模块1-第2章传热传质与传输1

1第二章 凝固过程的传热、传质与传输 “三传 ”：n 凝固过程的 传热 （重点）n 凝固过程的 传质 （了解）n 凝固过程的 传输 （液体流动） （了解）主 要 内 容21. 凝固过程的传热 n 铸件的凝固方式 凝固区域及其结构第二章 凝固过程的传热、传质与传输 P62P633n 铸件的凝固方式 定向凝固 （ “逐层凝固 ”） 定义： 热流保持一维传导，使凝固界面保持沿逆热流方向推进，完成凝固过程 特点： 结晶温度范围窄，断面温度梯度大（纯金属、共晶合金） 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 P644n 铸件的凝固方式 体积凝固 （ “糊状凝固 ”） 定义： 凝固区域是在整个液相中进行 特点： 常见于具有较大凝固温度范围的固溶体型合金的凝固过程 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 P645n 铸件的凝固方式 中间凝固 “定向凝固 ”和 “体积凝固 ”是两种极端情况 如果凝固区域的宽度介于定向凝固和体积凝固之间，属中间凝固方式。 凝固区域的宽度由合金结晶温度范围和温度梯度两个量决定。 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 P64煤矿事故影响从王家岭透水事故到国务院批复的三起特别重大事故等等众多煤矿事故可以看出煤矿事故多、伤亡大，给无数个家庭带来了灾难，夺走了一个个生命。不仅影响到经济，也影响着其它方面。每发生一起特大事故，尤其是瓦斯爆炸事故，都在社会上引起广泛影响，它直接涉及到社会安定与稳定。使煤矿工作、经营工作、生产建设等受到影响，以致出现煤矿企业招工难、煤矿院校招生难、煤矿工人找对象难等问题。煤矿安全的重要性从以上煤矿事故所带来的经济损失和劳动者伤害可以看出煤矿安全在生产中的重要性，它保证着煤矿安全生产，劳动者的生命健康和国家的财产不受到损失以及社会的和谐与稳定。所以我们必须要学安全、懂安全、用安全。8n 凝固过程传热的方式与特点 传热方式： 导热、辐射、对流铸型 固相 液相RC K N K K CCRK 导热C 对流R 辐射N 牛顿换热第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 9n 凝固过程传热的方式与特点 特点： 传热条件复杂，需作简化处理。 存在凝固收缩间隙。 存在结晶潜热。 存在糊状区，需进行传热、传质的耦合计算。 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 10n 铸件的温度场 凝固传热的研究方法： 解析法数学模型： 控制方程：热传导方程 定解条件：F 物理条件（物性参数值）F 几何条件（凝固系统的几何形状及尺寸）F 时间条件（初始条件）F 空间条件（边界条件） 数值模拟法 实验法第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 11n 铸件的温度场 影响温度场的因素： 金属性质的影响 金属的热扩散率、结晶潜热、金属的凝固温度 铸型性质 铸型的蓄热系数、铸型的预热温度 浇注条件 浇注温度 铸件结构 铸件的壁厚、铸件的形状第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 12n 举例：铸件凝固时间的确定第二章 凝固过程的传热、传质与传输 1. 凝固过程的传热 P70 P761. 理论计算2. 经验计算 凝固层厚度 凝固系数 “折算厚度 ”法则P70 P72P73P75132. 凝固过程的传质 n 凝固过程的溶质平衡 金属凝固过程中造成溶质变化的主要途径： 溶质汽化 溶质氧化 溶质与铸型反应损失 单位时间溶质因气体析出带走的溶质 单位时间液相区形成固相杂质带走的溶质 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 14n 凝固过程的溶质平衡 忽略上述溶质变化，那么在凝固过程中，存在如下守恒方程：式中： s、 l 固相、液相的溶质质量分数s、 l 固相、液相的密度Vs 、 Vl 固相、液相的体积 V0 凝固前液相的总体积 溶质守恒：总质量守恒：第二章 凝固过程的传热、传质与传输 2. 凝固过程的传质 15n 传质过程的控制方程式中： J 溶质扩散通量 D 溶质扩散系数 时间 非克第一定律 ：非克第二定律 ：溶质分配因数：第二章 凝固过程的传热、传质与传输 2. 凝固过程的传质 16n 平界面一维凝固过程溶质再分配 固相无扩散，液相完全混合时：“非平衡杠杆定律 ” 固相扩散完全，液相完全混合时：平衡杠杆定律 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 2. 凝固过程的传质 P98 P104P101式 4 33P99式 4 3017n 平界面一维凝固过程溶质再分配 仅考虑液相中的扩散且溶质混合不完全时： 当考虑液相中的对流时：修正的 “正常偏析方程式 ” z为距固液界面的距离 “有效溶质分配系数 ” ：第二章 凝固过程的传热、传质与传输 2. 凝固过程的传质 式 4 40P103183. 凝固过程的传输 n 液体流动的分类 自然对流浮力流 +凝固收缩引起的对流 强制对流在外力的作用下引起的对流 机械搅拌、机械振动、电磁搅拌 亚传输过程引起的流动 固液界面扩散引起的界面流 液相温度梯度导致的 soret效应产生的流动 微重力下的 marangoni对流 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 19n 液体流动过程的控制方程 连续性方程 动量守恒方程 能量守恒方程 质量守恒方程 紊流控制方程 辅助性方程是分析宏观偏析的重要理论基础 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 3. 凝固过程的传输 20n 液体金属的充型 充型能力的基本概念 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。 金属的流动性是反映充型能力的内因。 充型能力的计算 （了解）充型过程是一个伴随着传热、传质和液体流动的 “三传 ”过程（非稳态），理论计算非常复杂。 书中提供了一种经验计算法，具体公式见书 2-13、 2-14、 2-15 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 3. 凝固过程的传输 P22 P45P31P3421n 液体金属的充型 影响充型能力的因素 （重点掌握） 第一类：金属性质方面的因素金属的密度、比热、导热系数、结晶潜热、粘度、表面张力、结晶特点 第二类：铸型性质方面的因素铸型的蓄热系数、密度、比热、导热系数、温度、涂料层、发气性和透气性 第三类：浇铸条件方面的因素浇注温度、静压头、压头损失总和、外力场（压力、真空、离心、振动等） 第四类：铸件结构方面的因素 第二章 凝固过程的传热、传质与传输 3. 凝固过程的传输 P34 P4422n 液体金属的充型 如何影响充型能力？ （重点掌握合金成分、铸型性质、浇注温度的作用）