传输原理(第一讲)

传输原理(第一讲)宗燕兵1第1页，共35页，2023年，2月20日，星期日为什么把“三传”放在一起讲①“三传”具有共同的物理本质——都是物理过程动量传输：垂直于流线方向，由高速度区向低速度区转移；热量传输：高温区向低温区（平行于传递方向）；

质量传输：高浓度区向低浓度区（平行于传递方向）。2第2页，共35页，2023年，2月20日，星期日

②“三传”具有类似的表述方程和定律。

牛顿粘性定律傅里叶定律菲克定律

ρA为组分A在B中的质量浓度第3页，共35页，2023年，2月20日，星期日③各量的传递方向均与其“浓度”方向相反第4页，共35页，2023年，2月20日，星期日传输过程研究方法1理论研究：建立物理模型建立数学模型求解2实验研究3有限元分析及仿真模拟第5页，共35页，2023年，2月20日，星期日

学习冶金传输原理有两个最基本的目的：第一理解各种传输现象的机理，及相应数学模型建立方法；第二为将来所要研究的相关成型过程提供基础数学模型，以此为基础，可以对成型过程进行模拟研究，加速研发过程，降低研发成本。6第6页，共35页，2023年，2月20日，星期日第一章 流体的性质

§1.1

流体的定义和特征§1.2

流体作为连续介质的假设§1.3

作用在流体上的力表面力质量力§1.4

流体的密度§1.5

流体的压缩性和膨胀性§1.6

流体的粘性§1.7 粘性动量通量7第7页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.1流体的定义和特征自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态一、流体的定义具有流动性的物体（即能够流动的物体）。流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。流体包括液体和气体CDBAdbadydudtABFF8第8页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.1流体的定义和特征一、流体的定义液体与气体的区别液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积。二、流体的特征流动性9第9页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.2流体的连续介质假设

微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。

宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多。问题的引出：10第10页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.2流体的连续介质假设

定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。

流体微团必须具备的两个条件：必须包含足够多的分子；体积必须很小。一、流体的连续介质假设流体微团又叫流体质点。11第11页，共35页，2023年，2月20日，星期日选择按连续介质的概念，流体质点是指（）A流体的分子；B流体内的固体颗粒；C几何的点；D几何尺寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体。12第12页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.2流体的连续介质假设避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。2.

可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。二、采用流体连续介质假设的优点（满足微积分上连续性的需要，可求极限。）13第13页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.3作用在流体上的力两类作用在流体上的力：表面力和质量力一、表面力1.应力：单位面积上的表面力。

分离体（研究对象，如流体质点或流体微团）以外的流体或物体通过分离体的表面作用在其上的力，大小与作用面积成比例。14第14页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.3作用在流体上的力一、表面力2.法向应力和切向应力

例如：摩擦力（切向应力）、压强（法向应力）单位:Pa15第15页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.3作用在流体上的力二、质量力

作用在每个流体微团上的力，大小与流体质量成正比。例如：重力、电磁力、惯性力静止液体所受的质量力：X=0，Y=0，Z=-mg16第16页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.4流体的密度一、流体的密度单位体积流体所具有的质量。单位：kg/m3

常见流体的密度：水——1.0×103

kg/m3

（4度）

空气——1.293kg/m3

水银——13.6×103

kg/m3均匀流体：流体重度：单位：N/m317第17页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.4流体的密度二、流体的相对密度(比重）流体的密度与4oC时水的密度的比值。

式中，f

——流体的密度（kg/m3）w——4oC时水的密度（kg/m3）18第18页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.4流体的密度三、流体的比容单位质量的流体所占有的体积，是流体密度的倒数。单位：m3/kg19第19页，共35页，2023年，2月20日，星期日一、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数

单位压力增加所引起的体积相对变化量§1.5流体的压缩性和膨胀性注意单位！！20第20页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.5流体的压缩性和膨胀性二、流体的膨胀性流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.体胀系数

单位温度增加所引起的体积相对变化量注意单位！！21第21页，共35页，2023年，2月20日，星期日三、可压缩性流体和不可压缩性流体

可压缩流体和不可压缩流体

可压缩流体：考虑可压缩性的流体

不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体§1.5流体的压缩性和膨胀性22第22页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性1.粘性的定义流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1)库仑实验(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。

CDBAdbadydudtF法国物理学家

(1736-1806)23第23页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)1.粘性的定义(续)

(2)流体粘性表现在：流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度；流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零（无滑移边界条件）。24第24页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律（或粘性定律）

(1)牛顿平板实验板受到的摩擦力近似为“每层”流体间的内摩擦力。现象：自上而下一层带动一层，运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动，运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层，说明层间存在有摩擦力。当h和U不是很大时，因为该力存在于流体内部，故称为内摩擦力。25第25页，共35页，2023年，2月20日，星期日当h和U不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，板受到的摩擦力近似为“每层”流体间的内摩擦力F。当h和U不是很大时，26第26页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(或粘性定律)(续)

实验表明，对于大多数流体，存在内摩擦力引入比例系数μ，得：粘性剪切应力A为两个流体层接触面的面积。N/m227第27页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(续)

(2)牛顿内摩擦定律(续)说明：⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律：流动产生的内摩擦切应力与接触面法线方向的速度梯度成正比。28第28页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)

流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。(1)动力粘度(2)运动粘度3.粘度(动量扩散系数）注意单位会换算29第29页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)3.粘度（续）

(3)粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑

当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大30第30页，共35页，2023年，2月20日，星期日若某流体的动力粘度,粘性切应力则该流体的流速梯度()31第31页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性二、粘性流体和理想流体1.粘性流体

具有粘性的流体（μ≠0）。实际流体都是粘性流体。2.理想流体

忽略粘性的流体（μ=0）。一种理想的流体模型。举例：（1）静止流体；（2）惯性力和粘性力相比很大时，可以忽略粘性的存在，认为是理想流体，简化计算。32第32页，共35页，2023年，2月20日，星期日§1.6流体的粘性三、牛顿流体和非牛顿流体