冶金传输原理-课件

冶金传输原理导论（所有老师用统一课件PPT)1、什么是传输现象？（横向学科及其作用）

本课程的历史与地位：基础课、专业基础课（主干课）、专业课2、为什么研究传输现象？提高化学反应速度和过程效率。

科学研究不断深入的需要。

问题：*如何搅拌高温钢水？（加料均匀分布和温度均匀）*转炉内钢水如何流动？动力何来？*两船高速并行与两纸片间吹气的后果？*等温室内条件下，为何冬天和夏天人的感觉不一？三传：传热传质传动量----物理过程传热学传质学流体力学（无静力学）温度场浓度场速度场（设计，创新，改造，诊断等）现象=三传一反（物理+化学过程）为化学反应输送所需。还有没解决的问题：紊流，多相流等。

3、冶金工业和生活中哪些是传输现象吗？7/23/20231

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。怎么学习“传输原理”？学什么？方法等。多看，多练，多想，多交流。冶金传输原理课程的内容7/23/20232钢铁冶金生产流程B.F.gasConvertergasCokeovengasIronoreLimestoneCoalHotblastOxygenBottomgasVacuumSlabProduct(Hotcoil)WatercoolingTorpedocarSinteringCokeovenBlastfurnaceConverterDegassererTundishC.C.machineHotstripmillCoppermouldWatercoolingWatercooling7/23/202337/23/20234高炉生产设备7/23/20235转炉炉口装料转炉车间7/23/20236钢铁工业是一个涉及物理化学过程的复杂流程（高温化学工业）。特点：高温传热过程、多相反应、流体流动、物质扩散冶金过程必然会涉及到以下现象：物料的加热过程，物料的冷却过程流体的流动状态、速度和流动动力物料扩散、搅拌及其均匀性动量传输、热量传输、质量传输（流体力学）（传热）（传质）7/23/20237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。②“三传”具有类似的表述方程和定律。③在实际冶金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。7/23/20238

学习冶金传输原理的基本目的：第一，深入理解各种传输现象的机理，为理解冶金工艺过程奠定理论基础，对改进和优化各种冶金过程和设备的设计、操作及控制提供理论依据；第二，为将来所要研究和开发的冶金过程提供基础数学模型，以此为基础，可以对冶金过程进行模拟研究和控制，加速研发过程，降低研发成本。第三，学习研究复杂过程和理论的方法。7/23/20239冶金传输原理－动量传输部分动量传输的研究对象是什么？流体流动的何为“动量”？其与“动能”有何区别？7/23/2023107/23/202311第一章 绪论

§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7/23/202312§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u=VMovingplateFixedplateyxu=0Fluidt0t1t27/23/202313§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7/23/202314§1.2流体连续介质的假设

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：7/23/202315Afluidcanbemodeledinoneoftwoways:asacollectionofindividual,interactingmolecules(MolecularModel)orasacontinuuminwhichpropertiesaredefinedtobecontinuousthroughoutspace(ContinuumModel).•Macroscalefluidmechanicsisbasedoncontinuummodel.Butifthemoleculesaresparselydistributedrelativetothelengthscaleoftheflow,assumingcontinuityoffluidandflowpropertiesmayleadtowrongresults.•Considermeasuringthedensityofafluidforacertainsamplingvolumeofspace.FluidModeling7/23/202316§1.2流体的连续介质假设连续介质定义：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Numberdensity:N23x1025m-3,H2O2x1028m-3Intermolecularspacing:N23nm,H2O0.4nmMeanfreepath:N2100nm7/23/202317§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7/23/202318§1.3作用在流体表面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。流体或其他物体通过流体表面时，作用在流体上的力，其大小与作用面积成比例。7/23/202319§1.3作用在流体上的力一、表面力2.法向应力和切向应力（压力和剪切力）

7/23/202320§1.3作用在流体上的力二、质量力作用在流体内部每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。（也叫彻体力）例如：重力、惯性力、磁力等。7/23/202321§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。密度表征物体惯性的物理量。单位：kg/m3

常见流体的密度：水——1.0×103

kg/m3

空气——1.23kg/m3

水银——13.6×103

kg/m3均匀流体：流体重度：单位：N/m37/23/2023227/23/202323§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）7/23/202324§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，流体密度的倒数。单位：m3/kg7/23/202325§1.5流体的压缩性一、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7/23/202326§1.5流体的压缩性二、可压缩性流体和不可压缩性流体引起重要影响的参数！高压与常压流体的区别

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7/23/202327§1.6流体的粘性一、流体的粘性：引起重要影响的参数！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。（与固体外表面接触时）(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。

7/23/202328§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）。7/23/202329§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)

牛顿内摩擦定律：试验证明粘性力正比与速度梯度。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7/23/202330§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)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。另一粘度单位：运动粘度ⅴ牛顿内摩擦定律表明：7/23/202331因为力存在于流体内部，故称为内摩擦力A为两个流体层接触面的面积。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。牛顿内摩擦定律实质：B层上下受到的内摩擦力（或切应力）方向相反ABC7/23/202332§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(动量扩散系数）3.粘度7/23/202333§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当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大。7/23/202334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↑

压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。7/23/2023357/23/202336§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）。2.理想流体

忽略粘性的流体（μ=0）。一种理想的流体模型。FluidFlowMovingfluidscanexhibitlaminar(sm