冶金传输原理 课件.ppt

1、2020/8/5,1,教材及参考书目： 1、冶金传输原理， 张先棹主编 冶金工业出版社 1995 2、冶金传输原理基础， 沈颐身 李保卫 吴懋林 著 冶金工业出版社 2000 3、传递现象， R. B. 博德 等著， 戴干策等译 化学工业出版社 2004 4、（工程）流体力学， 多种版本 5、传热学，周筠清编，冶金工业出版社 6、传热学，杨世铭 （及其他多种版本）等。,2020/8/5,2,冶金传输原理导论 （所有老师用统一课件PPT),1、什么是传输现象？ （横向学科及其作用） 本课程的历史与地位：基础课、专业基础课（主干课）、专业课,2、为什么研究传输现象？ 提高化学反应速度和过程效率。

2、科学研究不断深入的需要。 问题：*如何搅拌高温钢水？（加料均匀分布和温度均匀） *转炉内钢水如何流动？动力何来？ *两船高速并行与两纸片间吹气的后果？ *等温室内条件下，为何冬天和夏天人的感觉不一？,三传：传热 传质 传动量-物理过程 传热学 传质学 流体力学 （无静力学） 温度场 浓度场 速度场 （设计，创新，改造，诊断等） 现象 = 三传一反 （物理+化学过程） 为化学反应输送所需。 还有没解决的问题：紊流，多相流等。,3、冶金工业和生活中哪些是传输现象吗？,2020/8/5,3,冶金传输原理主要是研究和分析冶金过程传输规律、机理和研究方法。主要内容包括冶金过程动量的传递（流体流动行为）、

3、热量传递和质量传递三大部分。 怎么学习“传输原理”？学什么？方法等。 多看，多练，多想，多交流。,冶金传输原理课程的内容,2020/8/5,4,钢铁冶金生产流程,2020/8/5,5,2020/8/5,6,高炉生产设备,2020/8/5,7,转炉炉口装料,转炉车间,2020/8/5,8,钢铁工业是一个涉及物理化学过程的复杂流程（高温化学工业）。,特点：高温传热过程、多相反应、流体流动、物质扩散,冶金过程必然会涉及到以下现象： 物料的加热过程，物料的冷却过程 流体的流动状态、速度和流动动力 物料扩散、搅拌及其均匀性,动量传输、热量传输、质量传输 （流体力学）（传热） （传质）,2020/8/5,

4、9,为什么把“三传”放在一起讲,“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。,在实际冶金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。,2020/8/5,10,学习冶金传输原理的基本目的： 第一，深入理解各种传输现象的机理，为理解冶金工艺过程奠定理论基础，对改进和优化各种冶金过程和设备的设计、操作及控制提供理论依据；,第二，为将来所要研究和开发的冶金过程,提供基础数学模型，以此为基础，可以对冶金过程进行模拟研究和控制，加速研发过程，降低研发成本。 第三，学习研究复杂过程和理论的方法。,2020/8/5,11,冶金传输原理动量传输部分,动量传

5、输的研究对象是什么？,流体,流动的,何为“动量”？其与“动能”有何区别？,2020/8/5,12,2020/8/5,13,第一章绪论,1.1 流体的定义和特征,1.2 流体作为连续介质的假设,1.3 作用在流体上的力 表面力 质量力,1.4 流体的密度,1.5 流体的压缩性和膨胀性,1.6 流体的粘性,1.7 粘性动量通量,2020/8/5,14,1.1 流体的定义和特征,自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态,一、流体的定义,具有流动性的物体（即能够流动的物体）。 流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。,流体包括液体和气体,2020/8/5,15,1.1 流体的定义和特征,一、

6、流体的定义：,液体与气体的区别 液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。,二、流体的特征,流动性,2020/8/5,16,1.2 流体连续介质的假设,微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。,宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。,问题的引出：,2020/8/5,17,A fluid can be modeled in one of two ways: as a collection of individual, interacting molecules (Molecular

7、Model) or as a continuum in which properties are defined to be continuous throughout space (Continuum Model). Macroscale fluid mechanics is based on continuum model. But if the molecules are sparsely distributed relative to the length scale of the flow, assuming continuity of fluid and flow properti

8、es may lead to wrong results. Consider measuring the density of a fluid for a certain sampling volume of space.,Fluid Modeling,2020/8/5,18,1.2 流体的连续介质假设,连续介质定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视 为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。,流体微团必须具备的两个条件 必须包含足够多的分子； 体积必须很小。,一、流体的连续介质假设,Number density: N2 3x1025 m-3 , H2O 2x1028 m-3 Intermol

9、ecular spacing: N2 3 nm , H2O 0.4 nm Mean free path: N2 100 nm,2020/8/5,19,1.2 流体的连续介质假设,避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏 观运动。,2. 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。,二、采用流体连续介质假设的优点,2020/8/5,20,1.3 作用在流体表面上的力,两类作用在流体上的力：表面力和质量力,一、表面力,1.应力 单位面积上的表面力。,流体或其他物体通过流体表面时，作用在流体上的力，其大小与作用面积成比例。,2020/8/5,21,1.3 作用在流体上的力,一、表面力,2.法向应

10、力和切向应力（压力和剪切力）,2020/8/5,22,1.3 作用在流体上的力,二、质量力,作用在流体内部每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。（也叫彻体力）,例如：重力、惯性力、磁力等。,2020/8/5,23,1.4 流体的密度,一、流体的密度,单位体积流体所具有的质量。,密度表征物体惯性的物理量。,单位：kg/m3,常见流体的密度： 水1.0103 kg/m3 空气1.23 kg/m3 水银13.6103 kg/m3,均匀流体：,流体重度：,单位：N/m3,2020/8/5,24,2020/8/5,25,1.4 流体的密度,二、流体的相对密度(比重）,流体的密度与4oC时水的密度的

11、比值。,式中，f 流体的密度（kg/m3） w4oC时水的密度（kg/m3）,2020/8/5,26,1.4 流体的密度,三、流体的比容,单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。,单位： m3/kg,2020/8/5,27,1.5 流体的压缩性,一、流体的压缩性,流体体积随着压力的增大而缩小的性质。,1.压缩系数 单位压力增加所引起的体积相对变化量,2020/8/5,28,1.5 流体的压缩性,二、可压缩性流体和不可压缩性流体 引起重要影响的参数！高压与常压流体的区别,可压缩流体和不可压缩流体,可压缩流体：考虑可压缩性的流体,不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体,2020/8/5,29,1.

12、6 流体的粘性,一、流体的粘性：引起重要影响的参数！,1. 粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。（与固体外表面接触时）,(1) 库仑实验(1784),库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。,2020/8/5,30,1.6 流体的粘性,一、流体的粘性(续),1.粘性的定义(续),(2) 流体粘性表现在： 流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度； 流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零（无滑移边界条件）。,2020/8/5,31,1.6 流体的粘性,一、流体的粘性(续),2.牛顿内摩擦定律(或粘性定律

13、)(续),牛顿内摩擦定律：试验证明粘性力正比与速度梯度。,实验表明，对于大多数流体，存在内摩擦力,引入比例系数，得：,粘性剪切应力,2020/8/5,32,1.6 流体的粘性,一、流体的粘性(续),2.牛顿内摩擦定律(续),(2) 牛顿内摩擦定律(续),粘性切应力与速度梯度成正比；,(2)比例系数称动力粘度，简称粘度。另一粘度单位：运动粘度,牛顿内摩擦定律表明：,2020/8/5,33,因为力存在于流体内部，故称为内摩擦力,A为两个流体层接触面的面积。,自上而下一层带动一层， 运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动， 运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层， 说明层间存在有摩擦力。,牛顿内摩擦

14、定律实质：,B层上下受到的内摩擦力（或切应力）方向相反,2020/8/5,34,1.6 流体的粘性,一、流体的粘性(续),流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。,(1) 动力粘度,(2) 运动粘度(动量扩散系数）,3.粘度,2020/8/5,35,1.6 流体的粘性,一、流体的粘性(续),3.粘度（续）,(3) 粘度的影响因素,温度对流体粘度的影响很大,当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大。,2020/8/5,36,液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。 温度分子间距分子吸引力内摩擦力粘度,气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。 温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度,压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。,2020/8/5,37,2020/8/5,38,1.6 流体的粘性,二、粘性流体和理想流体,1.粘性流体,具有粘性的流体（0）。,2.理想流体,忽略粘性的流体（=0）。 一种理想的流体模型。,Fluid Flow Moving fluids can exhibit laminar (sm