冶金传输原理 课件.ppt

1、2020/6/16,1,教材及参考书目：1、冶金传输原理，张先棹主编冶金工业出版社19952、冶金传输原理基础，沈颐身李保卫吴懋林著冶金工业出版社20003、传递现象，R.B.博德等著，戴干策等译化学工业出版社20044、（工程）流体力学，多种版本5、传热学，周筠清编，冶金工业出版社6、传热学，杨世铭（及其他多种版本）等。,2020/6/16,2,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

2、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？,2020/6/16,3,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。

3、,冶金传输原理课程的内容,2020/6/16,4,钢铁冶金生产流程,2020/6/16,5,2020/6/16,6,高炉生产设备,2020/6/16,7,转炉炉口装料,转炉车间,2020/6/16,8,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）,2020/6/16,9,为什么把“三传”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

4、述方程和定律。,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。,2020/6/16,10,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。,2020/6/16,11,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？,2020/6/16,1

5、2,2020/6/16,13,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,2020/6/16,14,1.1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,2020/6/16,15,1.1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

6、定体积。,二、流体的特征,流动性,2020/6/16,16,1.2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：,2020/6/16,17,Afluidcanbemodeledinoneoftwoways:asacollectionofindividual,interactingmolecules(MolecularModel)orasacontinuuminwhichpropertiesaredefinedtobecontinuousthroughoutspace(

7、ContinuumModel).Macroscalefluidmechanicsisbasedoncontinuummodel.Butifthemoleculesaresparselydistributedrelativetothelengthscaleoftheflow,assumingcontinuityoffluidandflowpropertiesmayleadtowrongresults.Considermeasuringthedensityofafluidforacertainsamplingvolumeofspace.,FluidModeling,2020/6/16,18,1.2

8、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:N2100nm,2020/6/16,19,1.2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,2020/6/16,20

9、,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。,2020/6/16,21,1.3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）,2020/6/16,22,1.3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。,2020/6/16,23,1.4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

10、：水1.0103kg/m3空气1.23kg/m3水银13.6103kg/m3,均匀流体：,流体重度：,单位：N/m3,2020/6/16,24,2020/6/16,25,1.4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）w4oC时水的密度（kg/m3）,2020/6/16,26,1.4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/kg,2020/6/16,27,1.5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,202

11、0/6/16,28,1.5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,2020/6/16,29,1.6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。,2020/6/16,30,1.6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

12、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）。,2020/6/16,31,1.6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，得：,粘性剪切应力,2020/6/16,32,1.6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),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,牛顿内摩擦定律表明：,2020/6

13、/16,33,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,2020/6/16,34,1.6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,2020/6/16,35,1.6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。,2020/6/16,36,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。,2020/6/16,37,2020/6/16,38,1.6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（0）。,2.理想流体,忽略粘性的流体（=0）。一种理想的流体模型。,FluidFlowMovingfluidscanexhibitlaminar(smooth)