力的牛顿粘性定律由于粘性切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）是一对大小相等，方向相反的力。第一个角标y表示切应力的法线方向（速度梯度方向速度梯度方向），第二个角标x表示切应力方向（速度方向速度方向）。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。：动力粘度系数动力粘度系数，表示流层间出现相对流速时的内摩擦特性，表征了流体抵抗

24、变形的能力，即流体粘性的大小，Pas22/xdyNmN s mPa sdvmm sxyxdvFAdy 泊P=0.1Pas（2）运动粘度系数：）运动粘度系数：2(/ )ms是动量传输的一种量度单位换算： 1N=105dyn 1Pas = 1N s/m2 = 10 dyn s /cm2 =10P（泊 ），1P = 0.1Pas 运动粘度：1m2/s = 104 cm2/s =104 St（斯托克）323222/N s mkg m s s mmsmkgmkg流体的粘度愈大，所产生的粘性切应力也愈大，流体运动时的阻力也愈大。为了克服这种内摩擦所造成的阻力，从而使流体维持运动，必须不断供给流体一定的能量

25、，这就是流体运动时必然有能量损失的一个原因。而当流体处于静止状态时，或流体层之间没有相对速度，流体粘性就表现不出来了。 （3）流体粘性力产生物理原因：）流体粘性力产生物理原因：u垂直流动方向分子不规则热运动的动量交换。垂直流动方向分子不规则热运动的动量交换。由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。（气体为主）（气体为主）u 分子间引力（内聚力）作用。分子间引力（内聚力）作用。当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层

26、流体之间吸引力所形成的阻力。 （液体为主）（液体为主）（4）动力粘度系数和运动粘度系数与温度和组成有关：）动力粘度系数和运动粘度系数与温度和组成有关：= f （T，组成）= f （T，组成）对液体，温度升高粘度减小对液体，温度升高粘度减小对气体，温度升高粘度增大对气体，温度升高粘度增大为什么？3/20273ST()TS273Sutherland式：Andrade式：E /RTK e P8表表1-3压力压力对于液体的动力粘度系数和运动粘度系数的影响可忽略，对气体的动力粘度系数影响亦可忽略，但运动粘度系数与压力成反比。粘度(粘性系数)取决于流体种类,是一个物性参数。对于给定流体，粘度随温度和压力变

27、化。温度()动力粘度103 （Pa.s)运动粘度106 （m2/s)温度()动力粘度103 （Pa.s)运动粘度106 （m2/s)01.7921.792500.5490.55651.5191.519600.4690.477101.3081.308700.4060.415201.0051.007800.3570.367300.8010.804900.3170.328400.6560.6611000.2840.296不同温度下水的粘度不同温度下空气的粘度温度()动力粘度105 （Pa.s)运动粘度105 （m2/s)温度()动力粘度105 （Pa.s)运动粘度105 （m2/s)-201.61

28、1.15 401.90 1.68 01.71 1.32 602.00 1.87 101.76 1.41 802.09 2.09 201.81 1.50 1002.18 2.31 301.86 1.60 2002.58 3.45 例题例题3：两平行板相距：两平行板相距3.2mm，下板不动，而上板以，下板不动，而上板以1.52m/s的速度运动。欲使上板保持匀速运动状态，需的速度运动。欲使上板保持匀速运动状态，需施加施加2.39N/m2的力，求板间流体的动力粘性系数？的力，求板间流体的动力粘性系数？解：根据牛顿粘性定律xyxdvFAdy332.394.99 101.52/(3.2 10 )yxxPa

29、 sdvdy5 5 理想流体、牛顿流体和非牛顿流体理想流体、牛顿流体和非牛顿流体（1）理想流体：内部无摩擦力、无粘性的流体。是一种假想流体。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。 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。（2）牛顿流体：实际流体是有粘性的，满足牛顿粘性定律的流体。xyxddy 两个含义两个含义：当速度梯度为零时，粘性力为零。粘性力与速度梯度呈线性关系。如水、空气、大部分气体、油类（3）非牛顿流体：不满足牛顿粘性定律的流体。如橡胶、泥浆

30、、纸浆、油如橡胶、泥浆、纸浆、油漆和沥青、高分子溶液漆和沥青、高分子溶液常见有以下几种非牛顿流体：a. 假塑性流体和胀流性流体假塑性流体和胀流性流体0()nxyxddy粘性力与速度梯度的关系：（1-13）0:0 xdvdy时的流体动力粘度系数，也即零剪切强度。n1时为胀流性流体胀流性流体，b. 塑粘性流体塑粘性流体00()nxyxddy粘性力与速度梯度的关系：n1时为屈服胀流性流体n=1时为宾汉流体牛顿粘性定律的两层含义都不满足c. 触变性流体触变性流体粘性随流动时间延长而逐渐变小到某一定值的流体。当流体停止流动时，其粘性又可逐步回增到某一定值。理想流体或牛顿流体1.1.5 液体的表面张力及其

31、衍生现象（P.1113） 自学自学液体与固体和气体接触时，在交界面上的液体存在表面张力。LGSGLSf2f1f3f3f1+q q气液固LGSGLSf2f1f3f1+ f3气液固q q(a)(b)f3f1液体润湿固体，并沿固体表面铺开q90f390液体不能润湿固体表面cosSGLSLGq界面张力：f1：指向液体内部受相邻液体质点吸引力的合力f2：受气体质点吸引力引起的作用力f3：垂直固体表面的受固体质点吸引力引起的作用力 1 1、2 2 流体的流动流体的流动1.2.1 流体的流动形态（1）雷诺实验：水流较慢时水流较慢时，红色液体不与周围的水混合，自己形成流线。表明各层水的质点不相互混和，各质点运

32、动都是平行移动。1882年，发现有三种流动情况。水流速度加快时水流速度加快时，红色液体振荡，流线弯曲。振荡随流速加大而加剧。水流速度很大水流速度很大时，流动中水的质点运动已经变得杂乱无章，各层水相互干扰,液体出现混合。层流与紊流的形成，是由流体质点流动时的层流与紊流的形成，是由流体质点流动时的惯性力惯性力和所和所受受粘性力粘性力的比值决定的的比值决定的。由于粘滞性的存在，在管道中流动的流体自然出现分层流动，各流体层只作相对滑动而彼此不相混合 。流体不再保持分层流动，流动显得紊乱且不稳定，且粘性力限制流体质点作纵向脉动，抑制紊流的出现。流体两种流动形态：流体两种流动形态：上临界流速下临界流速两种流动形态相互转变（2）雷诺数判据：）雷诺数判据：A: 圆管中流体：圆管中流体：ReDD-圆管内流体平均速度D-圆管直径Re(1000013800)，紊流，紊流Re= (21002300)(1000013800)，过渡区，过渡区（1-16）流体的层流与紊流可通过雷诺数（Re）来判断。惯性力惯性力/ /粘性力粘性力无量纲数无量纲数 B. . 非圆管中流体：非圆管中流体：ReRR-非圆管内流体平均速度R-水力半径水力半径Re500，紊流，紊流Re= 5500，过渡区，过渡区R