焊接过程传热传质

2015/10/21第二章 焊接过程传热传质2015/10/21一一 、动量传输、动量传输动量 传输流体（ 即液体 、气体）在流动过程中动量传输的 规律，即在垂直于实际流体流动方向上，动量由高速度区向低速度区的转移规律。2015/10/211、流体的定义在剪切应力作用下会发生连续变形的物质。 流 体液 体有一定体积有自由表面气 体没有一定形状和体积充满容器，没有自由表面2015/10/212、连续介质模型v v V 从宏观上看应足够小，而从微观上看应足够大。 对于均质流体：流体可以看做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。也叫流体连续性的基本假设。 质量分布连续； 运动连续； 内应力连续；（ 2-1）（ 2-2）图 2.1 连续介质模型示意图2015/10/213、流体主要物理性质（ 1）流体的压缩性和膨胀性p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 。p当温度升高时，流体所占有的体积将膨胀，这种特性称为流体的膨胀性 。2015/10/21液 体等温压缩率 T： 在温度不变时，压力每增加一个单位时流体体积的相对变化量。体胀系数 V： 在压力保持不变时，温度每升高 1K时流体体积的相对增加量。（ 2-3）（ 2-4）2015/10/21气 体理想气体状态方程其中： v 比体积；=g 流体的重度（ N/m3）。（ 2-5）（ 2-6） （ 2-7）2015/10/21 对于等温过程： 对于等压过程：波义耳定律盖 吕萨克定律（ 2-8） （ 2-9）（ 2-10）（ 2-11）（ 2-12）2015/10/21如果单位质量气体在 273K时的体积为 V0，则：又根据体胀系数的定义，有：可得：（ 2-13）（ 2-14）（ 2-15）2015/10/21 对于绝热过程：当气体既不向外散热，又没有热输入时，可认为是绝热可逆过程：（ 2-16）式（ 2.5）和（ 2.16）联立求解，可得：（ 2-17）2015/10/21其中， 为气体 的 绝热指数（也称等熵指数）单原子气体 =1.6；双原子气体 =1.4（ 如氧气、空气）；多原子气体 =1.3（如 过热 蒸汽）；干饱和蒸汽 =1.135绝热指数 仅与气体的分子结构有关（ 2-18）2015/10/21（ 2）流体的粘性xyFHvx（ y）稳定开始固定 在作相对运动的两流体层的接触面上，存在着一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层的相对运动，流体的这种性质称为 流体的粘性，由粘性产生的作用力称为粘性阻力 或 内摩擦力 。粘性阻力产生的物理原因：u 分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力；u 两层流体之间吸引力所形成的阻力。粘性的概念图 2.2 流体相对运动与粘性2015/10/21牛顿粘性定律xyFHvx（ y）稳定开始固定（ 2.17）yx下标： x为运动方向； y为流体动量传输方向，在该方向上存在速度梯度。式中： 为流体的动力粘度系数，其单位为 Pa S。 1Pa S=1N S/ =1Kg/ms2015/10/21粘 度 动力粘度 （ 2-19）运动粘度 （ 2-20）图 2.3 液态金属粘度与温度的关系 图 2.4 一般气体在 1atm时的粘度2015/10/21牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体： 满足牛顿粘性定律的流体。两个含义：1 、当速度梯度为零时，粘性力为零。2 、粘性力与速度梯度呈线性关系。非牛顿流体： 凡不满足牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿流体。2015/10/21 宾海姆塑流型流体 伪塑流型流体（ n1） 屈服 -伪塑流型流体图 2.5 稳定流的切应力 -剪切速率关系曲线（ 2-21）（ 2-22）（ 2-23）2015/10/214、流体动力学（ 1）流体运动的描述流体运动的全部范围称为 流场 ，即无数个流体质点或微团运动所构成的空间。用于表示流体运动特征的一切物理量称为 运动参数 ，包括速度、加速度、密度、重度、压力和粘性力等。流体动力学 ：研究流体质点在流场中所占有的空间的一切点上，运动参数随时间和空间位置的分布和连续变化的规律。2015/10/21研究流体运动的方法 拉格朗日法研究对象是流体质点，即研究流体各个质点的运动参数随时间的变化规律。综合所有流体质点的运动参数的变化规律，便得到整个流体的运动规律。 欧拉法研究对象是流场中的空间点，即研究流体质点通过空间固定点时的运动参数随时间的变化规律。综合流场中所有点的运动参数变化规律，便得到整个流体的运动规律。2015/10/21稳定流与非稳定流稳定流：非稳定流：流体运动参数只随位置而改变，而与时间无关。流体运动参数不仅随位置而改变，而且随时间不同而变化。图 2.6 稳定流 图 2.7 非稳定流2015/10/21迹线与流线 迹线： 流体质点运动的轨迹线。 流线： 在同一瞬时流场中连续的不同位置质点的流动方向线。图 2.8 流线概念 对于非稳定流，经过同一点的流线，其空间方位和形状是随时间而变化的。对于稳定流，由于流场中各点流速不随时间而改变，所以同一点的流线始终保持不变，且流线上质点的迹线和流线重合。 流线不能相交，也不能转折。2015/10/21流管、流束与流量dA图 2.9 流管与流束示意图流线族所组成的管状表面，称为流管。流管内，通过一微小曲面上所有点所成形的流线族，称为流束。工程中常用平均流速的概念 （ 2-24）2015/10/21（ 2）动量传输基本方程定律 方程式质量守恒定律 连续性方程动量守恒定律 动量方程（纳维儿 -斯托克斯方程、欧拉方程）能量守恒定律 能量方程（伯努利方程）表 2.1 质量、动量、能量守恒定律2015/10/21连续性方程输入控制体的质量 -输出控制体的质量 =控制体内质量的蓄积 直角坐标系X方向净输入的质量：Y方向净输入的质量：Z方向净输入的质量：图 2.10 微元六面控制体 质量净蓄积：2015/10/211 2根据质量守恒，则有：（ 2-25）（ 2-26）对于管流：2015/10/21圆柱坐标系（ 2-27）球坐标系（ 2-28）2015/10/21实际流体动量传输方程 纳维儿 -斯托克斯方程直角坐标系图 2.11 实际流体的微元六面控制体受力分析实际流体具有粘性。2015/10/21根据受力分析和牛顿第二定律，可得：整理可得：（ 2-29）2015/10/21同理可得： （ 2-30）（ 2-31）对于式（ 2-29），也可写成：（ 2-32）（ 2-29）2015/10