传输原理06.ppt

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1、材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第六章第六章材料加工中的特殊流体流动材料加工中的特殊流体流动材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第六章 材料加工中的特殊流体流动 流动现象有：流动现象有：热喷涂热喷涂热喷涂热喷涂冲天炉熔炼冲天炉熔炼冲天炉熔炼冲天炉熔炼金属粉末制备金属粉末制备金属粉末制备金属粉末制备1 1、液液液液固同时存在的两相流动固同时存在的两相流动固同时存在的两相流动固同时存在的两相流动2 2、液体或气体通过填料层的流动液体或气体通过填料层的流动液体或气体通过填料层的流动液体或气体通过填料层的流动3 3、气气气气固两相流动等固

2、两相流动等固两相流动等固两相流动等 材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第一节第一节第一节第一节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 一、单个颗粒在流体中的运动一、单个颗粒在流体中的运动一、单个颗粒在流体中的运动一、单个颗粒在流体中的运动流体与颗粒接触：金属液精炼、气体通过固体料柱等；流体与颗粒接触：金属液精炼、气体通过固体料柱等；流体与颗粒接触：金属液精炼、气体通过固体料柱等；流体与颗粒接触：金属液精炼、气体通过固体料柱等；流体与颗粒分离：除尘、沉淀等。流体与颗粒分离：除尘、沉淀等。流体与颗粒分离：除尘、沉淀等。流体与颗粒分

3、离：除尘、沉淀等。（一）颗粒在流体中的稳定流动（一）颗粒在流体中的稳定流动（一）颗粒在流体中的稳定流动（一）颗粒在流体中的稳定流动 如图所示，当流体与浸没其中的颗粒有如图所示，当流体与浸没其中的颗粒有如图所示，当流体与浸没其中的颗粒有如图所示，当流体与浸没其中的颗粒有相对运动时，除重力、浮力外，还有阻力相对运动时，除重力、浮力外，还有阻力相对运动时，除重力、浮力外，还有阻力相对运动时，除重力、浮力外，还有阻力作用于颗粒上，此时阻力作用于颗粒上，此时阻力作用于颗粒上，此时阻力作用于颗粒上，此时阻力F Fd d可表示为：可表示为：可表示为：可表示为：C Cd d无因次阻力系数；无因次阻力系数；无因

4、次阻力系数；无因次阻力系数；A Ap p颗粒在垂直于运动方向平面上的投影面积；颗粒在垂直于运动方向平面上的投影面积；颗粒在垂直于运动方向平面上的投影面积；颗粒在垂直于运动方向平面上的投影面积；b b流体对颗粒的相对速度。流体对颗粒的相对速度。流体对颗粒的相对速度。流体对颗粒的相对速度。材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第一节第一节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 通过实验发现阻力系通过实验发现阻力系通过实验发现阻力系通过实验发现阻力系数数数数C Cd d是颗粒雷诺数是颗粒雷诺数是颗粒雷诺数是颗粒雷诺数ReRep p和颗粒形状的函数。和颗粒形状的函数。和颗粒

5、形状的函数。和颗粒形状的函数。对半径为对半径为对半径为对半径为r rp p 的的的的颗粒雷颗粒雷颗粒雷颗粒雷诺数定义为诺数定义为诺数定义为诺数定义为 上图给出了球、圆盘和圆柱形颗粒的阻力系数上图给出了球、圆盘和圆柱形颗粒的阻力系数上图给出了球、圆盘和圆柱形颗粒的阻力系数上图给出了球、圆盘和圆柱形颗粒的阻力系数C Cd d与与与与雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数ReRep p间的实验关系曲线，可将结果分为间的实验关系曲线，可将结果分为间的实验关系曲线，可将结果分为间的实验关系曲线，可将结果分为四个区域四个区域四个区域四个区域 ：材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第一节第一

6、节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 1 1）1010-3-3 Re Re Re Rep p p p 2 2x102x105 5，对球形颗粒，阻力系对球形颗粒，阻力系对球形颗粒，阻力系对球形颗粒，阻力系数突然减小到数突然减小到数突然减小到数突然减小到0.090.09，然后随颗粒雷诺数的然后随颗粒雷诺数的然后随颗粒雷诺数的然后随颗粒雷诺数的增加而略有增加。增加而略有增加。增加而略有增加。增加而略有增加。材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第一节第一节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 概念概念概念概念：颗粒在流体中沉降时会逐渐加速，直到引起这一运动的力与阻碍

7、运动的阻力：颗粒在流体中沉降时会逐渐加速，直到引起这一运动的力与阻碍运动的阻力：颗粒在流体中沉降时会逐渐加速，直到引起这一运动的力与阻碍运动的阻力：颗粒在流体中沉降时会逐渐加速，直到引起这一运动的力与阻碍运动的阻力 相平衡为止。此时颗粒相对于流体的最高速度称为相平衡为止。此时颗粒相对于流体的最高速度称为相平衡为止。此时颗粒相对于流体的最高速度称为相平衡为止。此时颗粒相对于流体的最高速度称为沉降终速沉降终速沉降终速沉降终速 t t。上式就是沉降终速的斯托可斯公式。上式就是沉降终速的斯托可斯公式。上式就是沉降终速的斯托可斯公式。上式就是沉降终速的斯托可斯公式。原教材中该表达式有误！请改正。原教材中

8、该表达式有误！请改正。原教材中该表达式有误！请改正。原教材中该表达式有误！请改正。（二）沉降终速（二）沉降终速（二）沉降终速（二）沉降终速因此可以建立如下方程：因此可以建立如下方程：因此可以建立如下方程：因此可以建立如下方程：对牛顿定律区对牛顿定律区对牛顿定律区对牛顿定律区CdCd=0.44=0.44，因此有，因此有，因此有，因此有材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第一节第一节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 上述公式使用的条件为上述公式使用的条件为1 1）球形固体颗粒；）球形固体颗粒；）球形固体颗粒；）球形固体颗粒；2 2）稳定运动；）稳定运动；）稳定运

9、动；）稳定运动；3 3）颗粒在静止或在速度场均匀且无湍流的流体中运动；）颗粒在静止或在速度场均匀且无湍流的流体中运动；）颗粒在静止或在速度场均匀且无湍流的流体中运动；）颗粒在静止或在速度场均匀且无湍流的流体中运动；4 4）单个颗粒在远离固体表面较远的区域运动。）单个颗粒在远离固体表面较远的区域运动。）单个颗粒在远离固体表面较远的区域运动。）单个颗粒在远离固体表面较远的区域运动。5 5）1010-3-3 Re Rep p 2 2，缓慢流动区或斯托克斯定律区，缓慢流动区或斯托克斯定律区，缓慢流动区或斯托克斯定律区，缓慢流动区或斯托克斯定律区v 例题例题材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学

10、院材料成型与控制系 第一节第一节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 此时，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生此时，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生此时，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生此时，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生“干涉沉降干涉沉降干涉沉降干涉沉降”，使沉降速度变，使沉降速度变，使沉降速度变，使沉降速度变小。小。小。小。原原原原因因因因：对对对对沉沉沉沉降降降降速速速速度度度度相相相相对对对对较较较较快快快快的的的的大大大大颗颗颗颗粒粒粒粒而而而而言言言言，流流流流体体体体的的的的有有有有效效效效密密密密度度度度和和和和粘粘粘粘度度度度变变变变大大大大；颗粒沉降排出的流体以较大的速度

11、运动，对其它颗粒的沉降有阻滞作用。颗粒沉降排出的流体以较大的速度运动，对其它颗粒的沉降有阻滞作用。颗粒沉降排出的流体以较大的速度运动，对其它颗粒的沉降有阻滞作用。颗粒沉降排出的流体以较大的速度运动，对其它颗粒的沉降有阻滞作用。悬浮液的动力粘度（悬浮液的动力粘度（悬浮液的动力粘度（悬浮液的动力粘度（C C）与悬浮液中颗粒的体积分数（与悬浮液中颗粒的体积分数（与悬浮液中颗粒的体积分数（与悬浮液中颗粒的体积分数（f f，%）有关：有关：有关：有关：悬浮液中颗粒的沉降速度悬浮液中颗粒的沉降速度悬浮液中颗粒的沉降速度悬浮液中颗粒的沉降速度 h h与沉降终速与沉降终速与沉降终速与沉降终速 t t 的关系是

12、：的关系是：的关系是：的关系是：h h=t t（1-1-f f）n nn n为常数为常数为常数为常数，其值取决于颗粒雷诺数，其值取决于颗粒雷诺数，其值取决于颗粒雷诺数，其值取决于颗粒雷诺数ReRep p 以及管径以及管径以及管径以及管径D D与颗粒直径与颗粒直径与颗粒直径与颗粒直径d d 的比值，的比值，的比值，的比值，二、二、二、二、悬浮液中颗粒的流动悬浮液中颗粒的流动悬浮液中颗粒的流动悬浮液中颗粒的流动 C C=MM（1+2.51+2.5 f f+10.25+10.25 f f2 2）（f f 0.25 0.25）式中式中式中式中 MM 为无颗粒时基础流体的动力粘度。为无颗粒时基础流体的动

13、力粘度。为无颗粒时基础流体的动力粘度。为无颗粒时基础流体的动力粘度。材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第一节第一节 流体与颗粒的两相流流体与颗粒的两相流 ReRep p0.2 500 500（牛顿定律区）牛顿定律区）牛顿定律区）牛顿定律区），n=2.4n=2.40.20.2ReRep p500500（过渡区），过渡区），过渡区），过渡区），n n 值取决于颗粒雷诺数值取决于颗粒雷诺数值取决于颗粒雷诺数值取决于颗粒雷诺数ReRep p以及管径以及管径以及管径以及管径D D与颗粒直径与颗粒直径与颗粒直径与颗粒直径d d的比值的比值的比值的比值例题例题1 1材料加工冶

14、金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动 流流流流体体体体在在在在低低低低压压压压、缓缓缓缓慢慢慢慢流流流流过过过过多多多多孔孔孔孔料料料料层层层层时时时时，其其其其体体体体积积积积流流流流量量量量q qv v与与与与单单单单位位位位料料料料层层层层长长长长度度度度的的的的压压压压降降降降 p/Lp/L成正比，即成正比，即成正比，即成正比，即 q qv v单位时间内流动的流体体积（单位时间内流动的流体体积（单位时间内流动的流体体积（单位时间内流动的流体体积（cmcm3 3/s/s）；）；）；）；A A截面积（截面积（截面积（截面积（cmcm2 2）；）

15、；）；）；k kD D渗透系数，取决于流体、温度和料层特性的常数（渗透系数，取决于流体、温度和料层特性的常数（渗透系数，取决于流体、温度和料层特性的常数（渗透系数，取决于流体、温度和料层特性的常数（mm4 4/N/N s s）一般用比渗透率一般用比渗透率一般用比渗透率一般用比渗透率（=k kDD）更具实际意义，因更具实际意义，因更具实际意义，因更具实际意义，因 仅与填料有关，其单位为仅与填料有关，其单位为仅与填料有关，其单位为仅与填料有关，其单位为mm2 2。达西定律达西定律达西定律达西定律可以用于研究气体通过铸造中的砂型逸出以及水透过滤层过滤等问题。可以用于研究气体通过铸造中的砂型逸出以及水

16、透过滤层过滤等问题。可以用于研究气体通过铸造中的砂型逸出以及水透过滤层过滤等问题。可以用于研究气体通过铸造中的砂型逸出以及水透过滤层过滤等问题。一、一、一、一、达西定律达西定律达西定律达西定律材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动管束理论管束理论管束理论管束理论：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定1 1）填料分布均匀，没有孤立的孔隙；）填料分布均匀，没有孤立的孔隙；）填料分布均匀

17、，没有孤立的孔隙；）填料分布均匀，没有孤立的孔隙；2 2）流体在填料中均匀；）流体在填料中均匀；）流体在填料中均匀；）流体在填料中均匀；3 3）料柱的直径远大于颗粒的直径。）料柱的直径远大于颗粒的直径。）料柱的直径远大于颗粒的直径。）料柱的直径远大于颗粒的直径。根据第四章中的亥根根据第四章中的亥根根据第四章中的亥根根据第四章中的亥根泊肃叶公式泊肃叶公式泊肃叶公式泊肃叶公式 通过类推法可得到通过类推法可得到通过类推法可得到通过类推法可得到 式中式中式中式中K K1 1比例常数；比例常数；比例常数；比例常数；R Rh h水力学半径；水力学半径；水力学半径；水力学半径；流体在料层孔隙内的平均速度。流

18、体在料层孔隙内的平均速度。流体在料层孔隙内的平均速度。流体在料层孔隙内的平均速度。二、管束理论和厄冈（二、管束理论和厄冈（二、管束理论和厄冈（二、管束理论和厄冈（ErgunErgun）方程）方程）方程）方程 材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动工程中通常知道表观速度工程中通常知道表观速度工程中通常知道表观速度工程中通常知道表观速度 0 0，表观速度定义为：，表观速度定义为：，表观速度定义为：，表观速度定义为：0 0=q qv v/A /A 引入水力学半径引入水力学半径引入水力学半径引入水力学半径R Rh h。对填料层，对填料层，对填料层，

19、对填料层，R Rh h可定义为可定义为可定义为可定义为 因此，在长度因此，在长度因此，在长度因此，在长度L L为的料层内为的料层内为的料层内为的料层内R Rh h 应应应应表示为表示为表示为表示为 材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动 我们注意到：我们注意到：AhL就是料柱内部孔隙的体积，对上式中的分子、分母都除以料柱的的就是料柱内部孔隙的体积，对上式中的分子、分母都除以料柱的的体积体积v，则有：则有：孔隙率；孔隙率；S单位体积填料层内所具有的颗粒总表面积，单位体积填料层内所具有的颗粒总表面积，而且而且S=S0（1-），S0 是单位体积颗

20、粒所具有的颗粒总表面积。是单位体积颗粒所具有的颗粒总表面积。孔隙率孔隙率的定义为：的定义为：=（料柱总体积料柱总体积 固体颗粒总体积）固体颗粒总体积）/料柱总体积料柱总体积 将将材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动 上式是流体通过填料层流动的压差关系式，上式是流体通过填料层流动的压差关系式，上式是流体通过填料层流动的压差关系式，上式是流体通过填料层流动的压差关系式，它适用于雷诺数较低的（层流它适用于雷诺数较低的（层流它适用于雷诺数较低的（层流它适用于雷诺数较低的（层流区）范围，此时式中的区）范围，此时式中的区）范围，此时式中的区）范围，此

21、时式中的KK1 1=1/4.2=1/4.2，即即即即 :上面方程本质上与达西方程是一样的，此时达西方程中的上面方程本质上与达西方程是一样的，此时达西方程中的上面方程本质上与达西方程是一样的，此时达西方程中的上面方程本质上与达西方程是一样的，此时达西方程中的K KD D 为为为为材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动 在强制流送的体系中，流体超过某一速度后层流不再占主导地位。此时，在强制流送的体系中，流体超过某一速度后层流不再占主导地位。此时，流体通过填料层的情况，则用下面的修正雷诺数，即流体通过填料层的情况，则用下面的修正雷诺数，即当流体是

22、在雷诺数当流体是在雷诺数2左右的情况下流动时，不能利用布雷克左右的情况下流动时，不能利用布雷克库季尼方库季尼方程而需要利用下面的方程求解，即程而需要利用下面的方程求解，即 请补充请补充此表达式！此表达式！材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第二节 固体填料层内的流动对非球形颗粒，必须如此处理：对非球形颗粒，必须如此处理：Dp=s dp。dp是体积等效直径，是与这一颗粒体积相同的球形颗粒直径。是体积等效直径，是与这一颗粒体积相同的球形颗粒直径。教材中教材中“体积体积”错错为为“统计统计”，请改，请改正！正！s为颗粒形状系数为颗粒形状系数，而且，而且 s表达式为：表达

23、式为：若颗粒为球形，则若颗粒为球形，则 此即厄冈此即厄冈（Ergun)方程方程例题例题2材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第三节第三节 气液两相流动气液两相流动 基本过程：气体喷入后即形成大量气泡，上浮的基本过程：气体喷入后即形成大量气泡，上浮的基本过程：气体喷入后即形成大量气泡，上浮的基本过程：气体喷入后即形成大量气泡，上浮的气泡驱动液体随其向上移动，形成上升的气泡柱，气泡驱动液体随其向上移动，形成上升的气泡柱，气泡驱动液体随其向上移动，形成上升的气泡柱，气泡驱动液体随其向上移动，形成上升的气泡柱，该区域液体被加速，称为力作用区；加速的液体该区域液体被加速，称

24、为力作用区；加速的液体该区域液体被加速，称为力作用区；加速的液体该区域液体被加速，称为力作用区；加速的液体离开力作用区向射流那样喷射到其余部分，形成离开力作用区向射流那样喷射到其余部分，形成离开力作用区向射流那样喷射到其余部分，形成离开力作用区向射流那样喷射到其余部分，形成射流区；射流冲击器壁或自由表面时就会折射，射流区；射流冲击器壁或自由表面时就会折射，射流区；射流冲击器壁或自由表面时就会折射，射流区；射流冲击器壁或自由表面时就会折射，在器壁处再次折射向下移动。为了加速力作用区在器壁处再次折射向下移动。为了加速力作用区在器壁处再次折射向下移动。为了加速力作用区在器壁处再次折射向下移动。为了加

25、速力作用区的液体，液体必须引入到力作用区，这部分液体的液体，液体必须引入到力作用区，这部分液体的液体，液体必须引入到力作用区，这部分液体的液体，液体必须引入到力作用区，这部分液体只有来自非射流区，这个区域称为回流区。容器只有来自非射流区，这个区域称为回流区。容器只有来自非射流区，这个区域称为回流区。容器只有来自非射流区，这个区域称为回流区。容器内的液体如此以来进行对流循环、湍流扩散，使内的液体如此以来进行对流循环、湍流扩散，使内的液体如此以来进行对流循环、湍流扩散，使内的液体如此以来进行对流循环、湍流扩散，使容器内的液体迅速混合。容器内的液体迅速混合。容器内的液体迅速混合。容器内的液体迅速混合

26、。在液体中形成三个区域：力作用区在液体中形成三个区域：力作用区在液体中形成三个区域：力作用区在液体中形成三个区域：力作用区(A(A区区区区)、射流、射流、射流、射流区（区（区（区（B B区区区区)、回流区、回流区、回流区、回流区(C(C区区区区)。以气体由底部喷入液体为例，探讨其流动特征。以气体由底部喷入液体为例，探讨其流动特征。以气体由底部喷入液体为例，探讨其流动特征。以气体由底部喷入液体为例，探讨其流动特征。材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 例题v例题例题6-3v例题例题6-4材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第六章第六章 小

27、结小结基本概念基本概念基本概念基本概念沉降终速沉降终速沉降终速沉降终速 t t：颗粒在流体中沉降时，会逐渐加速直到引起这一运动的力颗粒在流体中沉降时，会逐渐加速直到引起这一运动的力颗粒在流体中沉降时，会逐渐加速直到引起这一运动的力颗粒在流体中沉降时，会逐渐加速直到引起这一运动的力与阻碍运动的阻力相平衡为止，此时颗粒相对于流体所能达到的最高速度。与阻碍运动的阻力相平衡为止，此时颗粒相对于流体所能达到的最高速度。与阻碍运动的阻力相平衡为止，此时颗粒相对于流体所能达到的最高速度。与阻碍运动的阻力相平衡为止，此时颗粒相对于流体所能达到的最高速度。干涉沉降：干涉沉降：干涉沉降：干涉沉降：对悬浮液中颗粒流

28、动，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生对悬浮液中颗粒流动，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生对悬浮液中颗粒流动，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生对悬浮液中颗粒流动，要考虑颗粒间的相互影响，通常发生所谓的所谓的所谓的所谓的“干涉沉降干涉沉降干涉沉降干涉沉降”，使沉降速度变小。，使沉降速度变小。，使沉降速度变小。，使沉降速度变小。管束理论管束理论管束理论管束理论：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定：把料层当作聚在一起的具有特殊横截面的管子，并假定1 1）填料分布均匀，没有孤立的孔隙；）填料

29、分布均匀，没有孤立的孔隙；）填料分布均匀，没有孤立的孔隙；）填料分布均匀，没有孤立的孔隙；2 2）流体在填料中均匀；）流体在填料中均匀；）流体在填料中均匀；）流体在填料中均匀；3 3）料柱的直径远大于颗粒的直径。）料柱的直径远大于颗粒的直径。）料柱的直径远大于颗粒的直径。）料柱的直径远大于颗粒的直径。材料加工冶金传输原理2009合肥工业大学材料学院材料成型与控制系 第六章第六章 小结小结基本计算公式基本计算公式基本计算公式基本计算公式颗粒雷诺数颗粒雷诺数颗粒雷诺数颗粒雷诺数斯托可斯公式斯托可斯公式斯托可斯公式斯托可斯公式达西定律达西定律达西定律达西定律布雷克布雷克布雷克布雷克-库季尼方程库季尼方程库季尼方程库季尼方程厄冈方程厄冈方程厄冈方程厄冈方程式中，式中，式中，式中，D Dp p=s s d dp p，d dp p为等效直径；为等效直径；为等效直径；为等效直径；s s为颗粒形状修正系数；为颗粒形状修正系数；为颗粒形状修正系数；为颗粒形状修正系数；