热工基础1.1,1.2.ppt

1、无机非金属材料热工基础,高温材料与镁资源工程学院,曲殿利,(1)流体力学（动量传输） (2)传热学（能量传输） (3)传质学（质量传输） (4)燃料及其燃烧,热工基础内容：,热工基础内容：,流体力学：流体的物性、流场的描述方法、流体静力学及流体动力学等内容。 传热学：热量传输的基本概念，热量传输微分方程、稳态传热和非稳态传热、传导传热、对流传热和辐射传热及综合传热。 传质学：质量传输基本概念、质量传输微分方程、质量传输基本定律、相间传质。 燃料及其燃烧：燃料种类与燃料的组成、燃烧计算、空气消耗系数。,各部分关系： 动量传输是运动流体体系中或边界条件上能量传输和质量传输的基础；燃料燃烧综合了化学

2、反应和动量传输、能量传输和质量传输过程。,无机非金属材料热工基础,教材、主要教学参考书及资料： 硅酸盐工业热工过程及设备孙晋涛主编武汉理工大学出版社 硅酸盐工业热工过程及设备姜金宁主编冶金工业出版社 冶金炉热工基础刘人达主编冶金工业出版社 冶金传输原理张先棹主编 冶金工业出版 工程流体力学各种版本 学习本课程的要求 1）课前预习、课上注意听讲、并认真做好笔记；,2）课后一定要认真复习，在理解问题的基础上独立完成课后作业； 3）有问题及时提出，及时解决； 4）提倡课堂提问和讨论； 5）班长、学委、科代表及时反映学生意见； 6）课后询问，答疑。 联系方式： 办公室电话： 5928089 手机： 1

3、3188075116 高镁学院办公室电话： 5928221,无机非金属材料热工基础1流体力学（动量传输）1.1流体力学（动量传输）的基本概念,重点：连续介质假设，流体属性，作用在流体上的力 难点：作用在流体上的力,1.1.1 流体力学与连续介质模型假设,1.1.1.1流体力学简介 概念：流体力学是力学的一个分支，它是研究流体运动和平衡的规律及流体与固体，流体与流体之间相互作用的一门学科。 内容：流体力学包括：液体力学；气体力学。 (1) 液体力学 通常以水作为流体的代表，固称为水力学。由于液体的体积不会随着压力的变化而改变，所以在研究液体运动的过程中，通常可以认为流场上的各点密度保持不变，即：

4、c（常数）。因为对于一定质量的液体来说，它的体积不变，密度自然也就是常数。这种等密度流动是水力学的一个重要特点。,（2）气体力学 主要研究气体运动的规律。由于气体的体积会随着压力的变化而改变。压力增大，体积会缩小；压力减小，体积会变大。所以在研究气体运动的过程中，可以认为密度在流场中是变化的，即：c（常数）。这种变密度流动是气体力学的特点。 特别注意的是：对于低速运动的气体，我们通常认为是等密度的，即：c。,(3) 工程流体力学： 是以理论分析和实验研究相结合的方法，来研究流体处于平衡，运动和流体与固体之间相互作用的力学规律，以及这些规律在过程技术中的应用。 单位制： 主要采用国际单位制，但是

5、有时也会使用工程单位制，所以我们在做题时一定要注意国际单位制与工程单位制的换算。,1.1.1.2 连续介质模型 流体研究的方法： （1）宏观方法； （2）微观方法。 连续介质模型的提出： 1753年，欧拉（Leondard Euler 17071783)提出，将流体看成是由无数质点组成的稠密而无间隙的连续介质。这些质点能反映宏观流体的各种物理量（密度、体积、压强、温度、浓度等）。因此这些物理量可以看作是时间和空间上的连续函数，从而可以利用连续函数这个数学工具来解决传输理论的知识。,质点：大量分子的集合，无几何尺寸，具有均匀的物理性质。即从宏观看其非常的小（无限小），从微观看其充分的大，可以忽略

6、个别分子的影响。 例如：标准状态下，1立方毫米气体中有2.71016个分子，1立方毫米水中有31021个分子。 但是，在髙真空的容器中，温度293K，压力103毫米水银柱时，气体分子间距约4.5毫米，这时的稀薄气体就不能按连续介质看待了。,1.1.2 流体的属性,1.1.2.1 流体的密度：单位体积内流体具有的质量。以 表示，单位： ； 对于均匀流体： 对于非均匀流体： 点的密度： 式中： 流体的质量， ： 流体的体积， ； 平均密度， ； 对于多组分的流体，如果没有体积效应，则多组份流体的密度为： ；（ ） 式中： 为组分i 的密度，kg/m3； 为组分 i流体在混合流体中的体积份数； 比重

7、：流体在某一温度下的比重为液体在该温度下的密度与4的纯水密度的比值；,1.1.2.2 流体的重度 （1）定义：流体的重度：单位体积流体的重量； 以 表示，单位 。 点重度 式中： 重力加速度，9.81； 流体的重力；N。 （2）流体密度与重度的关系：,平均重度,1.1.2.3 流体的流动性,定义：流体在微小的剪切应力作用下，发生连续不断变形的特性称为流体的流动性。 从力学分析的角度来看，流体与固体的主要差别在于他们对于外力的抵抗能力不同。固体能抵抗一定大小的拉力、压力和剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形，只要作用的外力保持不变，固体的变形也就不会变化。而流体则不然，流体

8、不能承受拉力，而且任何微小剪切力的作用都将使流体产生连续不断的变形，只要这种作用力继续存在，流体就将继续变形，这就是流体的流动。只有当外力停止作用时，流体的变形才会停止。 流体的流动性使得流体便于远距离的管道输送和利用容器储存。,1.1.2.4 流体的压缩性和膨胀性,(1) 流体的压缩性与热胀性 定义：流体的压缩性：指流体受到压力作用时，其体积发生收缩的现象； 通常压缩系数 表示。,流体的热胀性：指流体温度升高时，其体积发生膨胀的现象； 通常膨胀系数 表示。,(2) 气体的的压缩性和热膨胀性 1）理想气体 指气体分子没有体积，分子间没有相互作用力。 2）理想气体状态方程 式中： M气体的分子量

9、，kg； R热力学常数，8314 J/(kmolK) ；其中：对于空气 R/M 287 J/(kgK ) ； 对1mol气体，在标准状态下，即pp0l0l325Pa，T=T0=273.15K时，任何气体的体积都是V022.4m3/kmol。,等温过程 或 ； 对于空气：标态 ；有 ； 等压过程 或 ； 对于空气有： ； 由此可以看出：气体的体积随压力和温度有明显的变化。气体是易于被压缩的流体；一般称气体为可压缩流体。特别是在流速较高、压强变化较大的场合，体积变化是不容忽视的。必须把其密度作为变化的量，但在流动过程中流速不高、压强变化较小的场合，却可忽略压缩性的影响，而把气体当作不可压缩流体处理

10、。 综合方程式 对于一定质量的流体有：；,1.1.2.5 流体的粘性,(1)定义：流体运动时，其内部质点（流体层）沿接触面相对运动，产生内摩擦力以抵抗剪切变形的性质就是流体的粘性。 (2)牛顿内粘性试验 牛顿在1686年最早针对最简单的剪切运动做了一个著名的实验，并且建立了切向压力与剪切变形速度之间的关系。 假定垂直距离为h的两平行板间有一种流体，如图所示。上板不动，下板在t0时，以速度u开始运动。 t=0，下板开始运动t小时，不稳定流中的速度分布t大时，稳定流中最终速度分布,x,y,u,u,u,h,试验表明，贴近平板的流体，其速度与平板本身的运动速度相同。因此，贴近下板的流体以速度u流动，而

11、上板附近的流体速度为零。随着时间的推移，流体获得动量，经过足够长的时间后达到稳定状态，其速度是由上板处的零均匀的变化到下板处的速度u。这就是说，平板之间的各流层都将会有相对运动，因而必定产生切向阻力。若要维持这种运动，必须在下板上施加一个作用力。 在大量实验基础上得出：运动流体中的摩擦阻力 1）与流体种类有关； 2）与流体层间相对运动的 速度梯度成正比； 3）与摩擦力的作用面面积大小成正比； 4）与作用面上流体的压力无关。,在稳定状态下，对于面积为A的平板和层流，有如下关系式： 式中：剪应力，； 速度梯度, ； 比例系数，称为粘度系数，； 剪切力，； 面积， 。,著名的牛顿粘性定律。由上式可见

12、，流场中速度分布不均匀时会产生动量传递，动量传递的方向是速度梯度的负方向，即动量从高速区传向低速区。速度梯度可以看作是动量传递的“推动力”。,(3)粘性产生的机理 1) 流体分子间的内聚力（引力）； 2) 流体分子等微观粒子的热运动（动量交换）。 (4)影响粘性的因素 1) 压力的影响 压力对于液体的粘性有少许影响，一般可以忽略，但在液压传动时（200大气压），其影响就不能忽略。 压力对入气体的粘性影响也很小，一般认为气体粘性与压力无关。 2) 温度的影响 对于液体，当温度升高时，粘度下降。 对于气体，当温度升高时，粘度增加。,（6）粘度的测定 1）粘度与温度的关系,式中 t- - 实际温度下

13、流体的粘度，Pas； 0 - 0时流体的粘度， Pas； T - 热力学温度，K； C - 实验常数。 2）实验测定,（5） 运动粘度 流体的粘度系数与密度的比值称为运动粘度。,(8)牛顿流体与非牛顿流体 图稳定流流体的剪应力应变率关系曲线 凡服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。,理想流体,弹性体,胀流型流体,牛顿流体,拟塑性流体,宾厄姆流体,(7)理想流体 将粘度假设为零的流体，称为理想流体。,例题,设有粘性系数0.05Pa.s的流体，沿壁面流动，速度分布为抛物线，在y60mm，uxmax=1.08m/s，如图所示。求y=20mm、40mm、60mm处的切应力。,ux,y,0,ux,y,u

14、xmsx,A,解：根据已知边界条件，即 y=0处 ux=0 y=60 mm 处 umax=1.08 m/s 由此得出抛物线方程为 ux=1.08-300(0.06-y)2 dux/dy=600(0.06-y) dux/dy0.05600(0.06-y) 将y=0, 0.02, 0.04, 0.06分别代入以上三式中，可得 y(m) 0 0.02 0.04 0.06 ux (m/s) 0 0.6 0.96 1.08 dux/dy（1/s） 36 21 12 0 (Pa) 1.8 1.2 0.6 0,1.1.3 体系及控制容积,体系：就是一些具有特性固定不变的物质的集合。 用分析方法来描述流体的运

15、动，是以三个基本定律即质量、能量和动量守恒为基础的。这三个定律都是对于某一体系而言的。所给出的是体系和它周围环境之间的相互作用，应用这些定律时都必须严格按照选择的体系进行分析。 控制容积：就是流体在空间中通过其流动的一个区域。 控制容积可以是有限的，也可以是微元的。 在流体流动过程中，流体随时都在变化，因此不同的时间占据的体系是不一样的。用控制容积分析比较方便，包括微分方程式的建立。,1.1.4 作用在流体上的力,1.1.4.1 作用在流体上的力 在流场中任取一空间体积，以A表示此体积的边界面，以V表示其体积，如图所示。作用在此体积上的外力不外乎有两类，周围流体对边界面作用的接触力以及质量力场

16、对此体积中的流体质量所作用的力，前者称作表面力或面积力，后者称作质量力或体积力。,(1) 质量力：作用在流体的中心，与质量成正比。质量力作用在流体的每一个质点上，其大小与流体的质量成正比。对于均质流体，质量力的大小与受作用的流体的体积成正比，所以又称为体积力。 工程上常遇到的质量力是重力和惯性力，其中，惯性力又分为直线惯性力和离心惯性力。 对于某些冶金过程，当熔融金属和离子导电的熔渣在强大磁场作用下流动时，电磁力也是一个附加的质量力。 1）重力：流体受地心引力的作用： ； 2）直线惯心力：流体在盛装的容器中作加速度为的运动时，所受到的直线惯心力：； 3）离心惯性力：流体在盛装的容器中绕中心轴Z

17、作等角速度旋转时，流体受到离心惯心力为： 那么，流体所受的总的质量力为： 在直角坐标系中：,若以X，Y，Z分别表示合成加速度在x，y，z轴上的分量，则 X，Y，Z分别为单位质量力f在各坐标轴上的分量。 则作用在V体积上的质量力为 Ff V 于是整个体积的质量力为 或 通常情况下：f 为 x，y，z，t 的已知函数。即 f f（x，y，z，t）,(2）表面力：作用在流体表面上的力，并与表面积成正比。 表面力可分解为法向力（压应力）和切向力（粘性力）两种。 1）法向力（压应力，静压力）： 2）剪切力：,（3）表面张力,1.1.4.2 微元六面体受力分析,下图为正方体的流体微团。图中表示出了作用在流

18、体微团上的9个应力分量。其中双下标的含义是：第一个下标表示应力作用面的法线方向，第二个坐标表示应力的方向。 其中：xx，yy，zz表示法应力，而xy，xz，yx，yz，zx，zy表示切应力。并且有：xyyx，yzzy，zxxz；,作业,1、储气罐内有100m3的煤气，温度为293K，压强为106400Pa，现将它压缩装罐，装罐的压力为1013250Pa，温度为313K，若每罐的容积为0.1m3，问可以装几罐？ 2、氧气瓶的容积为20升，原有绝对压力为100工程大气压，温度为15。在放出部分氧气后，压力下降为76工程大气压，温度降为10 ，问放出的氧气重量为多少？,1.2 流体静力学,流体静力学

19、研究的是流体在外力作用下的平衡规律以及在工程中的应用。 1.2.1 流体静压强 （1）定义：处在流体中的任何一点都受到其它流体对它的作用力，这个作用力就是流体的静压力，又称流体的静压强。 假设某流体在外力的作用下处于平衡状态，如图所示。某一平面AB将它分割为，两部分，这两部分互相接触的流体在接触面AB上有相互作用的力，如果取下部分为分离体，则必须在AB面上加上上部流体对其的作用力才能保持平衡。,若要研究作用在小面积 上的压强，作用在 上的压力假设为 ，则作用在小面积 上的平均流体静压强为 。当面积无限缩小到m点时，这个比例极限就代表m点的流体静压强，以P表示这个极限，则有： P称为m点处的流体

20、静压强，简称为压强。国际单位：Pa，1Pa1N/m2。,（2）流体静压力（强）的两个特性 1）平衡流体中的静压力（静压强）必须指向作用面的内法线方向。 2）平衡流体中某一点的静压强的数值与作用面的空间方位无关，即平衡流体中某一点向各个方向的静压力（静压强）均相等。 证明：在相对静止的流体中A处取一微四面体，其中三条棱长为dx，dy，dz；四个面的面积为Fx，Fy，Fz，Fn；将此微四面体与周围的流体隔离，分别用垂直于这些面上的压力Px，Py，Pz，Pn代替周围流体的压力作用。,则：PxpxFx；PypyFy； PzpzFz；PnpnFn； 式中：px，py，pz，pn分别为微元四面体四个表面的

21、平均流体静压强 ； 此微元四面体除受到上述表面力作用之外，还受到质量力的作用，但是当微元四面体的尺寸无限小时，质量力很小，可以忽略不记。 由于微元四面体的流体处于平衡状态，根据平衡条件有： 式中的cos(n,x)，cos(n,y)，cos(n,z)分别为微元四面体斜面Fn的发线与x，y，z轴的方向余弦。,结论：在相对静止的流体中，沿任一方向作用于某一固定的静压强均有相同的数值。虽然某一点上流体的静压强的大小与其作用的方向无关，但是在不同点上流体静压强的大小可以不等，所以流体静压强是空间坐标的单值函数。 即： p f (x,y,z),1.2.2 流体静力学平衡微分方程及等压面,1.2.2.1 平

22、衡微分方程 在平衡流体中选取的微元六面体，中心点A的压强为p，流体的密度为。由于流体处于平衡状态，所以流体的合外力或 在 x 轴方向上进行受力分析： 经六面体中心点A作垂直于yoz平面的直线与六面体的两个面abcd与efgh相交于m，n两点。 (1) 表面力： m点的表面力： n点的表面力： 则 X 方向的表面力 ： = - =,(2) 质量力：X表示单位质量力在x轴上的投影，则作用在微元六面体上的质量力在x轴方向的分力为： (3) x方向的合外力： + 0 则有： 或 同理可得y、z轴方向的合外力为：,上式称为流体静力学的平衡微分方程。物理意义：当流体处于平衡状态时，作用在流体上的质量力与压

23、力相平衡，它们沿三个坐标轴方向的投影之和分别为零。,将上面的三式分别乘以,，并相加得：,假设存在这样一个函数,，满足：,那么：,或,此时，称为势函数；有势函数存在的力场称为有势力场，简称为有势场。具有势函数的质量力称为有势的力。 结论：流体只有在有势的质量力作用下才能保持平衡。有势的力一般包括：重力，直线惯性力，离心惯性力。,1.2.2.2 等压面,（1）等压面的定义：平衡流体中由压强相等的点组成的平面或曲面称为等压面。 （2）等压面微分方程,由,即,在等压面上，pc；因而 dp0；所以,又因为,，则只有：,上式即为等压面的微分方程。,（3）等压面的重要性质 作用在平衡流体中任一点的质量力必然

24、垂直于通过该点的等压面。 证明：假设在点A(x，y，z)处的流体质点，沿等压面移至点A(x+dx，y+dy，z+dz)处，则流体质点移动时质量力所做的功为：,由等压面微分方程：,这说明当流体微团沿等压面移动时，质量力所作的功等于零。由于质量力及其在等压面上移动的距离都不为零，而它们的乘积（功）等于零，说明力垂直于距离，即质量力垂直于等压面。,（4）等压面的应用 1）它是液柱式压力计测压原理的重要基础。 2）根据等压面的性质，可以在已知质量力方向的情况下确定等压面的形状，或已知等压面的形状去确定质量力的方向。 例如：当流体的质量力仅为重力时，其单位质量力的分量为：,由于：,有：,即：z=c 这表

25、明在重力的作用下静止液体的等压面是水平面。因此，水平面是等压面。,1.2.3 流体静力学基本方程,流体静压强平衡微分方程是一普遍规律，它在任何质量力的作用下都是适用的。 工程上最常见的情况是质量力只有重力时的情况，流体静力学基本方程研究的是质量力只有重力时静止流体中压强的分布规律。,1.2.3.1 单流体静力学方程,只有重力作用：,或,或,那么，对于不同的两点1和2则有：,式中：,为单位体积流体所具有的静压能， ；,为单位体积流体所具有的位压能， 。,h,由流体平衡微分方程,0,z2,即,z1,z,0,得,则,由只有重力作用均质静止流体的静力学基本方程可得如下结论和推论： （1）流体任何一点静

26、压强是由那点以上某点的静压强和两点所在水平面的垂直距离与流体重度的乘积两部分组成。 （2）流体内部的静压强随深度呈线性增加，线变化率为。 推论:静压强的大小与盛装流体容器的形状无关。 （3）流体中深度相同的各点流体静压强相等且为等压面。 推论：等压面必是水平面。,将方程可以写成,1.2.3.2 单流体静力学基本方程的结论和推论,（4）当自由液面上的压强增加或减少时，流体内部各点的压强也相应的增加或减少。 由此可见：（推论）静止不可压缩流体内部任一边界面上压强的变化将等值的传到其它各点（只要静止不被破坏），这就是水静压强等值传递的帕斯卡定律。 （5）由可见：流体中某点的静压强，当其位置确定后，它

27、将是一个定值，它与坐标（基准面）的选取无关，而对于表示流体位能大小的z则随基准面选取的不同而变化，在基准面上（z=0处），位压等于零，静压等于常数C。,1.2.4大气压强、绝对压强、相对压强(表压强)及真空度,1.2.4.1定义 (1) 大气压强：自由空气具有的压强； (2) 绝对压强(绝压)：以绝对真空为零点而计量的压强称为绝对压强。 (3) 相对压强：以大气压为零点而计量的压强。 表压强：用压力表测得的相对于设备外同高度环境大气为基准测得的压强。 (4) 真空度：当设备内的压强低于大气压时，将低于大气压的部分称为真空度。,1.2.4.2 大气压强、绝对压强、相对压强(表压强)及真空度之间的

28、关系,(1) (2) (3) (4),当,零压面：相对压强为零的压强面。,P大,P,绝对真空,A,B,p绝A,1.2.4.3 压强的度量,压强的度量(通常有三种单位) 应力单位：用单位面积承受的力表示： (2) 大气压单位：工程上常用大气压表示； (3)液体高度单位：即以水柱高度或水银柱的高度表示：,1.2.4.4 压强的测量,液柱式压力计 单管测压计 (2) u型管测压计 由于B点与C点在同一等压面上，所以：,1,1,2,h,1.2.5 双流体静力学基本方程,研究的对象是：对于敞开热工设备内外存在两种不同温度的气体，工程上使用相对压强更为方便。 因为热工设备内部充满温度较高的热气体，周围为冷空气，两者互相连通，冷空气对热气体产生浮升力，此时必须考虑设备内外气体的相对静压强分布。,如图所示，一开口倒置的容器，取任意两个平面1-1和2-2，基准面为0-0面，分别列出容器内部热空气和外部环境空气在两截面的单流体基本方程：,(1),由(1)(2)得：,(3),1.2.5.1 双流体静力学基本方程导出,(2),(4)式为两气体静力学基本方程式。 式中：表示i截面内单位体积气体所具有的相对静压能；即i截面内外单位体积气体所具有的静压强之差，也称窑炉i截面上气体的静压头。 表示i截面内外单位体积气体所具有的位能之差，也称为相对位能或几何压头或位压头。,由于热空气的