第一部分动量传输(绪论与第一章流体性质

1、材料加工冶金传输原理Principles of Transport Phenomena in Materials Processing第一部分 动量传输（流体动力学）第一章 绪论(1学时)（可参考“流体力学网络教程.上海交大.丁祖荣主编”）前 言一、冶金传输原理的课程性质该课是冶金工程类专业基础课程。其特点是运用到较多高等数学方面知识，课程难度较高，该课与冶金原理、金属学共同构成专业基础核心课程。二、冶金传输原理课程的内容顾名思义，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）、热量传递和质量传递三大部分。冶金过程热量、质量和动量的

2、传递决定对象的流动、混合状态，并通过影响温度和浓度分布而影响、决定化学反应进程。传输原理在冶金过程中的应用，使冶金物理过程得到深入而定量的求解。使人们对物理过程表面现象的判断和粗略的估计逐步转化为由理论分析和数值计算得到的本质问题的定量解答。三、传输现象在冶金过程中普遍性及重要性传质：大多数冶金过程都是高温、多相条件下进行的物理化学过程。每一个化学反应都包含以下反应步骤：反应物向反应面（反应区域）的运动（传输、传递、输运）在反应区域（反映界面）发生化学反应化学反应产物的排出（传输）在以上三步骤中速率（速度）最慢的一步将限制（控制）化学反应的速率化学反应的限制性环节（瓶颈）。以后冶金原理会告诉我

3、们，冶金反应大都不受化学反应速率的影响（第二部非限制性环节），即反应物或产物 (主要是反应物) 的运动 (传输) 将控制整个化学反应的进程。在此，主要是质量传递。为使化学反应高效、快速进行，必须采取措施加速质量传递，这就要研究质量传输的机理，讨论研究方法。传热：冶金过程一般是高温过程，这就要求我们调整和保持冶金容器（反应器）内温度，从而有必要对热量传递和温度分布进行研究。传动量：冶金过程离不开气体、液体（统称为流体），它们的流动状况（速度、分布）对质量传递和热量传递构成影响，且一般情况下又控制其它两项的传输过程，这就要求我们对动量传递（主要指速度、速度分布）进行研究。由以上讨论，动量、质量、热

4、量传输实际上控制着冶金过程。为此，我们必须对其过程传输机理进行研究，对研究方法进行总结，对研究结果给予定量的表述。四、为什么把动量传输、质量传输、热量传输放在一起讲“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，在实际工业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。五、冶金传输原理和冶金物理化学（热力学和动力学）的区别和联系冶金传输原理研究冶金过程物理现象。冶金物理化学研究冶金反应的化学过程。但化学过程由化学反应本身和物质质量传递两部分共同构成，所以，在宏观动力学方面与冶金传输原理相联系。动力学：反应实际达到程度（人的主观积极性）热力学：反应的可

5、能限度平衡（人的客观素质潜力）六：几点说明内容深要求学生课前预习。课上认真听讲，跟上，不明白提问。课下认真复习、总结。出勤问题，作业问题。考试问题。以往学生易犯的错误。教材问题。七：参考书目：本篇内容主要涉及流体力学，可参阅相关书籍。八：授课方式采用多媒体与动画进行解释说明第二章 流体的性质(4学时)第一节 流体的概念及连续介质模型1 流体的概念流体：自然界中能够流动的物质，如液体和气体。基本特性：流动性(剪切力作用下连续变形)压缩性(膨胀性)粘性(阻滞流动的性质)连续性可流动性：指流体在任意小的切应力的作用下都会发生明显的变形。 可压缩性：指在压力作用下，流体体积会发生明显的变化。 （液体为

6、不可压缩流体，能形成自由分界面；气体为可压缩流体，不能形成自由表面）原因：分子间间隙改变。加压间隙减小体积减小。气体尤为突出，液体影响不大。 体积压缩系数 ： 含义：温度一定时，每增加单位压强，流体体积变化的相对值。 式中负号表示 。 单位：1/Pa，式中 ：体积弹性模量。 （3）液体的粘性流体与固体的区别：从力学角度看，固体在确定的剪切力的作用下产生固定的变形；流体在剪切力作用下产生连续的的变形，即连续运动。固体变形用虎克定律描述，应力与应变成正比，即F/A与成正比。 如何描述流体的连续变形，必须研究粘性。（图（固体单元与液体单元的变形）见课件）实例说明： 时间 时，维持上平板恒速(匀速)运

7、动需要一个恒力F： 试验结果 （：平板面积 ：粘性系数，动力粘度，Pa/s ）物理含义：作用于单位面积上的力正比于流体速度梯度。原因：流体内部粘性力（粘滞力）阻碍流动，抵抗剪切变形。 工程上常用 运动粘性系数表示，有： 单位：m2/s 粘性系数 取决于温度和组成 空气 书上P4式（1-3） 2 连续介质模型 1)、流场：流体运动的全部范围。 2)、流体：液体、气体。 流体的性质： A 易流动性：在任何微小的应力的作用下可发生连续变形。原因：分子之间的内聚力小。 B 可压缩性（气体）：压力增加，体积减小；反之。没有自由表面，充满整个容器空间。 不可压缩流体（液体）：在相当大的压力下，流体仍几乎不

8、改变其原有的体积，有自由表面。 3）、连续介质人为假定的模型 从流体的宏观特性出发，流体充满的空间里是有大量的没有间隙存在的流体质点组成的。 流体质点：在连续介质内对某一点取得极小，但却包含有足够多的分子（宏观：足够小；微观：足够大。），使其不失去连续介质的特性而有确定的物理值。连续介质：把流体视为有大量宏观上的质点(单元大小Vc )连续来构成的(质点间无间隙)。 好处：流体的速度、压强、温度、密度、浓度等属性都可看做时间和空间的连续函数，从而可以利用数学上连续函数的方法来定量描述。 连续介质的特性：流体的一切属性（速度、压力、密度、温度、浓度等）都可看作坐标与时间的连续函数，利用数学中连续函

9、数的性质解题。 注意！：稀薄气体的分子间距大，此概念不适用。流场：将上述连续介质模型描述的流体叫流场，或流体流动的全部范围叫流场。 第二节 液体的主要物理性质1.2.1 流体的压缩性及膨胀性 流体的密度、重度及比容密度：(均质)，(非均质)，kg/m3重度：，N/m3比容：，m3/kg工程单位制中1 kgf = 国际单位制中1 kg国际单位制中r = 工程单位制中g应用：密度与重度之间的换算。 液体的压缩性及膨胀性液体的压缩性：当作用在液体上的压力增加时，液体所占有的体积将缩小的现象。液体分子距离较近，压缩时，排斥力增大，难以压缩；=通常采用等温压缩率来表示，指的是在温度不变时，压力每增加一个

10、单位时液体体积的相对变化量，即 其中: 等温压缩率（Pa-1）,压力增高量(Pa), 体积变化量(m3),V液体原来的体积(m3)负号表示压力增加时体积缩小，故加上负号后变为正值。液体的膨胀性：温度升高时，体积膨胀的现象。用表示，当压力保持不变，温度升高1K时液体体积的相对增加量，即，为体胀系数（K-1），为液体温度的增加值。T，略有膨胀，膨胀系数1/1000。V受T、P的影响不大，不可压缩流体。 气体的压缩性及膨胀性气体分子间距较大，吸引力较小，V受T、P的影响较大。对于理想气体而言，的关系可用状态方程表示，即 密度 kg/m3 式中 P绝对压力，Pa；R气体常数；热力学温度，K。 ，等温压

11、缩（波义耳定律Boyle），单位质量理想气体的体积与压力成反比，而它的密度与压力成正比。 ，恒压膨胀式中 Vtt oC下的比容；V0标态比容； 气体膨胀系数。在压力不变时，一定质量气体的体积随温度升高而膨胀。温度每升高1K，体积便增加273K时体积的。即盖吕萨克定律。 kg/m3 N/m3G千克气体体积 m3流量 m3/s 热气体流动情况下流速 m/s 气体在绝热状态下压缩时(等熵过程)K为等熵指数，对于空气与多原子气体，在通常温度下，可取对于能够忽略其压缩性的流体称为不可压缩流体。其密度和重度均可看为常数；反之，称为可压缩流体，其密度与重度不能看成常数。气体第三节 液体的粘性和内摩擦定律1.

12、3.1 流体粘性概念 流体的粘性及粘性力粘性：阻滞流动的性质。产生原因：流体分子间的内聚引力和分子的热运动。粘性力：由粘性产生的作用力（粘性阻力或内摩擦力）粘性力的建立过程：流体流层间产生切应力的现象，流体的粘性；切应力粘性力上、下层速度不同，使流体发生变形，从而产生内摩擦力F。 粘性力产生的物理原因：快层与慢层之间的分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力；两层流体之间吸引力所形成的阻力。2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律：当液体的流层之间存在着相对位移，即存在速度梯度时，由于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间以及流体与固体表面之间所产生的粘性阻力的大小与速度梯度和接触面积成正比，并与流体的粘

13、性有关表述：流体的粘性力F与速度U0成正比，与两平板间距离H成反比，与接触面积A成正比。任意两流层 N单位面积上的粘性力(切应力) N/m2 （牛顿粘度定律）式中 x流向；y速度变化方向；速度梯度，速度增大方向为正。(单位距离上的速度变化量)，式中正负号的出现是为了保证为正。负号表示动量是从流体的上层传向下层，即负Y向，反之。3 流体抵抗变形运动的性质，称为粘滞性。粘性切应力用牛顿内摩擦（或粘性）定律来计算： 式中称为动力粘性系数或简称粘度，它的单位为Ns/m2或Pas，工程常采用泊，用P表示，1P=0.1Pas 粘性系数与流体密度的比值，称为运动粘性系数，以表示，即式中的单位为/s。工程上采

14、用沲为单位，用St表示，1St=10-4/s提问流体在静止时，有粘性吗？有，但表现不出来。 4 粘度系数 动力粘度系数，动力粘度。 单位： 物理意义：时，单位面积下的粘性力的大小，流体阻滞流动的能力，阻滞作用。粘性系数与流体密度的比值，称为运动粘性系数，以表示，即 运动粘度 m2/s粘度系数大小与什么有关？ （1）物质种类； （2）对同一种流体与温度 液体T 升高时 下降 气体T 升高时 升高 原因： 在液体中，分子间距小，分子相互作用力较强，当T升高时，分子之间距离增加，引力减小，所以层与层之间的摩擦力减小，粘性下降。 而气体，分子间距比液体大得多，引力很弱，层与层之间的粘性表现为两层流体层

15、间分子的动量交换，来阻止流体层间相对滑动，分子间的引力作用可忽略，当气体T升高时，内能增加，分子运动剧烈，动量交换激烈，所以粘性升高。 对混合流体，经验公式有： 单一气体 Pas式中 m00C时的粘度；T绝对温度，K；C实验常数，查表。混合气体 烟气(CO2、H2O、N2、O2LL)式中 aii组分的体积百分数；分子量；mii组分粘度。原因：（参照教材P12 图2-2图2-5）在液体中，分子间距小，分子相互作用力较强，当T升高时，分子之间距离增加，引力减小，所以层与层之间的摩擦力减小，粘度下降。 而气体，分子间距比液体大得多，引力很弱，层与层之间的粘性表现为两层流体层间分子的动量交换，来阻止流

16、体层间相对滑动，分子间的引力作用可忽略，当气体T升高时，内能增加，分子运动剧烈，动量交换激烈，所以粘度升高。 5 粘性动量通量 （一）通量：单位时间通过单位面积的*量，称为*通量。对动量而言，称为动量通量。 粘性动量通量是流体粘性所形成的动量传输过程： 粘性力各流层之间 带动力（对慢流层） 制动力（对快流层） 由于流层的速度不等动量不等，快流层带动慢流层，前者将动量传给后者实质是动量的传递过程。 动量通量：单位时间通过单位面积所传递的动量，相当于单位面积上的作用力。动量通量： 即动量mv/单位时间.单位面积t.A 即 （F/A）=m（v/t.A）= （牛顿粘性定律）F=ma=m（v/t） 所以

17、：速度不等的流层之间，作用在单位接触面积上的粘性力，相应地就是接触面积上的粘性动量通量。 从粘性力的建立过程来看，由于流体粘性作用流体流层间出现速度差。由于分子热运动、分子内聚力流体流层间产生动量交换流层间产生切应力(粘性力)。动量交换过程是由流体的粘性构成的粘性动量传输(物性传输)。动量通量：单位时间通过单位面积所传递的动量，相当于单位面积上的作用力。粘性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的粘性动量，亦即单位面积上的粘性力(切应力)。 Pa式中 tyxx高速流层向低速流层的传递；低速向高速为正；动量梯度(单位距离上的动量变化量)。运动粘度n： 单位： 物理意义：单位面积上的粘性力，阻滞流动

18、的能力。 影响因素： 流体种类 温度粘性动量与粘性力的不同之处？ 传递方向:高速流层向低速流层(y)；流体流向(x) 快速流层与流向相反；慢速流层，相同。6 粘性力与粘性动量通量的区别 大小相等，方向垂直。粘性力的方向对快流层与速度的方向相反，对慢流层与速度的方向相同；粘性动量通量的方向与动量梯度（或速度梯度）的方向平行而相反，即动量是由高速流层向低速流层方向传输。 注意！：牛顿粘性定律的适用范围：流体的层流流动。 举例： 例1-3 两平行平板之间充满粘度为0的液体，在对称面上有一面积为A的薄板，薄板以等速度U作平移运动如图（a）所示。现以另一种液体充满上述平板之间，但其粘度未知，若其中薄板置于底板以上处，也以等速U作平移运动，如图（b）所示，且已知拖动力与等一种情况相同，试由0，h, 确定。 第四节 非牛顿流体1 牛顿流体及非牛顿流体牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体；例如：所有气体、水及甘油等。非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体；例如：水煤浆、石灰等。牛顿