材料传输原理

材料传输原理第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日菲克定律傅立叶导热定律牛顿粘性定律一、三种传输的基本规律第一章绪论第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第一章绪论1、数学表达式相似2、扩散系数具有相同的因次，单位均为（m2/s

）3、扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、热量和质量；通量的传递方向均与该量的浓度梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个“—”二、三种传输现象的类似性第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第二章流体的性质一、基本概念、知识流体（Fluid）自然界中能流动的物质，统称为流体。连续介质（Continuousmedium)模型将流体看成是由无限多个流体质点所组成的、密集而无间隙的连续介质，流体质点是组成流体的最小单位，质点与质点之间没有空隙。压缩性：当作用在流体上的压力增加时，流体所占有的体积将缩小，这种特性称为流体的压缩性，通常用等温压缩率κT来表示。第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日膨胀性：当温度变化时，流体的体积也随之变化。温度升高，体积增大，这种现象称为流体的膨胀性，用膨胀αV系数来表示。第二章流体的性质粘度/粘滞性（动力粘度，绝对粘度），物理意义为速度梯度为1个单位时，单位面积上内摩擦力，单位为Pa•s。第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日根据牛顿粘性定律，以切应力对速度梯度作图，若得到一条通过原点的直线，具有这种特性的流体称为牛顿流体。不具有上述特点的流体则统称为非牛顿流体。牛顿流体非牛顿流体第二章流体的性质第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日流体静力学欧拉静平衡方程作用在静止流体上的力：质量力、表面力流体静压强特性(1)垂直受压面并沿着受压面的内法线方向。(2)大小由位置的坐标决定，与作用方向无关。第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日流体静力学基本方程流体静力学绝对压强、相对压强的概念与计算第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日条件压强分布特征等压面特点绝对静止匀速直线运动以加速度a直线运动以角速度ω转动静止流体的压强分布、等压面流体静力学第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日一、基本概念4）有效断面（过水断面）：即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的横断面，即与流束或总流的流线成正交的横断面。第三章流体动力学1）迹线：流场中流体质点运动的轨迹线；2）流线：某一瞬时、流场中连续的不同位置质点流动方向线。是流场中某一瞬时的一条空间曲线，在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。3）流束：充满在流管中的液流称为流束。流束的极限是一条流线。无数流束就构成总流。第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日6）缓（渐）变流：水流的流线几乎是平行直线的流动。或者虽有弯曲但曲率半径又很大的流体流动，则可视为渐变流。渐变流的极限是均匀流。渐变流同一过水断面上的动水压强分布规律同静水压强，即z1+p1/γ

=常数。第三章流体动力学5）平均流速：由通过过水断面的流量Q除以过水断面的面积A而得的流速称为断面平均流速。7）动能（动量）修正系数：指按实际流速分布计算的动能（动量）与按断面平均流速计算的动能（动量）的比值。它们的值均大于1.0，且取决于总流过水断面的流速分布，分布越均匀，其值越小，越接近于1.0。一般工程计算中常取1.0。第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第三章流体动力学二、基本的公式、方程流体运动的速度、加速度当地加速度迁移加速度第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日二、基本的公式、方程连续性方程与恒定总流连续性方程不可压缩流体无分支、无汇集流动时：υ1A1=υ2A2，即Q1=Q2

，即任意断面间断面平均流速的大小与过水断面面积成反比。不可压缩流体：第三章流体动力学恒定总流能量方程（伯努利方程）第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第三章流体动力学伯努利方程的几何意义和物理意义。水头线

1）各断面的总水头连线称为总水头线或总能线。

2）对于理想流动流体的总水头线为水平线；3）对于实际流动流体的总水头线恒为下降曲线或直线，其下降值等于两断面的水头损失hw（hf）。

4）各断面的测压管水头连线称为测压管水头线。测压管水头线与总水头线的间距是流速水头，若是均匀流，则总水头线平行于测压管水头线。第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日应用能量方程时的注意事项（1）沿流动方向在渐变流处取过水断面列能量方程；（

2）基准面原则上可任取，但应尽量使各断面的位置水头为正；（3）在同一问题上必须采用相同的压强标准。一般均采用相对压强，而当某断面有可能出现真空时，尽量采用绝对压强；（4）由于z+p/γ=常数，所以计算点在断面上可任取，但对于管道流动常取断面中心点，对于明渠流动计算点常取在自由液面上；（5）应选取已知量尽量多的断面（其中一个断面应包括待求的未知量），如大水池表面v1=0，相对压强p=0；管道出口断面相对压强p=0等。第三章流体动力学第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第四章层流流动与湍流运动

Rec取决于边界形状（过水断面形状）、以及特征尺寸的选用。对圆管内流Rec=2320（2300）；非圆管Rec=500；明渠Rec=300。

时均化处理紊流。瞬时流速=时均流速+脉动流速1.流体流动的两种形态（层流和紊流）的特点（运动是否有序？流体微团是否有掺混？）2.层流、紊流的判别标准—下临界雷诺数Rec

3.紊流特点：无序性、耗能性、扩散性第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第四章层流流动与湍流运动4.不可压缩恒定均匀圆管层流圆管内层流流速呈旋转抛物面分布圆管层流的水头损失：即水头损失与流速的一次方成正比，沿程阻力系数λ=64/Re。如果流量为Q，其沿程损失的功率为圆管内层流的最大流速是平均流速为的2倍第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日6.紊流沿程阻力系数λ的求解a）尼古拉兹曲线。根据λ与Δ,Re的关系，将整个流区分为5个区（层流、层流向紊流过渡区、水力光滑区、水力光滑区向水力粗糙区的过渡区、水力粗糙区），查图或利用相应的实验公式。首先计算雷诺数判断流动状态（注意流道的形状）。b）湍流区通用的经验公式第四章层流流动与湍流运动5.紊流切应力第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日7.非圆形管内流动问题此时，引入当量直径de的概念，而且de=4R水力，沿程损失的计算，只需将圆管表达式中的d用de

取代即可：非圆形截面的特征长度则是水力半径R水力。第四章层流流动与湍流运动第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日8.求解具体问题时注意根据对具体情况的分析，往往需要进行必要的简化，结合伯努利方程，有时需要结合连续性方程、静力学基本方程。第四章层流流动与湍流运动第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日e.边界层外可按理想流体对待，边界层内1.边界层的概念与特点a.边界层厚度为一有限值；c.边界层厚度沿程增加；d.边界层分层流边界层和紊流边界层；b.边界层内速度梯度较大；第五章边界层理论第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第五章边界层理论

边界层厚度速度分布为一无穷级数形式（不作为计算时使用）2.流体掠过平板层流时的边界层微分方程第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日层流时边界层积分方程（简化后）边界层厚度边界层内速度分布关系第五章边界层理论第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第五章边界层理论由微分方程由积分方程不可压缩层流，平板绕流摩擦阻力S及摩擦阻力系数Cf第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日湍流，平板绕流边界层厚度δ、摩擦阻力S、及摩擦阻力系数Cf第五章边界层理论第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日2.几个相似准数：Re、Fr、Eua.粘滞力起主要作用时，b.重力起主要作用时，c.压力起主要作用时，

1）几何相似——原形和模型两个流场的几何形状相似；

2）运动相似——原形和模型两个流场的速度场相似；

3）动力相似——原形和模型两个流场中各相应质点所受的力同名、方向相同，大小成一固定比例；

4）初始条件和边界条件相似；第七章相似理论与量纲分析1.两液流流动相似必须满足由简单的物理方程通过相似变换导出某些准数第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第七章相似理论与量纲分析4.量纲和谐原理——凡是正确反映客观物理现象（过程）的方程，其量纲都必须是一致的。即只有物理方程两边量纲相同时，物理方程才能成立。3.基本量纲——具有独立性的，不能由其他量纲推导出来的量纲。一般取[L-M-T]。导出量纲——由基本量纲导出的量纲。第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日基本知识和概念导热物体各部分之间无相对位移，通过物体内部的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行热量传递的一种方式，称为热传导，简称导热。对流换热

是指流体流经与其温度不同的固体壁面时发生的热量传输现象。对流换热发生时，必然伴随着导热，而且导热是制约环节。温度场是指所研究对象的温度分布，通常温度的分布是空间、时间的函数。即物体的温度可以表示为T=f（x，y，z，t）辐射换热物体发出辐射与接受辐射对比的结果。热量传输概述、导热第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日等温面（线）

某一时刻，物体中各处温度相同的各点组成的面称为等温面，等温面与任意一个二维截面的交线称为等温线。习惯上以等温面或等温线来表示温度场。热量传输概述、导热热扩散率热导率热导率是表征物体导热能力的物性参数。在数值上等于温度梯度为1个单位时，物体内具有的热流密度。温度梯度温度场中，任意一点沿等温面法线方向单位距离的温度变化率称为该点的温度梯度，是一矢量。第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日是材料自身的热物性。蓄热系数惰性时间非稳态导热时，物体内某处未受表面升温影响（波及）的时间。热阻可以简单地视作热量传输过程中的阻力。不同的传热方式有不同的表示方式，而且与物体表面状态、结构有关。导热第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日基本公式导热第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日导热第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日热量传输概述、导热第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第十章对流换热牛顿冷却公式（对流换热计算表达式）热流密度：q=α（TW-Tf）；热流量：Q=αA(TW–Tf)。影响对流换热的因素

固体物的放置方式（水平、铅垂；热面朝上、热面朝下等）。流动的起因（强制对流、自然对流）流动的性质（层流、湍流）流体的物性（密度、粘度、热导率等）表面几何特征及流体流动的空间（外部掠过、内部流过）第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日换热微分方程式对流换热时，流体与固体表面之间的对流换热量都必须通过紧贴壁面的速度为零的流体层，穿过此层流体的热量几乎完全依靠导热。将傅立叶导热微分方程应用于该贴壁层，并联立牛顿冷却公式，可以得到局部换热表面传热系数α为：第十章对流换热第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日对流换热准数方程式1.对流换热准数（关键）第十章对流换热Gr

（格拉晓夫数）自然对流时采用的准数，反映自然对流换热过程中浮升（沉降）力、惯性力与粘性力的相对大小。(普朗特数）反映流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小。（努塞尔数）表征对流换热的相对强弱；可视为导热热阻与对流热阻的比值；(雷诺数）表征强制对流时，惯性力和粘性力的相对大小；第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期日2.对流换热准数方程式对稳定对流传热一般表示成：Nu=f（Re，Pr，Gr）第十章对流换热定性温度:外部掠过、内部流过不同特征尺寸：与物体的几何特征与放置形式有关第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期日自然对流换热问题自然对流换热的准数方程式一般为：要查表10-2确定自然对流换热中的C及n值，计算出Nu的值必要时进行修正。或由表10-3给出的简化公式确定Nu的值第十章对流换热第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期日对流换热系数的求解（步骤、方法）分析流体在空间上的流动方式、原因确定定性温度、定性尺度由定性温度查找有关物理参数计算Re或GrPr，判断流动的状态，确定系数、指数根据相应的表达式求出Nu

结合Nu的表达式求出相应的对流换热系数α

必要时进行一定的修正第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期日1.热辐射的基本概念1）热辐射：因热的原因而产生的电磁波辐射。2）辐射换热：物体之间相互辐射和吸收辐射能的总效果。3）物体表面的吸收、反射和穿透吸收率α

反射率ρ

透射率τ

黑体α

=1

固体、液体对热辐射不能穿透，τ

=0，α+ρ=1第十一章辐射换热第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第十一章辐射换热2.热辐射的基本定律（1）斯蒂芬—波尔兹曼定律（四次方定律）辐射力：单位时间内、单位表面积物体表面向其上半球空间所有方向发射的全部波长的总辐射能。斯蒂芬—波尔兹曼定律（四次方定律）黑体辐射力Eb与其热力学温度T的四次方成正比。即发射率：物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率或黑度，以ε表示。即第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第十一章辐射换热基尔霍夫定律任何物体的辐射力与它对来自同一温度黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下的黑体的辐射力。即推论：1）温度相同时，黑体的辐射力最大；

2）辐射力大的物体，其吸收率也大。善于辐射的物体必然善于吸收。

灰体单色吸收率αλ为常数的物体（实际物体的αλ对不同波长的辐射有选择性）灰体的性质第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第十一章辐射换热两个黑体表面间的辐射换热量为式中，A1为黑体表面积，X12为表面1对表面2的角系数，1/（A1X12

）称为辐射空间热阻，简称空间热阻。3.黑体间的辐射换热第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期日第十一章辐射换热角系数角系数的性质1）相对性2）完整性3）可分(加）性表面1发射的辐射能落到表面2上的量与表面1发射的辐射能的比值，称为表面1对表面2的角系数X12。第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期日从表面1发出而落到表面2（2a+2b）上的总辐射能等于落到表面2上各组成部分的辐射能之和，于是有：角系数的性质第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期日角系数的性质从表面2发出落到表面1上的总辐射能，等于从表面2的各个组成部分