冶金传输原理

1、冶金传输原理 冶金传输原理冶金传输原理 冶金传输原理 1 1、三种传输现象的基本定律、三种传输现象的基本定律 )2 . 0( )( dy vd 牛顿粘性定律 )4 . 0( )( dy TCd aq p 傅里叶导热定律 )5 . 0( dy d Dj A ABA 菲克扩散定律 2 2、三种传输现象普遍规律、三种传输现象普遍规律( (类比关系）类比关系） 绪绪 论论 （1)1)通量扩散系数通量扩散系数浓度梯度（各自量的浓度梯度）；浓度梯度（各自量的浓度梯度）； ;)2( 2 smDAB的因次：三个扩散系数具有相同、 (3)“(3)“” ” 号意义相同号意义相同, ,即通量与浓度梯度方向相反。即通

2、量与浓度梯度方向相反。 传输传输物理量从非平衡态向平衡态的转移过程物理量从非平衡态向平衡态的转移过程 冶金传输原理 第第1 1章章 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体、连续介质模型流体、连续介质模型 等温压缩率等温压缩率 )8 . 1 ( 1 T T P V V k 体胀系数体胀系数)9 . 1 ( 1 P V T V V 2 2、液体的压缩性和膨胀性、液体的压缩性和膨胀性 3 3、 气体的压缩性和膨胀性气体的压缩性和膨胀性 PV=RTPV=RT 冶金传输原理 粘性粘性流体抵抗剪切变形的能力流体抵抗剪切变形的能力 粘性阻力（内摩擦力）粘性阻力（内摩擦力） 由粘性产生的作用力由粘性产生的

3、作用力 5 5、 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 )11.1 ( dy du A F 第第1 1章章 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 动力粘度动力粘度 / /PasPas， 运动粘度运动粘度/ m/ m2 2/s/s，又称，又称“动量扩散系数动量扩散系数”。 影响影响 的因素：物质种类、温度的因素：物质种类、温度 6 6、粘度、粘度 4 4、 粘性粘性 冶金传输原理 第第2章章 流体静力学流体静力学 1 1、作用在流体上的力、作用在流体上的力 质量力、表面力（法向力、切向力）质量力、表面力（法向力、切向力） 2、流体静压强流体静压强 流体静压强流体静压强单位面积上的流体静压力单位面积上的流体静

4、压力 流体压强的特性流体压强的特性 3 3、流体平衡微分方程、流体平衡微分方程 0 1 x p X 0 1 0 1 z p Z y p Y （2-14） 欧拉静平衡方程欧拉静平衡方程 冶金传输原理 4 4、平衡微分方程的积分、平衡微分方程的积分 第第2章章 流体静力学流体静力学 )22. 2()( 00 WWpp 5 5、静止流体中的压强分布规律、静止流体中的压强分布规律 流体静力学基本方程)28. 2( 2 2 1 1 2 2 1 1 p z p z g p z g p z 当已知液面压强当已知液面压强p p0 0和液面距基准面的距离和液面距基准面的距离z z0 0, , )30 . 2 (

5、)( 000 ghpzzgpp ) 13 . 2()( 000 hpzzpp或 冶金传输原理 6 6、静力学方程的能量意义与几何意义、静力学方程的能量意义与几何意义 第第2章章 流体静力学流体静力学 根据根据 (2.27)c p zc p z或 可知：可知： （1 1）同一静止液体中，各点的测压管水头是相等的，各点的静）同一静止液体中，各点的测压管水头是相等的，各点的静 压水头也是相等的。（几何意义）压水头也是相等的。（几何意义） （2 2）总比势能不变，但比压能和比位能可以互相转化。（能量）总比势能不变，但比压能和比位能可以互相转化。（能量 意义）。意义）。 a ppp 冶金传输原理 7 7

6、、静止液体对平面壁的压力、静止液体对平面壁的压力 第第2章章 流体静力学流体静力学 )46. 2(AhP C 7.1 求压力的大小求压力的大小 即压力即压力P P为浸水面积与形心处的液体静压强的乘积为浸水面积与形心处的液体静压强的乘积 7.2 7.2 求压力的作用点求压力的作用点 )49. 2( Ay J yy C C CD 8 8、静止液体对曲面壁的压力、静止液体对曲面壁的压力 )53. 2( Vp Ahp z xCx )54. 2( 22 yx PPP 冶金传输原理 压力的倾斜角为压力的倾斜角为 )55. 2(arctan x z P P 第第2章章 流体静力学流体静力学 P P的作用点（

7、压力中心）的作用点（压力中心）D D的确定：见图的确定：见图2.162.16 冶金传输原理 第第3章章 流体动力学流体动力学 3.1 3.1 流体运动的基本概念流体运动的基本概念 速度、加速度、稳定流与非稳定流、迹线、流线、流管、流束、速度、加速度、稳定流与非稳定流、迹线、流线、流管、流束、 流量流量 3.2 3.2 连续性方程连续性方程 (3.27) 0 z u y u x u z y x 对不可压缩流体，空间连续性方程对不可压缩流体，空间连续性方程 0 1 z u y u x u dt d z y x 3.2.1 3.2.1 直角坐标系的连续性方程直角坐标系的连续性方程 冶金传输原理 第第

8、3章章 流体动力学流体动力学 3.2.2 3.2.2 沿总流的连续性方程沿总流的连续性方程 )33. 3( 222111 AvAv mm 对不可压缩流体对不可压缩流体 )34. 3( 2211 AvAv 物理意义：对可压缩流体稳定流，沿流程的质量流量保持不变。物理意义：对可压缩流体稳定流，沿流程的质量流量保持不变。 物理意义：对不可压缩流体沿流程体积流量不变，流速与管截物理意义：对不可压缩流体沿流程体积流量不变，流速与管截 面积成反比。面积成反比。 冶金传输原理 第第3章章 流体动力学流体动力学 3.3 3.3 理想流体动量传输方程理想流体动量传输方程欧拉方程欧拉方程 )40. 3( 1 1

9、1 z u u y u u x u u t u x P Z z u u y u u x u u t u y P Y z u u y u u x u u t u x P X z z z y z x z y z y y y x y x z x y x x x 3.4 3.4 实际流体动量传输方程实际流体动量传输方程纳维尔纳维尔- -斯托克斯方程斯托克斯方程 )47. 3( 1 1 1 2 2 2 z z y y x x u z P Z dt du u y P Y dt du u x P X dt du 纳维尔纳维尔斯托克斯方程斯托克斯方程 （NSNS方程方程） 冶金传输原理 第第3章章 流体动力学

10、流体动力学 3.5 3.5 理想流体和实际流体的贝努利方程理想流体和实际流体的贝努利方程 )55. 3( 22 2 22 2 2 11 1 g uP z g uP z 理想流体的贝努利方程理想流体的贝努利方程 )62. 3( 22 2 22 2 2 11 1w h g uP z g uP z 实际流体的贝努利方程实际流体的贝努利方程 实际流体总流的贝努利方程实际流体总流的贝努利方程 W h vP gz vP gz 22 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 冶金传输原理 第第3章章 流体动力学流体动力学 贝努利方程的几何意义、物理意义贝努利方程的几何意义、物理意义 g uP zH 2 2 理

11、想流体的几何意义理想流体的几何意义 g h g uP zH w 2 2 实际流体的几何意义实际流体的几何意义 物理意义物理意义 2 2 W gh uP gzE 3.6 3.6 贝努利方程的应用贝努利方程的应用 冶金传输原理 第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失 4.1 4.1 流动形态及阻力分类流动形态及阻力分类 1 1、流动形态：层流流动、湍流流动、流动形态：层流流动、湍流流动、 2 2、流动状态判别准则、流动状态判别准则雷诺数雷诺数 ) 1 . 4(Re 粘性力 惯性力 dvdv CC 临界雷诺数：圆管、非圆形管、平板临界雷诺数：圆管、非圆形管、平板 3 3、能量损失的两种形式

12、、能量损失的两种形式 沿程阻力和沿程损失、局部阻力和局部损失、总能量损失沿程阻力和沿程损失、局部阻力和局部损失、总能量损失 流体绕过固体流动时的雷诺数流体绕过固体流动时的雷诺数vLRe 冶金传输原理 4.2 4.2 流体在园管中的层流运动流体在园管中的层流运动 第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失 )7 . 4()( 4 22 0 rr l p u 速度分布公式速度分布公式 最大流速最大流速 )8 . 4( 164 22 0max d l p r l p u 平均流速平均流速)12. 4()11. 4( 2 1 8 max 2 0 ur l p v 管中层流流量管中层流流量 )10

13、. 4(d 128 4 0 l p Q 沿程损失沿程损失 22Re 64 22 v d lv d l p 冶金传输原理 第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失 )15. 4( 2 2 g v d l g pp hf 或 边界层概念边界层概念 边界层边界层当流体流过固体表面时，由流体的粘性作用，在表当流体流过固体表面时，由流体的粘性作用，在表 面上呈现出具有速度差异（滑差速度）的流体薄层。面上呈现出具有速度差异（滑差速度）的流体薄层。 层流起始段层流起始段层流稳定之前的一段。层流稳定之前的一段。 4.3 4.3 园管中的湍流运动园管中的湍流运动 1 1、湍流的脉动现象、湍流的脉动现象

14、2 2、速度的时均化原则及时均速度、速度的时均化原则及时均速度 冶金传输原理 3. 3. 湍流边界层湍流边界层 湍流边界层湍流边界层 4. 4. 水力光滑管和水力粗糙管水力光滑管和水力粗糙管 水力光滑管：水力光滑管：，对流动影响小，类似完全光滑管。对流动影响小，类似完全光滑管。 水力粗糙管：水力粗糙管：，对流动影响大，消耗能量。对流动影响大，消耗能量。 第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失 冶金传输原理 第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失 5. 5. 湍流沿程损失的基本关系式湍流沿程损失的基本关系式 )26. 4( 2 2 v d l p)27. 4( 2 : 2 g

15、 v d l hf或 )28. 4(Re, d 图图4.8 4.8 尼古拉茨实验图尼古拉茨实验图 区：层流区区：层流区: 区：过渡区区：过渡区: 区：水力光滑管区：水力光滑管粗糙管的过渡区：粗糙管的过渡区： 区：水力光滑管区：区：水力光滑管区： 区：水力粗糙管区：区：水力粗糙管区： 图图4-9 4-9 莫迪图莫迪图 冶金传输原理 第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念 在热量传递过程中，在热量传递过程中，温度及其分布是第一要素，温差是推动力。温度及其分布是第一要素，温差是推动力。 稳态传热稳态传热-物体中各点温度不随时间改变的热传递过程。物体中各点温度不随时间改变的热传递过程。

16、非稳态传热非稳态传热-物体中各点温度随时间改变的热传递过程。物体中各点温度随时间改变的热传递过程。 5.1 5.1 基本概念基本概念 1 1、温度场、温度场某一时刻空间所有各点的温度分布某一时刻空间所有各点的温度分布 ),(tzyxfT 三维非稳态温度场 ),(, 0zyxfT t T 稳态温度场 2 2、等温面与等温线、等温面与等温线 3 3、温度梯度、温度梯度 z T k y T j x T igradT 冶金传输原理 第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念 4 4 热流量与热流密度热流量与热流密度 热流量热流量单位时间内，经由某一给定面积传递的热量，单位时间内，经由某一给定

17、面积传递的热量，W.W. 热流密度热流密度qq单位时间内通过单位面积的热量，单位时间内通过单位面积的热量，W/mW/m2 2. . 5.2 5.2 热量传递方式热量传递方式 5.2.1 5.2.1 导热导热 导热导热物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠物物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠物 质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。 dx dT A q 2 2、傅立叶导热定律、傅立叶导热定律 1 1、定义、定义 冶金传输原理 第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念 3 3、热导率、热导

18、率 热量传输系数热量传输系数 c a 热导率热导率 5 52 22 2 对流对流 对流换热（对流对流换热（对流+ +导热）导热）流体和与之接触的表面作相对运动流体和与之接触的表面作相对运动 时，在温差作用下进行的热量传输过程。时，在温差作用下进行的热量传输过程。 强制对流 自然对流 分类 1 1、定义、定义 2 2、计算公式、计算公式 牛顿冷却公式牛顿冷却公式 冶金传输原理 第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念 Th A qAThATTh fW 或)( 5.2.3 5.2.3 热辐射热辐射 1 1、含义及特点、含义及特点 热辐射热辐射物体自身温度（或热运动）的原因而激发产生的电

19、物体自身温度（或热运动）的原因而激发产生的电 磁波传播效应。投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使磁波传播效应。投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使 其温其温 度升高。度升高。 辐射换热特点辐射换热特点 冶金传输原理 第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念 2 2、斯蒂芬、斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律 （1 1）黑体在某一温度下的辐射能）黑体在某一温度下的辐射能 )14. 5( 4 0 WTA 斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律（四次方定律）波尔茨曼定律（四次方定律） ./1067. 5, 428 0 黑体辐射常数式中 KmW （2 2）实际物体的辐射能）实际物体的辐射能 )15. 5

20、( 4 0 WTA 式中，式中， 实际物体的黑度（或发射率）。介于实际物体的黑度（或发射率）。介于0 01 1之间。之间。 冶金传输原理 第第6 6章章 导热导热 6.1.1 6.1.1 导热微分方程导热微分方程 )2 . 6( 2 2 2 2 2 2 c q z T y T x T ct T v )(a 内能的增量 微元体 内热源的发热量 微元体中 微元体的净热量 导入与导出 当物性参数为常数且无内热源时当物性参数为常数且无内热源时Ta t T 2 稳态有内热源)(0 2 e q T v 无内热源稳态无内热源稳态 )3 . 6(0 2 2 2 2 2 2 2 z T y T x T T 冶金

21、传输原理 第第6 6章章 导热导热 对于对于轴对称问题轴对称问题（圆柱、圆筒或圆球），采用圆柱坐标系（圆柱、圆筒或圆球），采用圆柱坐标系 （r,zr,z）或球坐标系（）或球坐标系（r,r,）下的导热微分方程式（）下的导热微分方程式（6.46.4） （6.76.7）。）。 实用问题的简化实用问题的简化 无内热源的一维稳态导热：无内热源的一维稳态导热： 无内热源的稳态二维导热（直角坐标系）：无内热源的稳态二维导热（直角坐标系）： 0: 2 2 dx Td 直角坐标 ;0 1 : 2 2 dr dT rdr Td 圆柱坐标 .0 2 : 2 2 dr dT rdr Td 球坐标 0 2 2 2 2

22、y T x T 冶金传输原理 第第6 6章章 导热导热 6.1.2 6.1.2 初始条件及边界条件初始条件及边界条件 常数 0 0 TT t 1 1、初始条件、初始条件 ),( 0 zyxfT t 最简单的初始条件是最简单的初始条件是 2 2边界条件边界条件 1 1）第一类边界条件）第一类边界条件 稳态）常数( W T 已知任何时刻边界面上的温度分布，即已知任何时刻边界面上的温度分布，即 ),(, 0tzyxfTt WW 边界温度均匀时，上式可简化为边界温度均匀时，上式可简化为 非稳态）()(, 0tfTt WW 冶金传输原理 第第6 6章章 导热导热 （2 2）第二类边界条件）第二类边界条件

23、 ) t , z, y, x(f0 W W n T qt W 时 稳态导热常数 n T )()(0 W 非稳态导热时，tf n T t 给定物体边界上任何时刻的热流密度分布给定物体边界上任何时刻的热流密度分布 W q 如果边界温度均匀时，有如果边界温度均匀时，有 冶金传输原理 第第6 6章章 导热导热 （3 3）第三类边界条件）第三类边界条件 已知与边界面直接接触的流体温度已知与边界面直接接触的流体温度T Tf f和边界面与流体之间的对和边界面与流体之间的对 流换热系数流换热系数h h )()( WfW TTh n T 6.2 6.2 一维稳态导热一维稳态导热 6.2 6.2 一维稳态导热一维

24、稳态导热 6.2.1 6.2.1 平壁的导热平壁的导热 1 1 单层平壁单层平壁 1 21 Tx TT T 温度分布 )12. 6(/ 2 12 mWT TT q 热流密度 冶金传输原理 第第6章章 导热导热 2. 2. 热热 阻阻 T R R T zT zT , , :总面积热阻 .为热阻 t R 3 3、 多层平壁的导热多层平壁的导热 )15. 6(/ 2 3 3 2 2 1 1 41 mW TT q 3 3 43 1 1 12 32 : qTTqTT TT 求解和度层间分界面上的未知温 冶金传输原理 第第6章章 导热导热 6.2.2 6.2.2 圆筒壁的导热圆筒壁的导热 1 1单层圆筒壁

25、的稳态导热单层圆筒壁的稳态导热 )19. 6( ln ln )( 1 2 1 211 r r r r TTTT温度分布 )21. 6( ln 2 1 2 21 W r r TT L 热流量 W d d L TT 1 2 21 ln 2 1 或 热阻热阻 冶金传输原理 第第6 6章章 导热导热 2 2、多层圆筒的稳态导热、多层圆筒的稳态导热 )23. 6( ln 2 1 ln 2 1 ln 2 1 3 4 32 3 21 2 1 41 W d d d d d d TT 6.2.3 6.2.3 球壁的导热球壁的导热 C r Q T 1 4 温度分布 )27. 6( 21 T dd Q 热流密度 6

26、.3 6.3 非稳态导热非稳态导热 非稳态导热特征：非稳态导热特征： 冶金传输原理 6.4.1 6.4.1 第三类边界条件下的一维非稳态导热第三类边界条件下的一维非稳态导热周围介质温度为常数周围介质温度为常数 第第6章章 导热导热 一、无限大平壁的分析解和诺谟图一、无限大平壁的分析解和诺谟图 完整数学描述如下：完整数学描述如下： )( 2 2 a x T a t T 导热微分方程 )()0 ,(, 0 0 bTxTt初始条件 TtxTtx),(),(引用新的变量过余温度 )(),( ),( , 0 ),( , 0, 0 cTtxTh x txT lx x txT xt 边界条件 冶金传输原理

27、第第6章章 导热导热 解方程及边界条件得分析解解方程及边界条件得分析解 线算图（诺谟图）线算图（诺谟图） :求任意位置处的126),(图XBif m 11. 6),( 6 0 图BiFof m h Bi at Fo 2 0 无限大平壁中心温度的诺谟图无限大平壁中心温度的诺谟图: : 任意位置任意时刻任意位置任意时刻 温度温度T T的求解的求解 T 6.12 6.11 00 m m 0 代入 图 图 m m 冶金传输原理 第第6章章 导热导热 物体的累计热量物体的累计热量 6.13),(),( 2 908 0 图FoBiBifBiFf Q Q h h Bi FoBi 1 : 的物理意义、 对流换

28、热热阻 导热热阻 方程组的解归纳为准则关系式的意义：方程组的解归纳为准则关系式的意义： (1)(1)更好地揭示了物理现象的本质；更好地揭示了物理现象的本质； (2)(2)大幅度减少了变量数大幅度减少了变量数 . . . 扰动透过平板的时间 （惰性）时间 时间 a tat 22 响因素的分析。 果，有利于对影有利于表达式求解的结),( 0 FBihat 冶金传输原理 第第6章章 导热导热 6.4.2 6.4.2 第一类边界条件下的一维非稳态导热第一类边界条件下的一维非稳态导热表面温度为常数表面温度为常数 半无限大物体半无限大物体 )379( 2 2 x T a t T )(,0 0 aTTt定值

29、时初始条件 边界条件（第一类）边界条件（第一类） )(, ,0,0 0 bTTx TTxt W 处 定值处时 )43. 6()()( )42. 6()() 2 ( 0 0 NerfTTTT Nerf at x erf TT TT WW W W 或 理论解理论解 冶金传输原理 第第6章章 导热导热 表面的瞬时热流密度表面的瞬时热流密度q qW W )45. 6(/ 1 )( 2 0 0 mW at TT x T q w x w )46. 6( )(2 1 )( 2 0 0 0 0 mJ a t TT t dt a TTdtqQ w t w t wW W Qt时间内的累计热量0 蓄热系数蓄热系数b

30、b综合衡量材料蓄热和导热能力的物理量综合衡量材料蓄热和导热能力的物理量 )( 212 sm J bC C a 冶金传输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 7.1 7.1 对流换热概述对流换热概述 7.1.1 7.1.1 对流换热和牛顿冷却公式对流换热和牛顿冷却公式 牛顿冷却公式和换热系数牛顿冷却公式和换热系数 换热系数式中 或 2 , )( m W h Th A q AThATTh Wf 对流换热的主要任务：对流换热的主要任务： 具体表达式求解h 冶金传输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 7.1.2 影响对流换热的主要因素影响对流换热的主要因素 1. 1. 流动动力（起因）流动动力（

31、起因） 2. 2. 流动状态流动状态 3. 3. 换热表面几何尺寸、形状、位置换热表面几何尺寸、形状、位置 4. 4. 流体的物理性质流体的物理性质 .)()(,)()(等、粘度密度、导热系数比热 p C 物性相互间的联系和制约：主要反映在准则数值的大小上。物性相互间的联系和制约：主要反映在准则数值的大小上。 壁面几何形状因素。特征尺寸；式中 、 L LCTTvfh PfW (*)( 二、对流换热微分方程对流换热微分方程 ) 3 . 7( 0 y y T T h 一、影响因素一、影响因素 冶金传输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 能量微分方程能量微分方程 7.2 7.2 对流换热微分方程

32、组对流换热微分方程组 )5 . 7()( 2 2 2 2 2 2 j z T y T x T Cz T u y T u x T u t T zyx 对流换热微分方程：（对流换热微分方程：（7.37.3）式）式 连续性微分方程：连续性微分方程： （3.273.27）或（）或（7.47.4）式）式 动量微分方程：动量微分方程： (3.47)(3.47)式式 能量微分方程：（能量微分方程：（7.57.5）式）式 对流换热微分方程组对流换热微分方程组 7.3 7.3 热边界层概念热边界层概念 热边界层热边界层壁面附近形成的温度急剧变化的流体簿壁面附近形成的温度急剧变化的流体簿 层层 冶金传输原理 第第

33、7 7章章 对流换热对流换热 层流边界层中层流边界层中, ,沿沿y y方向的热量传递依靠导热。方向的热量传递依靠导热。 湍流边界层中，沿湍流边界层中，沿y y方向的热量传递依靠流体微团的脉动引起方向的热量传递依靠流体微团的脉动引起 的混合作用。的混合作用。 p c a Pr 普朗特数普朗特数 ;, 1Pr T a ;, 1Pr T a ., 1Pr T a 冶金传输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 7.4 7.4 相似理论基础相似理论基础 相似准数相似准数(similarity eriterion)(similarity eriterion)：由确定物：由确定物 理现象的物理理现象的物理

34、 量组成的反映现象物理相似的数量特征量组成的反映现象物理相似的数量特征 的无量纲数群。的无量纲数群。 在相似现象中，相应的相似准数数值相同，而且描在相似现象中，相应的相似准数数值相同，而且描 述相似现述相似现 象的准数关系式也相同。因此如果把模拟结象的准数关系式也相同。因此如果把模拟结 果整理成准数关系式，果整理成准数关系式， 那么得到的准数关系式就可推广到其他与之相似的现象上去。那么得到的准数关系式就可推广到其他与之相似的现象上去。 由相似准数可以得由相似准数可以得 出模型定律，作为设计物理模拟模型的依出模型定律，作为设计物理模拟模型的依 据。在确定相似准据。在确定相似准 数的方法中，常用的

35、主要有方程分析法、量纲数的方法中，常用的主要有方程分析法、量纲 分析法和分析法和 定律分析法定律分析法3 3种。方程分析法的根据是相似现象的物种。方程分析法的根据是相似现象的物 理理 方程相同，由分析描述现象的方程得出相似准数。方程相同，由分析描述现象的方程得出相似准数。 冶金传输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 （3 3）按照规定选取特征尺寸（准则数）按照规定选取特征尺寸（准则数NuNu、ReRe和和GrGr中的几何尺寸中的几何尺寸 称为特征尺寸）。称为特征尺寸）。 （4 4）按规定选用特征流速）按规定选用特征流速( (强迫对流换热准则数关系式中计算强迫对流换热准则数关系式中计算 雷诺

36、数雷诺数ReRe所选用的流速称为特征流速所选用的流速称为特征流速) ) 特征温度、特征尺寸和特征流速常称为对流换热的三大特征量。特征温度、特征尺寸和特征流速常称为对流换热的三大特征量。 （5 5）正确选用各种修正系数。）正确选用各种修正系数。 （2 2）按规定选取特征温度）按规定选取特征温度Tc(Tc(查取流体物性参数的温度称为特查取流体物性参数的温度称为特 征温度征温度) )。 （1 1）根据对流换热的类型和有关参数的范围选择所需要的准）根据对流换热的类型和有关参数的范围选择所需要的准 则数方程，不能弄错。则数方程，不能弄错。 对流换热准则数方程的正确使用对流换热准则数方程的正确使用 冶金传

37、输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 7.6 7.6 自然对流的换热计算自然对流的换热计算 自然对流时的温度分布和速度分布自然对流时的温度分布和速度分布 二、计算对流换热系数的准则方程二、计算对流换热系数的准则方程 )20. 7(Pr)( n mm GrCNu )( mm hlNu 简化计算公式简化计算公式 ： )22. 7()/( n lTAh 一个大气压、一个大气压、T TCP CP=50 =50左右，空气与表面换热时，有左右，空气与表面换热时，有 )23. 7(/)/(34. 1 24/1 ）（KmWlTh 一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展 冶金传输原理 第第7 7章章

38、对流换热对流换热 7.7 7.7 强制对流的换热计算强制对流的换热计算 7.7.1 7.7.1 外掠平板外掠平板 )24. 7(PrRe664. 0: )105(Re 315 . 05 Nu层流区 )25. 7(Pr)871Re037. 0(: )10Re105( 318 . 075 Nu湍流区 7.2.2 7.2.2 横掠圆柱横掠圆柱 )27. 7(Re n cNu 31 PrRenCNu或 冲击角影响及其修正冲击角影响及其修正 )28. 7( 0 90 hh 冶金传输原理 第第7 7章章 对流换热对流换热 7.7.3 7.7.3 绕流球体绕流球体 )29. 7(Re37. 0 6 . 0

39、mm Nu 空气 )30. 7(PrRe6 . 00 . 2 3121 mmm Nu液体 7.7.47.7.4 管内流动管内流动 湍流换热实验准则式：湍流换热实验准则式：)31. 7(PrRe023. 0 4 . 08 . 0 fff Nu 定性温度定性温度 2)( fff TTT 考虑不均匀物性的影响时，可选用以下实验准则式考虑不均匀物性的影响时，可选用以下实验准则式 )32. 7()(PrRe027. 0 14. 0318 . 0 W f fff Nu )33. 7() Pr Pr (PrRe021. 0 25. 043. 08 . 0 W f fff Nu 冶金传输原理 第第7 7章章

40、对流换热对流换热 几点讨论：几点讨论： （1 1）非圆形管）非圆形管 定型尺寸采用当量直径定型尺寸采用当量直径 （2 2）入口段修正）入口段修正 （3 3）弯管修正系数）弯管修正系数 （4 4）管内层流换热）管内层流换热 )39. 7(PrRe86. 1 14. 0 31 W f fff l d Nu 2 2）换热计算公式）换热计算公式 1 1）附加自然对流的影响）附加自然对流的影响 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 8.1 8.1 热辐射基础热辐射基础 8.1.1 8.1.1 热辐射的本质及特点热辐射的本质及特点 热辐射热辐射物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传物体自

41、身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传 播效应。投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使其温度升高播效应。投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使其温度升高. . 特点：特点：1 1、2 2、3 3 8.1.2 8.1.2 热辐射的基本概念及基本定律热辐射的基本概念及基本定律 本质本质 1 1、绝对黑体的概念、绝对黑体的概念 ) 1 . 8( QQQQ a 冶金传输原理 第第8章章 辐射换热辐射换热 穿透率 反射率 吸收率 式中 Q Q Q Q Q Qa “透明体”。全透射， ；“白体”全反射， “黑体”；全吸收， 01 01 01 .1, 0: 1, 0: 体积辐射气体 表面辐射固体和液体 实

42、际物体 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 黑体模型黑体模型: : 黑体模型黑体模型 物体向外辐射的能量是按波长和空间分布的。物体向外辐射的能量是按波长和空间分布的。 辐射力辐射力E W/mE W/m2 2 单色辐射力单色辐射力 2 /mWE 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 2、普朗克定律普朗克定律 E Eb b=f(,T) =f(,T)的具体表达形式的具体表达形式 )4 . 8(/ 1 3 5 1 2 mW e C E TC b 维恩定律维恩定律 )5 . 8(109 . 2108976. 2 33 max KmT 3 3、斯蒂芬、斯蒂芬- -波尔茨曼定律波尔茨曼

43、定律 2 4 0 / 100 mW T CEb 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 灰体定义灰体定义 4 4、灰体及其辐射力、灰体及其辐射力 (8.8)1 2 2 1 1 定值 nb n bb E E E E E E 根据灰体的定义，有根据灰体的定义，有。 bb E E E E 灰体的单色黑度定义 nbn EE 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 5 5、基尔霍夫定律及实际物体的吸收比、基尔霍夫定律及实际物体的吸收比 )11. 8( 11 基尔霍夫定律基尔霍夫定律热平衡条件下任意物体对黑体辐射能的吸热平衡条件下任意物体对黑体辐射能的吸 收比等于同温度下该物体的黑度。收比

44、等于同温度下该物体的黑度。 对于灰体，有对于灰体，有 定值 8.2 8.2 热辐射的工程应用热辐射的工程应用 8.2.1 8.2.1 辐射率的工程处理方法辐射率的工程处理方法 4 4 100 T CTEE bbb 式中，式中， 为实际物体的发射率（黑度），可通过实验确定。为实际物体的发射率（黑度），可通过实验确定。 b EE 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 常用材料的表面发射率常用材料的表面发射率可查相关图表。影响可查相关图表。影响的因素：物体的因素：物体 的种类、表面温度和表面状况。的种类、表面温度和表面状况。 8.2.2 8.2.2 两物体之间的辐射换热两物体之间的辐射换热

45、 1 1、角系数、角系数 物体尺寸、形状及相互位置等表面几何因素对辐射换热的物体尺寸、形状及相互位置等表面几何因素对辐射换热的 影响可用角系数来表示。影响可用角系数来表示。 )12. 8( 1122, 1 QQ )13. 8( 2211 , 2 QQ 角系数定义角系数定义有两个任意放置的物体表面，表面有两个任意放置的物体表面，表面1 1发出的辐发出的辐 射能中落到表面射能中落到表面2 2上的能量所占的百分数称为表面上的能量所占的百分数称为表面1 1对表面对表面2 2的角系的角系 数，记为数，记为1,21,2. . 同理同理 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 （2 2）两个很大的同

46、轴圆柱表面（长轴在井式炉内加热）两个很大的同轴圆柱表面（长轴在井式炉内加热） 121221 , 1AA （3 3）一个平面和一个曲面（平板在马弗炉内加热）一个平面和一个曲面（平板在马弗炉内加热） 121221 , 1AA 由两个表面组成的封闭系统由两个表面组成的封闭系统 常见封闭体系的角系数常见封闭体系的角系数 （1 1）两个相距很近的平行大平面）两个相距很近的平行大平面 1, 1 1221 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 2 2、封闭体系内两个大平板的辐射换热、封闭体系内两个大平板的辐射换热 )15. 8()( 100100 4 2 4 1 12 WA TT CQ b (1)

47、 (1) 黑表面黑表面 (2) (2) 灰表面灰表面 )61 . 8(100100 4 2 4 112 WATTCQ 导 )71 . 8()/( 111 1 42 21 KmW CCC C b 导 )81 . 8()/( 111 1 42 21 KmWC 导 式中式中 冶金传输原理 第第8章章 辐射换热辐射换热 （3 3） 封闭体系内任意辐射交换的计算公式封闭体系内任意辐射交换的计算公式 )19. 8()( 100100 212 4 2 4 1 12 WA TT CQ 导 )21. 8( 1 1 11 1 C 21 2 12 1 b 导 也可以写成C 补充：包壁（1）与内包非凹小物体（2） )

48、19. 8()( 100100 C 2 4 2 4 1 b212 WA TT Q 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 8.2.5 8.2.5 气体与固体的辐射换热气体与固体的辐射换热 1 1、气体辐射与吸收特点、气体辐射与吸收特点 2 2、气体的辐射力和黑度、气体的辐射力和黑度 )29. 8(/ 100 2 4 mW T CE g bgg 辐射力辐射力 气体的单色吸收率可表示为气体的单色吸收率可表示为 ),()(SpTf .S p T 射线行程 气体分压； 气体温度；式中 A)/3.6V(S 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 3 3、火焰辐射、火焰辐射 （1 1）暗焰

49、）暗焰 （2 2）辉焰）辉焰 4 4、气体与固体壁面之间的辐射换热、气体与固体壁面之间的辐射换热 )32. 8( 100100 1 11 4 4 W g Wg b T T AC Q 8.3 8.3 综合传热综合传热 综合传热综合传热两种或三种基本热量传递方式同时起作用。两种或三种基本热量传递方式同时起作用。 冶金传输原理 第第8 8章章 辐射换热辐射换热 8.3.1 8.3.1 对流和辐射同时存在的传热对流和辐射同时存在的传热 A 100100 CA)TThQ 4 2 4 1 21 TT QQ 导对辐对 （ )43 . 8(A)TThA)TT( )A( 100100 CA)TTh 2121 2

50、1 21 4 2 4 1 21 （） （ 辐对 导对 hh TT TT TT 8.3.2 8.3.2 炉墙的综合传热炉墙的综合传热 )83 . 8()/( 11 2 21 0 mW hh TT q 冶金传输原理 第第8章章 辐射换热辐射换热 )40. 8()/( 1 2 2 0 mW h TT q 或 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 质量传输质量传输物质从空间或物体的某一部分转移到另一部分的物质从空间或物体的某一部分转移到另一部分的 现象现象 9.1.1 9.1.1 扩散传质扩散传质 9.1.2 9.1.2 对流传质对流传质 流动体系中，由流体质点的宏观运动而引

51、起的物质传递过程。流动体系中，由流体质点的宏观运动而引起的物质传递过程。 其机制与对流换热类似。其机制与对流换热类似。 9.1.3 9.1.3 相间传质相间传质 传质过程涉及到两相或多相的相际之间的传质。与综合传热传质过程涉及到两相或多相的相际之间的传质。与综合传热 类似。类似。 由于浓度差存在，依靠分子运动引起的质量传输。其机理类由于浓度差存在，依靠分子运动引起的质量传输。其机理类 似于热传导过程似于热传导过程 多相反应：气多相反应：气固、气固、气液、固液、固液等液等 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 9.2.1 9.2.1 浓度浓度 1 1、质量浓度、质量浓度

52、 2 2、质量分数、质量分数 3 3、量浓度、量浓度 )5 . 9(/ 3 mmol M c i i i )3 . 9(% 1 i n i i i i m m w ) 1 . 9()/( 3 mkg V mi i 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 4 4、摩尔分数、摩尔分数 )7 . 9( 1 c c c c x i n i i i i 5 5、气体、气体 p p RTP RTp c c x iii i / / 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 质量分数与摩尔分数的关系：质量分数与摩尔分数的关系： n i ii iii i Mx Mx

53、 w 1 同理同理)11. 9( / / 1 n i ii ii i Mw Mw x 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 9.2.2 9.2.2 速度速度 1 1、以静止坐标为参考基准、以静止坐标为参考基准 )12. 9()/( 1 1 sm v v n i i i n i i )13. 9()/( 1 1 smol c vc v n i i i n i i M 或 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 2 2、以平均速度为参考基准、以平均速度为参考基准 )15. 9(mol/s)vi )14. 9(m/s)vi M的扩散速度（ 相对于组元

54、 的扩散速度（相对于组元 Mi i vv vv 9.2.3 9.2.3 传质通量传质通量 通量密度通量密度= =速度速度浓度浓度 1 1、相对于静止坐标系的质量通量和摩尔通量、相对于静止坐标系的质量通量和摩尔通量 )16. 9()/( 2 smkgvn iii 质量通量 )17. 9()/( 2 smmolvcN iii 摩尔通量 冶金传输原理 第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 2 2、相对于质量平均速度的质量通量和相对于摩尔平均速度的、相对于质量平均速度的质量通量和相对于摩尔平均速度的 摩尔通量为摩尔通量为: : )18. 9()/()( 2 smkgvvj iii 质量通量

55、 )19. 9()/()( 2 smmolvvcJ Miii 摩尔通量 双组分混合物中，浓度、速度以及质量通量的表达及其相互关双组分混合物中，浓度、速度以及质量通量的表达及其相互关 系式系式表表9.19.1 冶金传输原理 第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程 1、以、以质量浓度表示质量浓度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程 )13.10()()( 2 AAABA A Dv Dt D 2、以物质的、以物质的摩尔浓度表示摩尔浓度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程 )14.10()()( 2 AAABA A RcDvc Dt Dc 3、以、以质量

56、通量密度表示质量通量密度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程 ）见表式中9.1( )15.10(0 vjn rn Dt D AAA AA A 4、用、用摩尔通量密度表示摩尔通量密度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程 )16.10(0 AA A RN Dt Dc 冶金传输原理 第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程 质量传输微分方程的几种简化形式质量传输微分方程的几种简化形式 1、均质不可压缩流体（、均质不可压缩流体（=常数）常数） )17.10(0 A A r Dt D 2、均质不可压缩流体没有化学反应的稳定态传质（、均质不可压缩流体没有化学反

57、应的稳定态传质（v=常数，常数， rA=rB=0） )18.10( 2 AABA Dv )19.10( 2 AABA cDcv 冶金传输原理 第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程 3 3、总体流动可忽略不计及不可压缩流体没有化学反应的非稳、总体流动可忽略不计及不可压缩流体没有化学反应的非稳 态传质（态传质（v=0,rv=0,rA A=r=rB B=0 =0 ） )20.10( 2 AAB A D t )21.10( 2 AAB A cD t c 费克第二定律；费克第二定律； （2 2）费克第二定律与导热的傅里叶定律在形式上完全一致，）费克第二定律与导热的傅里叶定律在形式上完全一致

58、，其在其在 各各坐标系中的表达式见表坐标系中的表达式见表10.1.10.1. （1 1）费克第二定律费克第二定律适用于固体、静止液体或气体组成的等摩适用于固体、静止液体或气体组成的等摩尔逆尔逆 向向扩散体系；扩散体系； 冶金传输原理 第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程 10.4 10.4 定解条件定解条件 10.4.1 10.4.1 初始条件初始条件 ),(, 0zyxcct AA 简单情况简单情况 t=0,ct=0,cA0 A0= =常数 常数 10.4.2 10.4.2 边界条件边界条件 1 1、规定了边界上的浓度值、规定了边界上的浓度值 2 2、规定边界上的通量、规定边界

59、上的通量 3 3、规定边界上的对流传质系数、规定边界上的对流传质系数k kc c及组分及组分A A的浓度的浓度 对流传质时，边界上的摩尔通量为对流传质时，边界上的摩尔通量为: : 已给定已给定 )22.10()( AfAlcAl cckN 冶金传输原理 第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程 4 4、规定化学反应的速率、规定化学反应的速率 。的浓度为表面处组分 是一级反应速率常数；其中， Ac k ckN Al AlAl 1 1 冶金传输原理 第第11 11章章 扩散传质扩散传质 11.111.1一维稳态分子扩散一维稳态分子扩散 研究目的研究目的: :找出内部找出内部浓度分布浓度分

60、布规律，以及通过分子扩散方式所规律，以及通过分子扩散方式所 传递的传递的质量通量质量通量。 研究内容研究内容: :在不流动或停滞介质以及固体中以分子扩散方式进在不流动或停滞介质以及固体中以分子扩散方式进 行的质量传递过程。行的质量传递过程。 11.1.1 11.1.1 等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散 BA NN 0 A N dz d 冶金传输原理 第第11 11章章 扩散传质扩散传质 0 2 2 dz cd A 边界条件边界条件 2 1 : :0 AA AA CClz CCz ) 3 .11( 1 12 A AA A cz L cc c 其解为其解为 微分方程微分方程 等摩尔逆向扩散浓度分布等摩