材料冶金传输原理 精选文档.ppt
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1、材料冶金传输原理课件本讲稿第一页,共四十二页绪论绪论一、课程的性质和目的本课程是金属材料工程专业本科生的专业基础课程,它涵盖了“流体力学”、“传热学”及“传质学”课程的内容。本课程的任务是系统而全面地从动量、热量及质量传输观点,阐述了流体流动过程以及传热传质过程的基本理论,及其在冶金工程中的主要应用。要求学生要掌握上述三个传输过程的基本概念、基本原理和基本计算方法。以便为学习后续专业课程奠定必要的基础。本讲稿第二页,共四十二页1 课程简介课程简介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本讲稿第三页,共四十二页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,
2、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物理化学1 1 课程简介课程简介课程简介课程简介理论力学本讲稿第四页,共四十二页什么是传输过程?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。具有强度性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)在系统内不均匀时就会发质的物理量(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。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
3、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、温度和浓度梯度的缘三者都是由于系统内部存在速度、温度和浓度梯度的缘故。故。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本讲稿第五页,共四十二页“三传三传”具有共同的物理本质具有共同的物理本质都是物都是物理过程。理过程。“三传三传”具有类似的表述方程和定律。具有类似的表述方程和定律。在实际冶金传输过程中往往包括有两种在实际冶金传
4、输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,或两种以上传输现象,它们同时存在,又相互影响。又相互影响。为什么把为什么把“三传三传”放在一起讲?放在一起讲?本讲稿第六页,共四十二页“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
5、观运动引起。运动引起。本讲稿第七页,共四十二页第第1章章 概念和定义概念和定义1-1 流体和连续介质流体和连续介质1-2 流体的性质流体的性质1-3 流体性质逐点变化流体性质逐点变化1-4 单位单位本讲稿第八页,共四十二页1919世纪前,流体力学的研究分为两个分支:世纪前,流体力学的研究分为两个分支:一是一是理论分析方法理论分析方法:研究流体运动时不考虑黏:研究流体运动时不考虑黏性,运用数学工具分析流体的运动规律。性,运用数学工具分析流体的运动规律。另一个是另一个是实验方法实验方法:不用数学理论而完全建立:不用数学理论而完全建立在实验基础上对流体运动进行研究,解决了技术发在实验基础上对流体运动
6、进行研究,解决了技术发展中许多重要问题,但其结果常受实验条件限制。展中许多重要问题,但其结果常受实验条件限制。这两个分支的研究方法完全不同,这种这两个分支的研究方法完全不同,这种理论理论和实验分离的现象持续了和实验分离的现象持续了150150多年。多年。评论家称评论家称“工程师工程师观察着不能解释的现象,数学家解释着观察不到的现象观察着不能解释的现象,数学家解释着观察不到的现象”。直到直到2020世纪初普朗特提出了边界层理论为止。世纪初普朗特提出了边界层理论为止。普朗特将经典力学与实验力学融合为一个理普朗特将经典力学与实验力学融合为一个理论体系,开启了现代流体力学。论体系,开启了现代流体力学。
7、第第1章章 概念和定义概念和定义本讲稿第九页,共四十二页第一章第一章 概念和定义概念和定义流体、运动和力(能量)流体、运动和力(能量)流体、运动和力(能量)流体、运动和力(能量)是构成流体力学的三个基本要素。是构成流体力学的三个基本要素。是构成流体力学的三个基本要素。是构成流体力学的三个基本要素。1.1 1.1 流体和连续介质流体和连续介质流体和连续介质流体和连续介质流体流体流体流体:在剪应力作用下能够产生连续形变的物质。:在剪应力作用下能够产生连续形变的物质。:在剪应力作用下能够产生连续形变的物质。:在剪应力作用下能够产生连续形变的物质。流体的微观和宏观特性流体的微观和宏观特性流体的微观和宏
8、观特性流体的微观和宏观特性流体分子微观运动流体分子微观运动流体分子微观运动流体分子微观运动 自身热运动自身热运动自身热运动自身热运动流体团宏观运动流体团宏观运动流体团宏观运动流体团宏观运动 外力引起外力引起外力引起外力引起 统计平均值统计平均值统计平均值统计平均值本讲稿第十一页,共四十二页流体微团:流体微团:流体微团:流体微团:具有流体宏观特性的最小体积(即临界体积具有流体宏观特性的最小体积(即临界体积具有流体宏观特性的最小体积(即临界体积具有流体宏观特性的最小体积(即临界体积V*V*或或或或*)的流体团。)的流体团。)的流体团。)的流体团。缺点缺点缺点缺点:(1 1)V*V*虽然很小,但仍存
9、有线尺度,不能与数学上虽然很小,但仍存有线尺度,不能与数学上虽然很小,但仍存有线尺度,不能与数学上虽然很小,但仍存有线尺度,不能与数学上点的概念相统一;点的概念相统一;点的概念相统一;点的概念相统一;(2 2)在流体运动过程中微团将变形。)在流体运动过程中微团将变形。)在流体运动过程中微团将变形。)在流体运动过程中微团将变形。为了符合数学分析的需要,引入为了符合数学分析的需要,引入为了符合数学分析的需要,引入为了符合数学分析的需要,引入流体质点流体质点流体质点流体质点模型。模型。模型。模型。优点优点优点优点:(1 1)流体质点无线尺度,无热运动,只能在外力作用下)流体质点无线尺度,无热运动,只
10、能在外力作用下)流体质点无线尺度,无热运动,只能在外力作用下)流体质点无线尺度,无热运动,只能在外力作用下作宏观平移运动;作宏观平移运动;作宏观平移运动;作宏观平移运动;(2 2)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。为了描述流体微团的旋转和变形引入为了描述流体微团的旋转和变形引入为了描述流体微团的旋转和变形引入为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元(流体元)流体质元(流体元)流体质元(流体元)流体质元(流体元)模型模型模型模型 (1 1)流体元流体
11、元流体元流体元由大量流体质点构成的微小单元(由大量流体质点构成的微小单元(由大量流体质点构成的微小单元(由大量流体质点构成的微小单元(xx,yy,zz)(2 2)由流体质点相对运动形成)由流体质点相对运动形成)由流体质点相对运动形成)由流体质点相对运动形成流体元流体元流体元流体元的旋转和变形运动。的旋转和变形运动。的旋转和变形运动。的旋转和变形运动。本讲稿第十二页,共四十二页 连续介质概念(假设)连续介质概念(假设)连续介质概念(假设)连续介质概念(假设)欧拉欧拉欧拉欧拉17531753年首先提出。年首先提出。年首先提出。年首先提出。忽视流体微观结构的分散性忽视流体微观结构的分散性忽视流体微观
12、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流体将流体看成是由无限多个流体将流体看成是由无限多个流体将流体看成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。质点或微团组成的密集而无间隙的连续介质。质点或微团组成的密集而无间隙的连续介质。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连续介质假设:连续介质假设:连续介质假设:连续介质假设:假设流体是由连续分布的假设流体是由连续分布的假设流体是由连续分布的假设流体是由连续分布的流体质点流体质点流体质点流体质点组成组成组成组成的介质。的介质。的介质。的介质。优点:优点:优点:优点
13、:(1 1)可用连续性函数)可用连续性函数)可用连续性函数)可用连续性函数B(x,y,z,t)B(x,y,z,t)描述流体质点物理量描述流体质点物理量描述流体质点物理量描述流体质点物理量的空间分布和时间变化;的空间分布和时间变化;的空间分布和时间变化;的空间分布和时间变化;(2 2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程,并用连续函数理论求解方程。程,并用连续函数理论求解方程。程,并用连续函数理论求解方程。程,并用连续函数理论求解方程。本讲稿第十三页,共四十二页 连
14、续介质概念的适用范围连续介质概念的适用范围连续介质概念的适用范围连续介质概念的适用范围 除了除了除了除了稀薄气体稀薄气体稀薄气体稀薄气体与与与与激波激波激波激波的绝大多数工程问题,均可用的绝大多数工程问题,均可用的绝大多数工程问题,均可用的绝大多数工程问题,均可用连续介质模型作理论分析。连续介质模型作理论分析。连续介质模型作理论分析。连续介质模型作理论分析。本讲稿第十四页,共四十二页1.2 1.2 流体的性质流体的性质流体的性质流体的性质 流体的密度:流体的密度:流体的密度:流体的密度:单位体积流体的质量单位体积流体的质量单位体积流体的质量单位体积流体的质量 流体性质与流动特性:流体性质与流动
15、特性:流体性质与流动特性:流体性质与流动特性:不可压缩流体:不可压缩流体:不可压缩流体:不可压缩流体:在很大的温度和压力范围内,密度几乎不变的流在很大的温度和压力范围内,密度几乎不变的流在很大的温度和压力范围内,密度几乎不变的流在很大的温度和压力范围内,密度几乎不变的流体。体。体。体。流体的点应力:流体的点应力:流体的点应力:流体的点应力:单位面积上流体所受的力单位面积上流体所受的力单位面积上流体所受的力单位面积上流体所受的力法向应力法向应力法向应力法向应力切向应力切向应力切向应力切向应力本讲稿第十五页,共四十二页 作用在流体上的力作用在流体上的力作用在流体上的力作用在流体上的力一类是一类是一
16、类是一类是长程力(体积力)长程力(体积力)长程力(体积力)长程力(体积力):能穿越空间作用到所有流体元上,不通:能穿越空间作用到所有流体元上,不通:能穿越空间作用到所有流体元上,不通:能穿越空间作用到所有流体元上,不通过物理接触而产生的作用力。如:重力、电磁力、惯性力。过物理接触而产生的作用力。如:重力、电磁力、惯性力。过物理接触而产生的作用力。如:重力、电磁力、惯性力。过物理接触而产生的作用力。如:重力、电磁力、惯性力。特点:这些力的强度取决于流体元的局部性质(如密度、电特点:这些力的强度取决于流体元的局部性质(如密度、电特点:这些力的强度取决于流体元的局部性质(如密度、电特点:这些力的强度
17、取决于流体元的局部性质(如密度、电磁强度、加速度等),与流体元的位置变化关系不大。磁强度、加速度等),与流体元的位置变化关系不大。磁强度、加速度等),与流体元的位置变化关系不大。磁强度、加速度等),与流体元的位置变化关系不大。因为长程力的大小与流体元的体积成正比。所以又称为因为长程力的大小与流体元的体积成正比。所以又称为因为长程力的大小与流体元的体积成正比。所以又称为因为长程力的大小与流体元的体积成正比。所以又称为体积力(质量力体积力(质量力体积力(质量力体积力(质量力:重力和惯性力与流体元的质量成正比)。:重力和惯性力与流体元的质量成正比)。:重力和惯性力与流体元的质量成正比)。:重力和惯性
18、力与流体元的质量成正比)。一类是一类是一类是一类是短程力(表面力)短程力(表面力)短程力(表面力)短程力(表面力):相邻两层流体需要物理接触通过分子:相邻两层流体需要物理接触通过分子:相邻两层流体需要物理接触通过分子:相邻两层流体需要物理接触通过分子作用(如分子碰撞、内聚力、分子动量交换等)产生的力。因作用(如分子碰撞、内聚力、分子动量交换等)产生的力。因作用(如分子碰撞、内聚力、分子动量交换等)产生的力。因作用(如分子碰撞、内聚力、分子动量交换等)产生的力。因为短程力仅取决于流体元的表面状况,所以又称为为短程力仅取决于流体元的表面状况,所以又称为为短程力仅取决于流体元的表面状况,所以又称为为
19、短程力仅取决于流体元的表面状况,所以又称为表面力。表面力。表面力。表面力。如:压力、粘性力等。如:压力、粘性力等。如:压力、粘性力等。如:压力、粘性力等。本讲稿第十六页,共四十二页 作用在流体上的力作用在流体上的力作用在流体上的力作用在流体上的力静止流体:静止流体:静止流体:静止流体:静止流体不存在切应力,表面力仅由法向应力引起。静止流体不存在切应力,表面力仅由法向应力引起。静止流体不存在切应力,表面力仅由法向应力引起。静止流体不存在切应力,表面力仅由法向应力引起。X X方向方向方向方向y y方向方向方向方向说明:静止流体中,流体的法向应力与方向无关,它是一个标量。流说明:静止流体中,流体的法
20、向应力与方向无关,它是一个标量。流说明:静止流体中,流体的法向应力与方向无关,它是一个标量。流说明:静止流体中,流体的法向应力与方向无关,它是一个标量。流体表面的压强与法向应力是大小相等,方向相反的。工程上简称为压体表面的压强与法向应力是大小相等,方向相反的。工程上简称为压体表面的压强与法向应力是大小相等,方向相反的。工程上简称为压体表面的压强与法向应力是大小相等,方向相反的。工程上简称为压力。力。力。力。本讲稿第十七页,共四十二页1.3 1.3 流体性质逐点变化流体性质逐点变化流体性质逐点变化流体性质逐点变化全国气压的变化,图中曲线为等压点的变化。全国气压的变化,图中曲线为等压点的变化。全国
21、气压的变化,图中曲线为等压点的变化。全国气压的变化,图中曲线为等压点的变化。本讲稿第十八页,共四十二页 介于介于介于介于dxdx和和和和dydy两点间区域内压力两点间区域内压力两点间区域内压力两点间区域内压力P P的变化,可用全微分的变化,可用全微分的变化,可用全微分的变化,可用全微分 表示表示表示表示在在在在xyxy平面内的两条特殊轨迹:一条是平面内的两条特殊轨迹:一条是平面内的两条特殊轨迹:一条是平面内的两条特殊轨迹:一条是 等于零;另一条是等于零;另一条是等于零;另一条是等于零;另一条是 为最大为最大为最大为最大值。值。值。值。本讲稿第十九页,共四十二页是一个常数。沿着标量为常数的轨迹称
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