材料成型机及传输原理

1、1.2“三传三传”的内在联系和类似规律的内在联系和类似规律1.3“三传三传”的研究方法的研究方法性质性质本课程为一门专业技术基础课，属于工程基础理论课程，是专业主干课，必修课。研究研究对象对象动量传输热量传输质量传输源于流体力学源于传热学源于传质学基础基础课程课程高等数学理论力学什么是传输过程？什么是传输过程？ 物理量从非平衡状态朝平衡状态转变的过程。具有强物理量从非平衡状态朝平衡状态转变的过程。具有强度性质的物理量（如温度、组分浓度等）在系统内不均度性质的物理量（如温度、组分浓度等）在系统内不均匀时就会发生物理量的传输。匀时就会发生物理量的传输。动动 量量 传传 输：输：在垂直于流体实际流动

2、的方向上，动量在垂直于流体实际流动的方向上，动量由高速度区向低速度区的转移由高速度区向低速度区的转移；热热 量量 传传 输：输：热量由高温度区向低温度区的转移；热量由高温度区向低温度区的转移；质质 量量 传传 输输：物系中一个或几个组分由高浓度区向低物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移；浓度区的转移；产生原因产生原因：三者都是由于系统内部存在速度、温度和浓度三者都是由于系统内部存在速度、温度和浓度梯度的缘故。梯度的缘故。1.2“三传三传”的内在联系和类似规律的内在联系和类似规律“三传三传”的类似性的类似性传传递递的的方方式式分子扩散传递分子扩散传递湍流传递湍流传递流场中速度分布不均的

3、时候流场中速度分布不均的时候产生了切应力；产生了切应力；温度分布不均的时候温度分布不均的时候产生了热传导；产生了热传导；在多组分的混合流中，某组分在多组分的混合流中，某组分的浓度分布不均的时候的浓度分布不均的时候产生了质量的传输；产生了质量的传输；旋涡混合造成的流体微团的宏观旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起。运动引起。一、牛顿粘性定律一、牛顿粘性定律dvdy 均质不可压缩流体均质不可压缩流体 ()()dvdvdydy 二、傅里叶定律二、傅里叶定律dydTq恒定恒定& Cp的流体的流体()()pppdC TdC TqaCdydy 三、菲克定律三、菲克定律dydDjAABA()dvdy ()p

4、dC Tqady dydDjAABA相似性相似性通式通式：通量（扩散系数通量（扩散系数浓度梯度）浓度梯度）、AB的量纲一致的量纲一致（）。（）。sm /2通量的传递方向与该量的浓度通量的传递方向与该量的浓度梯度的方向相反，故通式中有一梯度的方向相反，故通式中有一个个“负号负号”。传输过程的研究方法：传输过程的研究方法：理论研究方法实验研究方法1.3“三传三传”的研究方的研究方法法数值计算方法以理论指导计算和实验以实验验证计算结果以实验提供建模依据以计算弥补理论和实验 本篇主要研究在各种条件下，流体的本篇主要研究在各种条件下，流体的 内在性质、流动的特性和控制方法。内在性质、流动的特性和控制方法

5、。2.1 流体的概念和连续介质模型流体的概念和连续介质模型2.2 流体的主要性质流体的主要性质2.3 流体的粘性及其内摩擦定律流体的粘性及其内摩擦定律（）（）2.4 牛顿流体与牛顿流体与非牛顿流体非牛顿流体分子间的引力较小分子间的引力较小只能承受压力，不能承受拉力和切力；只能承受压力，不能承受拉力和切力；对缓慢变形不显示阻力，因此不存在静摩檫力；对缓慢变形不显示阻力，因此不存在静摩檫力；没有一定的形状；没有一定的形状；一、流体的概念一、流体的概念能够自由流动的物体，统称能够自由流动的物体，统称流体流体，如液体和气体。，如液体和气体。共同特征共同特征区别区别液体：具有一定的体积；有自由表面；不可

6、压缩液体：具有一定的体积；有自由表面；不可压缩( (分子间距与分子间距与 分子有效直径几乎相等分子有效直径几乎相等) )。气体：体积不定；无自由表面；可以压缩气体：体积不定；无自由表面；可以压缩( (分子间距与分子有分子间距与分子有 效直径相差很大效直径相差很大) ) 。2.1 流体的概念和连续介质模型流体的概念和连续介质模型二 、 连 续 介 质 模 型二 、 连 续 介 质 模 型 ( ( 宏 观 流 体 模 型宏 观 流 体 模 型 ) )欧拉欧拉1753年首先提出。年首先提出。 模型的含义模型的含义: 忽视流体微观结构的分散性忽视流体微观结构的分散性, 将流体看成是由无限多个将流体看成

7、是由无限多个流体质点或微团组成的密集而无间隙的连续介质。流体质点或微团组成的密集而无间隙的连续介质。 假定了流体的稠密性和连续性假定了流体的稠密性和连续性提出该模型的目的提出该模型的目的: 将反映宏观流体的各种物理量视为空间坐标的连续函将反映宏观流体的各种物理量视为空间坐标的连续函数，可引用数，可引用连续函数的解析方法连续函数的解析方法来研究流体处于平衡和运来研究流体处于平衡和运动状态下的各物理参数间的数量关系。动状态下的各物理参数间的数量关系。一.密度（密度（）和比体积（）和比体积（v）对均质流体对均质流体:Vm1Vvm( (m3/kg) ) 比体积：热力学和气体动力比体积：热力学和气体动力

8、 学中用来度量气体的体积，学中用来度量气体的体积， 又叫比容又叫比容.vggVG（kg/m3）2.2 流体的主要性质流体的主要性质二二.压缩性和温变膨胀性2、温变膨胀性：、温变膨胀性：当温度升高时，液体体积膨胀。当温度升高时，液体体积膨胀。 用体积用体积膨胀系数（膨胀系数（ V）衡量：）衡量：1VdVV dTp 液液 体体1、压缩性：、压缩性：在恒温条件下，用体积压缩系数（在恒温条件下，用体积压缩系数（T）衡量：）衡量：1TdVkV dp )(1K)(1aP0 的水，其初始压力P0=5atm，则，压力P每增加1atm，变化体积v为0.529.1atm下1020 的水，温度每升高1 ，体积改变量

9、为：1.5/10000.因此大多数情况下，都视液体为不可压缩流体。p 气气 体体1. 理想气体的状态方程理想气体的状态方程： 当气体的当气体的 p , t 改变时，改变时，将引起将引起v，的显著变化，这的显著变化，这些物理量之间的关系服些物理量之间的关系服从理想气体状态方程。从理想气体状态方程。RTpv RTpgRTp注3 2 .等温过程等温过程波义耳定律：波义耳定律：气体状态变化缓慢或气流速度较气体状态变化缓慢或气流速度较低时，气体与外界能进行充分的热交低时，气体与外界能进行充分的热交换，视为与外界温度相等换，视为与外界温度相等.常数pv常数/p 3 .等压过程等压过程盖盖吕萨克定律：吕萨克

10、定律：常数Tv/常数T常数T00273 273273ttVVTVVTT)(1K1273V根据体胀系数的定义，有：根据体胀系数的定义，有：0000tVVVVVVVTVT（1+）1VdVV dT在压力不变时，一定质量气体的体积随温度的升高而膨胀。温度每升高1K时，体积便增加273K时体积的1/273.4、 绝热状态绝热状态： pvk常数 /pvkcc1.4k 2.3 流体的粘性及其内摩擦定律流体的粘性及其内摩擦定律两相邻流体层发生相对运动时，在其接触面上存在一对等值两相邻流体层发生相对运动时，在其接触面上存在一对等值反向的作用力，即快层对慢层的拖动力和慢层对快层的阻力（内反向的作用力，即快层对慢层

11、的拖动力和慢层对快层的阻力（内摩檫力），流体的这种性质称摩檫力），流体的这种性质称流体的粘性流体的粘性。一、粘性的概念一、粘性的概念定板定板动板动板二、牛顿粘性定律二、牛顿粘性定律当流体的流层之间存在相对位移时，即存在速度梯度时，由于流体的粘当流体的流层之间存在相对位移时，即存在速度梯度时，由于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间以及流体与固体表面之间所产生的粘性性作用，在其速度不相等的流层之间以及流体与固体表面之间所产生的粘性阻力的大小与速度梯度和接触面积成正比，与流体的粘性有关，与接触面上阻力的大小与速度梯度和接触面积成正比，与流体的粘性有关，与接触面上的压力无关。的压力无关。xdvF

12、Ady xyxdvFAdy 又称为粘性动量通量。假想流体是一系列平行于平板的薄层，每个薄又称为粘性动量通量。假想流体是一系列平行于平板的薄层，每个薄层具有相应的动量，同时导致直接位于其下的薄层的流动。因此，动量沿层具有相应的动量，同时导致直接位于其下的薄层的流动。因此，动量沿y方向传递。注脚说明了动量传输的方向和所讨论的速度分量。方向传递。注脚说明了动量传输的方向和所讨论的速度分量。式中的式中的“负号负号”说明动量是从流体的上层传向下层（负向）。此时，速说明动量是从流体的上层传向下层（负向）。此时，速度度梯度（梯度（dv/dy）为负值。）为负值。yx注意注意: (1)(1)切应力成对出现，其方

13、向的确定切应力成对出现，其方向的确定: 当所研究的面被快层带动时，其上当所研究的面被快层带动时，其上的的与运动方向一致与运动方向一致; 当所研究的面被慢层阻碍时，其上当所研究的面被慢层阻碍时，其上的的与运动方向相反。与运动方向相反。1v2v11v22v则与反向，与同向。则与反向，与同向。(2)(2)当速度梯度当速度梯度 =0 =0 时，则时，则 F=F=0=0，即，即流体质点间无相对运动，流体静止或流体质点间无相对运动，流体静止或相对静止。相对静止。即即: 设有两块平板，其间充满静止液体，下板固定，上板以匀速u0平行下板运动。两板间的液体便呈现出不同速度的运动状态，即：从附着在动板下面的液体层

14、具有与动板等速的u0开始，向下逐渐减小，直到附着在定板上的速度为0。复习：粘性复习：粘性移动移动u0下板固定下板固定 这一事实说明，每一运动较慢的这一事实说明，每一运动较慢的流体层都是在运动较快的流体层带动流体层都是在运动较快的流体层带动下才运动的；反之，运动较快的流体下才运动的；反之，运动较快的流体层则受到较慢流层的阻滞而不能运动层则受到较慢流层的阻滞而不能运动得更快。得更快。 流体在外力的作用下流动时，作流体在外力的作用下流动时，作 相对运动相对运动 的流体层的流体层之间由于分子间的内聚力而产生的摩擦力称为之间由于分子间的内聚力而产生的摩擦力称为 粘性粘性 。与固体不同，静止的固与固体不同

15、，静止的固体存在静摩擦力，而静体存在静摩擦力，而静止的流体不呈现粘性。止的流体不呈现粘性。三、粘三、粘 度度动力粘度：动力粘度：(/)yxxdvdy物理意义物理意义当速度梯度为当速度梯度为1个单位时，单位面积上摩擦力的大小。个单位时，单位面积上摩擦力的大小。反映了流体固有的特性。反映了流体固有的特性。单位单位国际单位：国际单位：Pa s；工程单位：；工程单位：kgf/m2 s 运动粘度：运动粘度：（m2/s）四、温度和压力对粘度的影响四、温度和压力对粘度的影响温度：温度：液体：随温度的升高，粘度下降；液体：随温度的升高，粘度下降；气体：随温度的升高，粘度上升；气体：随温度的升高，粘度上升；例：

16、 两平行板相距3.2mm，下板不动，而上板以1.52m/s的速度运动。欲使上板保持运动状态，需要施加2.39N/m2的力。求板间流体的动力粘度。解：两板间的距离较小，可以将速度梯度当作线性变化处理。0/ (/)/yxxF AdvdyvY代入数据（略），可得：34.99 10 ()Pa s 2 . 4 牛 顿 流 体 与 非 牛 顿 流 体牛 顿 流 体 与 非 牛 顿 流 体宾海姆流体宾海姆流体(塑性流体塑性流体)：0 xdvdy()nxdvdyn1，为伪塑性流体，为伪塑性流体npAA1 1,1 1=1, =1, 则突然扩大截面处的局部能量损失为则突然扩大截面处的局部能量损失为 。说明其动能因

17、液流扰动而全部变成热能散。说明其动能因液流扰动而全部变成热能散失掉。失掉。)2(22121vgv或3. 3. 入口修正系数入口修正系数c ci i2121221vAAcpi局入口情况入口情况Ci 值值极好倒圆极好倒圆 稍稍倒圆稍稍倒圆 倒角倒角 后伸的管子后伸的管子0.04 0.23 0.4850.56 0.620.932、 截面突然变小、弯管及阀类截面突然变小、弯管及阀类 这几种情况通常查手册获得其公式这几种情况通常查手册获得其公式。四、管路系统总的阻力损失四、管路系统总的阻力损失2222vvDlppp局沿 注注： 相邻局部阻力损失间应有足够的距离。一般相邻局部阻力损失间应有足够的距离。一般

18、L(1020)d。 若两个靠得很近，则损失会成倍增加。若两个靠得很近，则损失会成倍增加。 在减小阻力损失时应注意以下几个问题：在减小阻力损失时应注意以下几个问题： a. 把握经济流速和管径的关系：把握经济流速和管径的关系： 经济流速与流体的总类、压力、温度、流体的净化程度有关。经济流速与流体的总类、压力、温度、流体的净化程度有关。 b. b. 设计时尽量将突变管变成渐变管；弯管变锐角、直角为钝角。设计时尽量将突变管变成渐变管；弯管变锐角、直角为钝角。大型弯管大型弯管 还可在弯管内作文章，如设内置导向叶片来削弱损失。还可在弯管内作文章，如设内置导向叶片来削弱损失。 c. c. 减小减小p p沿沿

19、的措施：在不影响总体的情况下，减小长度的措施：在不影响总体的情况下，减小长度(L)(L)，降低管道的表面粗糙度，加减阻剂都可减小沿程阻力损失。降低管道的表面粗糙度，加减阻剂都可减小沿程阻力损失。一、时均概念一、时均概念vtTmaxvvvTvdAdtTdAv0TudtvT0TpdtpT0时均速度时均速度时均压力时均压力5.3 圆管紊流圆管紊流二、水力光滑管和水力粗糙管二、水力光滑管和水力粗糙管层流底层过渡层紊流核心区速度分布n层流底层的影响很大，其厚度用层流底层的影响很大，其厚度用 表示。表示。nRe30dn还与管壁的绝对粗糙度还与管壁的绝对粗糙度有关：有关：n即：粗糙的管壁淹没于层流底层中，则

20、称为即：粗糙的管壁淹没于层流底层中，则称为 水力光滑管水力光滑管。其阻力损失小。其阻力损失小。n即：粗糙的管壁高于层流底层，则称为即：粗糙的管壁高于层流底层，则称为 水力粗糙管水力粗糙管。其阻力损失大。其阻力损失大。注意：注意： 同一根管子（同一根管子（d,不变）有时可能是水力光滑管，有不变）有时可能是水力光滑管，有时可能是水力粗糙管。因此，水力光滑管和水力粗糙管仅时可能是水力粗糙管。因此，水力光滑管和水力粗糙管仅是相对概念。是相对概念。三、（通流截面上的）速度分布三、（通流截面上的）速度分布maxv)(00rry层流底层层流底层yv1、对数规律：、对数规律：)(ln0maxCrkyvvfmax0ln1vvrykvfy阻力流速阻力流速0fv220)()(dydvky435. 036. 0k层流底层粘层流底层粘 性力性力比例系数比例系数其中：其中：maxv)(00rry层流底层层流底层yv2、在、在Re=31031 105范围时：范围时