三传的基本概念

冶金传输原理动量传输、热量传输、质量传输（三传）1冶金过程举例1电炉炼钢过程2钢包精炼过程3连铸过程4转炉炼钢过程5高炉冶炼过程冶金传输原理的应用2冶金过程分析冶金中的化学反应，也同时伴随着热量的传输、质量的传输，都是在物质的流动过程中发生的。比如高炉炼铁过程、转炉炼钢过程、炉外精炼及钢水的浇注等钢铁冶金高温生产过程中，均存在动量、热量和质量三者的传递过程。3第一篇三传的基本概念

第一章动量传输的基本概念第二章热量传输的基本概念第三章质量传输的基本概念4第一章动量传输的基本概念1.1动量传输的研究对象和研究方法1.2描述流场运动的方法1.3流场的描述1.4流体微团运动分析

1.5速度边界层的概念51.1动量传输的研究对象和研究方法动量传输就是研究流体（即气体与液体）在外界的作用下运动规律的一门科学，它的研究对象自然就是流体研究对象流体特点可流动性与可压缩性6可流动性与可压缩性的体现固体有固定的形状，流体则呈现出盛放它的容器的形状，而气体还要充满盛放它的容器的体积。。所谓可流动性就是指流体在任意小的切应力的作用下都会发生明显的变形，而一般的固体则不会。可压缩性是指在压力的作用下，流体的体积会发生明显的变化。7流体的性质Why因为物质是由分子组成的，分子与分子之间有着一定的间隙，气态物质在标准状态（0℃，101325Pa）分子间的平均距离大于分子的直径的10倍，分子间的相互作用微弱，不能保持一定的体积和形状，当外部压力增大时，其体积按一定的规律缩小，具有较大的可压缩性。液态物质分子间平均距离约为分子直径的1倍，分子间互相作用较大，通常可以保持其固有体积，但不能保持其形状。8一类物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限的变形，这种变形称为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切应力的大小有关，气体和液体都属于流体；另一类是固体，它能承受一定的切应力，其切应力与变形的大小呈一定的比例关系。物质受力和运动的特点物质分为两大类9液体和气体的区别液体可以随其容器形状不同而改变其形状，且在相当大的压力下几乎不改变其原有的体积，故通常称为不可压缩流体。液体与其他流体形成的分界面称为自由表面。气体则具有很大的压缩性，如果对气体施加压力，则其体积很容易缩小，如果压力无限减小，则气体可无限地膨胀，充满容纳它的空间，所以它没有自由表面，故通常称为可压缩流体。10连续介质模型研究方法研究流体的流动的一种模型流体力学中一般对流体都作连续介质的假定，即认为流体是由连续分布的流体质点所组成。这种流体质点尺度很小，数学上可以近似认为是一个点，但具有着宏观的物理量如密度、压力、速度等。11把流体视为连续介质？从宏观上研究流体的运动规律，认为流体是在空间和时间上连续分布的物质，即连续介质。实践证明采用这个模型来解决工程实际问题，其结果是能满足要求的。这样流体的一切特性，例如压强、温度、密度、速度等都可看成是时间和空间连续分布的函数，流体力学的问题可以用连续函数这个数学工具来进行研究。Why注意：稀薄气体的分子间距大，连续介质模型的概念不适用。12流体的一切属性（速度、压力、密度、温度、浓度等）都可看作坐标与时间的连续函数，利用连续函数的性质。连续介质模型从流体的宏观特性出发，流体充满的空间里是有大量的没有间隙存在的流体质点组成的，即为连续介质模型。流体质点在连续介质内对某一点取得极小，但却包含有足够多的分子（即宏观上足够小；微观上足够大），使其不失去连续介质的特性而有确定的物理值。连续介质的特性13人们把连续介质模型描述的流体叫流场。流场一是拉格朗日法；二是欧拉法。速度、压力、密度、温度等，流场在空间的变化行为有梯度、散度和旋度。描述流场运动的方法描述流场的基本物理量14流体微团

15控制体

返回161.2描述流场运动的方法通常有两种：一是拉格朗日法；二是欧拉法。17拉格朗日法（Lagrange.J.L（法））

18拉格朗日法（Lagrange.J.L（法））19拉格朗日法202.欧拉法

由于不同时刻流体质点经过空间某一固定点的速度是可测定的，所以在欧拉法中以速度作为描述流体在空间变化的变量，研究流体速度在空间的分布。什么样的物理量表征空间点上流体运动状态变化21在实际研究问题时区分清楚哪个质点处于哪个空间点上对大多数问题是没有任何意义的，而往往只要搞清楚在某一时刻流体在其存在的区域内各个空间点上的速度分布就行了，欧拉法正是对这一速度分布描述的一套方案。欧拉法把流体视为连续介质，用场论的方法研究流体的流动，是一套最重要的研究方案，以后的大多数内容都将沿用这套方案去研究。欧拉法中以速度作为描述流体在空间变化的变量22用欧拉法研究问题时，流体质点的运动规律用数学公式可做如下描述：（2-6）这里的r是空间坐标，在直角坐标系下可等价为：（2-7）这里的v因为是空间位置的函数，故v本身是一个场量，叫速度场。流体质点的运动规律23流体运动的加速度24左边是加速度（或叫做随体导数），它描述了流场中某一流体质点的速度变化情况；右边第一项称时变加速度（当地加速度或区域导数），由速度场随时间而变化引起的，当它=0时，速度场稳定流动；

右边第二项称迁移加速度（位变加速度或对流导数），由速度场的不均匀性引起的，当它=0时，速度场均匀流动。

2526272.2流场的描述在欧拉框架下，对流体流动的状态及其变化规律的描述，除速度场之外，还须知道其流场内的压力分布(即压力场)和密度分布(即密度场)。一般情况下还应有温度场，因为温度除对流体的密度、压力等场量有直接影响之外，往往还强烈地影响着流体的物理性质，如粘性。这些场量都是描述流场的基本物理量，当然在一些特殊情况下还应再加上其他的一些场量，如电磁流体力学中的电磁场等。281.梯度梯度是流场中流体物理量（如）在空间变化快慢程度的一种量度，它来源于等值面的方向导数。所谓等值面就是某一场量在空间量值相等的一个曲面，方向导数则是指场量函数值在空间某一方向上变化程度的一个数学概念。上述场量中有一部分是标量，另一部分是矢量，要描述它的特征及其在空间的变化行为就不得不引入场论中的:梯度、散度和旋度29今有一标量f，P为场内的任一点，场量值为f，取P沿l方向上邻近一点P′的场量值为f(P′)，如图2－1所示，则场量在P点沿l方向的变化率为：（2-11）图2-1方向导数与梯度30梯度31梯度来源于方向导数，但本身却为矢量，其正方向规定为沿等值面的法线方向并且指向函数值增大的一侧。在直角坐标系下梯度常写为：

这里的为x，y，z三个坐标轴上的单位矢量。32速度梯度332、散度

34散度35散度363、旋度

37Ωuusnωsa3839已知旋转角速度为矢量，故流体的旋度也为矢量直角坐标系，角速度的三个分量由线速度表示方向40相应的旋度可表示为：

414迹线迹线的概念是拉格朗日框架下引入的一个概念。而力学中对质点运动的描述常用轨迹的概念，所谓轨迹就是这里所说的迹线。

流场中的迹线就是流体质点在空间运动时所走过的轨迹。迹线的概念42设流场中某一质点的速度在直角坐标系下可表示为：则流体质点运动的空间坐标所满足的关系式为：为时间参数。

迹线的微分方程435.流线流线是在欧拉框架下引入的一个重要的概念，它的含义首先是流场中某一时刻的一条空间曲线。但这样的曲线不是任意的，在这条曲线上每一流体质点的速度方向与该曲线的切线方向相重合。uuxM（x，y，z）uyuzT4445流线的性质：MU4647流管、流束及流量486.流函数49507.势函数

51流线等势线由各流线上速度相同的各点连线称为等势线（等值线）5253543）流函数与势函数之间关系

55单纯平移单纯线变形单纯角变形单纯转动流体运动的方式1.4流体微团运动分析

56Vx+dVxVy+dVyVxVyDCAB讨论运动方式与速度变化575859将以上分析的结果可以推广到三维流场中去。

601.5边界层的概念611、边界层的特点：

622、边界层厚度

边界层的厚度，从理论上讲，应该是由平板的壁面处流体速度为零的地方一直到流速达到外界来流速度的地方，也即粘滞力正好不再起作用的地方。严格地说，这一界限在无穷远处。

63是一个微量，这是边界层的重要特征。643、边界层内的流动特征边界层流动同样有两种状态——层流和湍流。如图5-2所示，在边界层的前部，由于较小，速度梯度很大，粘性切应力的作用就很大，这时流动属于层流，称为层流边界层。

65（a）层流边界层（b）混合边界层（c）紊流边界层66当达到一定数值时(如平板绕流Re＞3×105～3×l06)，经过一个过渡区后，层流转变为湍流，形成所谓湍流边界层。湍流边界层总是在平板的后部形成，因为这里的雷诺数很大。从层流边界层转变为湍流边界层的点称为转折点。影响边界层转折点的因素很复杂，其中重要的因素有边界层外流动的压力分布、壁面性质，来流的湍流强度及其各种扰动等。确定转折点的临界雷诺数主要依靠实验。

6768应当注意，无论是过渡区还是湍流区，边界层最靠近壁面的一层始终做层流流动，这一层称为层流底层，这主要是因为在最靠近壁面处由于壁面的作用使该层流体所受的粘性力永远大于惯性力。这里要特别说明的是，边界层与层流底层是两个不同的概念。层流底层是根据有无脉动现象来划分，而边界层则是根据有无速度梯度来划分的。因此边界层内的流动既可以为层流，也可以为湍流。694、不同来流速度时的边界层对于管内的流动，当流体速度较小时，即在Re数低于临界值时，形成的边界层如图。靠管壁并随流入深度增加时，层流流层厚度增加，在L后到达管轴，以后在整个管道截面上均保持层流流动，截面的速度呈抛物线分布。L段称管流的起始段，以后称为充分发展了的管流流动。充分发展的管流层流流动70在流体速度较大时如图，即当Re数大于临界值以后，流动则由层流变为紊流，在层流边界层的厚度还未达到管轴之前即进入向紊流转变的过渡区，而后，于紊流区仅保持了厚度较小的层流底层，大部分空间为紊流核心所占据。充分发展的管流紊流流动71当流体流过曲面时，由于曲面使流动的有效截面改变，使边界层外边界上的流速改变，从而使压力也随流向而变化。因此，曲面边界层具有不同于平面边界层的特征，即存在边界层脱离和产生旋涡流动的现象。如图，船的行驶，在后部产生了旋涡。曲面边界层

72本章小结73第二章热量的传输基本概念传热：由于温度差引起的热量转移过程统称为传热。研究不同的物体间，或同一物体的不同部位间存在温度差时，其间的热量传递的规律。

传热的三种基本方式：导热、对流、辐射。74

1.

温度场物体温度随空间坐标的分布和随时间而变化的规律。

温度场是连续函数75讨论：

762、等温面

77等温线特点：

783、温度梯度

79804、热流量与热通量

81当流体流过与其温度不同的壁面时，流体与壁面之间发生热量传输。温度边界层也称热边界层：壁面温度tw变化到主流温度tf这一流体薄层称为热边界层。5.热边界层8283热边界层的特点：8485第三章质量传输的基本概念861.质量传输的方式872．浓度场和传质的两种状态

88893．浓度梯度

904、浓度边界层

IIICfCiCwYXCδc质量边界层的定义：流体流过固体（或流体）表面并与其进行传质过程时，靠近表面存在浓度梯度的一薄层，称为质量边界层