材料傳輸原理復(fù)習(xí)總結(jié).ppt

內(nèi)容回顧 第二章流體的性質(zhì) 第三章流體動(dòng)力學(xué) 第五章邊界層理論 第六章材料加工中的特殊流體動(dòng)的流動(dòng) 第七章相似理論及量綱分析 第八 九章熱量傳輸?shù)幕靖拍?導(dǎo)熱 第十章對(duì)流換熱 第十一章輻射換熱 第一章緒論 第四章層流流動(dòng)與湍流 流體靜力學(xué) 質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?菲克定律 傅立葉導(dǎo)熱定律 牛頓粘性定律 一 三種傳輸?shù)幕疽?guī)律 第一章緒論 第一章緒論 1 數(shù)學(xué)表達(dá)式相似 2 擴(kuò)散系數(shù)具有相同的因次 單位均為 m2 s 3 擴(kuò)散通量為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與傳遞方向相垂直的單位面積上的動(dòng)量 熱量和質(zhì)量 通量的傳遞方向均與該量的濃度梯度的方向相反 因此 通量的表達(dá)式中都有一個(gè) 二 三種傳輸現(xiàn)象的類似性 第二章流體的性質(zhì) 一 基本概念 知識(shí) 流體 Fluid 自然界中能流動(dòng)的物質(zhì) 統(tǒng)稱為流體 連續(xù)介質(zhì) Continuousmedium 模型將流體看成是由無(wú)限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的 密集而無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì) 流體質(zhì)點(diǎn)是組成流體的最小單位 質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有空隙 壓縮性 當(dāng)作用在流體上的壓力增加時(shí) 流體所占有的體積將縮小 這種特性稱為流體的壓縮性 通常用等溫壓縮率 T來(lái)表示 膨脹性 當(dāng)溫度變化時(shí) 流體的體積也隨之變化 溫度升高 體積增大 這種現(xiàn)象稱為流體的膨脹性 用膨脹 V系數(shù)來(lái)表示 第二章流體的性質(zhì) 粘度 粘滯性 動(dòng)力粘度 絕對(duì)粘度 物理意義為速度梯度為1個(gè)單位時(shí) 單位面積上內(nèi)摩擦力 單位為Pa s 根據(jù)牛頓粘性定律 以切應(yīng)力對(duì)速度梯度作圖 若得到一條通過(guò)原點(diǎn)的直線 具有這種特性的流體稱為牛頓流體 不具有上述特點(diǎn)的流體則統(tǒng)稱為非牛頓流體 牛頓流體 非牛頓流體 第二章流體的性質(zhì) 流體靜力學(xué) 歐拉靜平衡方程 作用在靜止流體上的力 質(zhì)量力 表面力 流體靜壓強(qiáng)特性 1 垂直受壓面并沿著受壓面的內(nèi)法線方向 2 大小由位置的坐標(biāo)決定 與作用方向無(wú)關(guān) 流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué) 絕對(duì)壓強(qiáng) 相對(duì)壓強(qiáng)的概念與計(jì)算 靜止流體的壓強(qiáng)分布 等壓面 流體靜力學(xué) 一 基本概念 4 有效斷面 過(guò)水?dāng)嗝?即水道 管道 明渠等 中垂直于水流流動(dòng)方向的橫斷面 即與流束或總流的流線成正交的橫斷面 第三章流體動(dòng)力學(xué) 1 跡線 流場(chǎng)中流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線 2 流線 某一瞬時(shí) 流場(chǎng)中連續(xù)的不同位置質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)方向線 是流場(chǎng)中某一瞬時(shí)的一條空間曲線 在該線上各點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)所具有的速度方向與曲線在該點(diǎn)的切線方向重合 3 流束 充滿在流管中的液流稱為流束 流束的極限是一條流線 無(wú)數(shù)流束就構(gòu)成總流 6 緩 漸 變流 水流的流線幾乎是平行直線的流動(dòng) 或者雖有彎曲但曲率半徑又很大的流體流動(dòng) 則可視為漸變流 漸變流的極限是均勻流 漸變流同一過(guò)水?dāng)嗝嫔系膭?dòng)水壓強(qiáng)分布規(guī)律同靜水壓強(qiáng) 即z1 p1 常數(shù) 第三章流體動(dòng)力學(xué) 5 平均流速 由通過(guò)過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁縌除以過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣eA而得的流速稱為斷面平均流速 7 動(dòng)能 動(dòng)量 修正系數(shù) 指按實(shí)際流速分布計(jì)算的動(dòng)能 動(dòng)量 與按斷面平均流速計(jì)算的動(dòng)能 動(dòng)量 的比值 它們的值均大于1 0 且取決于總流過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉俜植?分布越均勻 其值越小 越接近于1 0 一般工程計(jì)算中常取1 0 第三章流體動(dòng)力學(xué) 二 基本的公式 方程 流體運(yùn)動(dòng)的速度 加速度 當(dāng)?shù)丶铀俣?遷移加速度 二 基本的公式 方程 連續(xù)性方程與恒定總流連續(xù)性方程 不可壓縮流體無(wú)分支 無(wú)匯集流動(dòng)時(shí) 1A1 2A2 即Q1 Q2 即任意斷面間斷面平均流速的大小與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e成反比 不可壓縮流體 第三章流體動(dòng)力學(xué) 恒定總流能量方程 伯努利方程 第三章流體動(dòng)力學(xué) 伯努利方程的幾何意義和物理意義 水頭線1 各斷面的總水頭連線稱為總水頭線或總能線 2 對(duì)于理想流動(dòng)流體的總水頭線為水平線 3 對(duì)于實(shí)際流動(dòng)流體的總水頭線恒為下降曲線或直線 其下降值等于兩斷面的水頭損失hw hf 4 各斷面的測(cè)壓管水頭連線稱為測(cè)壓管水頭線 測(cè)壓管水頭線與總水頭線的間距是流速水頭 若是均勻流 則總水頭線平行于測(cè)壓管水頭線 應(yīng)用能量方程時(shí)的注意事項(xiàng) 1 沿流動(dòng)方向在漸變流處取過(guò)水?dāng)嗝媪心芰糠匠?2 基準(zhǔn)面原則上可任取 但應(yīng)盡量使各斷面的位置水頭為正 3 在同一問(wèn)題上必須采用相同的壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn) 一般均采用相對(duì)壓強(qiáng) 而當(dāng)某斷面有可能出現(xiàn)真空時(shí) 盡量采用絕對(duì)壓強(qiáng) 4 由于z p 常數(shù) 所以計(jì)算點(diǎn)在斷面上可任取 但對(duì)于管道流動(dòng)常取斷面中心點(diǎn) 對(duì)于明渠流動(dòng)計(jì)算點(diǎn)常取在自由液面上 5 應(yīng)選取已知量盡量多的斷面 其中一個(gè)斷面應(yīng)包括待求的未知量 如大水池表面v1 0 相對(duì)壓強(qiáng)p 0 管道出口斷面相對(duì)壓強(qiáng)p 0等 第三章流體動(dòng)力學(xué) 第四章層流流動(dòng)與湍流運(yùn)動(dòng) Rec取決于邊界形狀 過(guò)水?dāng)嗝嫘螤?以及特征尺寸的選用 對(duì)圓管內(nèi)流Rec 2320 2300 非圓管Rec 500 明渠Rec 300 時(shí)均化處理紊流 瞬時(shí)流速 時(shí)均流速 脈動(dòng)流速 1 流體流動(dòng)的兩種形態(tài) 層流和紊流 的特點(diǎn) 運(yùn)動(dòng)是否有序 流體微團(tuán)是否有摻混 2 層流 紊流的判別標(biāo)準(zhǔn) 下臨界雷諾數(shù)Rec 3 紊流特點(diǎn) 無(wú)序性 耗能性 擴(kuò)散性 第四章層流流動(dòng)與湍流運(yùn)動(dòng) 4 不可壓縮恒定均勻圓管層流 圓管內(nèi)層流流速呈旋轉(zhuǎn)拋物面分布 圓管層流的水頭損失 即水頭損失與流速的一次方成正比 沿程阻力系數(shù) 64 Re 如果流量為Q 其沿程損失的功率為 圓管內(nèi)層流的最大流速是平均流速為的2倍 6 紊流沿程阻力系數(shù) 的求解 a 尼古拉茲曲線 根據(jù) 與 Re的關(guān)系 將整個(gè)流區(qū)分為5個(gè)區(qū) 層流 層流向紊流過(guò)渡區(qū) 水力光滑區(qū) 水力光滑區(qū)向水力粗糙區(qū)的過(guò)渡區(qū) 水力粗糙區(qū) 查圖或利用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)公式 首先計(jì)算雷諾數(shù)判斷流動(dòng)狀態(tài) 注意流道的形狀 b 湍流區(qū)通用的經(jīng)驗(yàn)公式 第四章層流流動(dòng)與湍流運(yùn)動(dòng) 5 紊流切應(yīng)力 7 非圓形管內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題 此時(shí) 引入當(dāng)量直徑de的概念 而且de 4R水力 沿程損失的計(jì)算 只需將圓管表達(dá)式中的d用de取代即可 非圓形截面的特征長(zhǎng)度則是水力半徑R水力 第四章層流流動(dòng)與湍流運(yùn)動(dòng) 8 求解具體問(wèn)題時(shí)注意 根據(jù)對(duì)具體情況的分析 往往需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化 結(jié)合伯努利方程 有時(shí)需要結(jié)合連續(xù)性方程 靜力學(xué)基本方程 第四章層流流動(dòng)與湍流運(yùn)動(dòng) e 邊界層外可按理想流體對(duì)待 邊界層內(nèi) 1 邊界層的概念與特點(diǎn) a 邊界層厚度為一有限值 c 邊界層厚度沿程增加 d 邊界層分層流邊界層和紊流邊界層 b 邊界層內(nèi)速度梯度較大 第五章邊界層理論 第五章邊界層理論 邊界層厚度 速度分布為一無(wú)窮級(jí)數(shù)形式 不作為計(jì)算時(shí)使用 2 流體掠過(guò)平板 層流時(shí)的邊界層微分方程 層流時(shí)邊界層積分方程 簡(jiǎn)化后 邊界層厚度 邊界層內(nèi)速度分布關(guān)系 第五章邊界層理論 第五章邊界層理論 由微分方程 由積分方程 不可壓縮層流 平板繞流摩擦阻力S及摩擦阻力系數(shù)Cf 湍流 平板繞流邊界層厚度 摩擦阻力S 及摩擦阻力系數(shù)Cf 第五章邊界層理論 2 幾個(gè)相似準(zhǔn)數(shù) Re Fr Eu a 粘滯力起主要作用時(shí) b 重力起主要作用時(shí) c 壓力起主要作用時(shí) 1 幾何相似 原形和模型兩個(gè)流場(chǎng)的幾何形狀相似 2 運(yùn)動(dòng)相似 原形和模型兩個(gè)流場(chǎng)的速度場(chǎng)相似 3 動(dòng)力相似 原形和模型兩個(gè)流場(chǎng)中各相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)所受的力同名 方向相同 大小成一固定比例 4 初始條件和邊界條件相似 第七章相似理論與量綱分析 1 兩液流流動(dòng)相似必須滿足 由簡(jiǎn)單的物理方程通過(guò)相似變換導(dǎo)出某些準(zhǔn)數(shù) 第七章相似理論與量綱分析 4 量綱和諧原理 凡是正確反映客觀物理現(xiàn)象 過(guò)程 的方程 其量綱都必須是一致的 即只有物理方程兩邊量綱相同時(shí) 物理方程才能成立 3 基本量綱 具有獨(dú)立性的 不能由其他量綱推導(dǎo)出來(lái)的量綱 一般取 L M T 導(dǎo)出量綱 由基本量綱導(dǎo)出的量綱 基本知識(shí)和概念 導(dǎo)熱物體各部分之間無(wú)相對(duì)位移 通過(guò)物體內(nèi)部的分子 原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的一種方式 稱為熱傳導(dǎo) 簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱 對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)與其溫度不同的固體壁面時(shí)發(fā)生的熱量傳輸現(xiàn)象 對(duì)流換熱發(fā)生時(shí) 必然伴隨著導(dǎo)熱 而且導(dǎo)熱是制約環(huán)節(jié) 溫度場(chǎng)是指所研究對(duì)象的溫度分布 通常溫度的分布是空間 時(shí)間的函數(shù) 即物體的溫度可以表示為T f x y z t 輻射換熱物體發(fā)出輻射與接受輻射對(duì)比的結(jié)果 熱量傳輸概述 導(dǎo)熱 等溫面 線 某一時(shí)刻 物體中各處溫度相同的各點(diǎn)組成的面稱為等溫面 等溫面與任意一個(gè)二維截面的交線稱為等溫線 習(xí)慣上以等溫面或等溫線來(lái)表示溫度場(chǎng) 熱量傳輸概述 導(dǎo)熱 熱擴(kuò)散率 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率是表征物體導(dǎo)熱能力的物性參數(shù) 在數(shù)值上等于溫度梯度為1個(gè)單位時(shí) 物體內(nèi)具有的熱流密度 溫度梯度溫度場(chǎng)中 任意一點(diǎn)沿等溫面法線方向單位距離的溫度變化率稱為該點(diǎn)的溫度梯度 是一矢量 是材料自身的熱物性 蓄熱系數(shù) 惰性時(shí)間非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí) 物體內(nèi)某處未受表面升溫影響 波及 的時(shí)間 熱阻可以簡(jiǎn)單地視作熱量傳輸過(guò)程中的阻力 不同的傳熱方式有不同的表示方式 而且與物體表面狀態(tài) 結(jié)構(gòu)有關(guān) 導(dǎo)熱 基本公式 導(dǎo)熱 導(dǎo)熱 熱量傳輸概述 導(dǎo)熱 第十章對(duì)流換熱 牛頓冷卻公式 對(duì)流換熱計(jì)算表達(dá)式 熱流密度 q TW Tf 熱流量 Q A TW Tf 影響對(duì)流換熱的因素 固體物的放置方式 水平 鉛垂 熱面朝上 熱面朝下等 流動(dòng)的起因 強(qiáng)制對(duì)流 自然對(duì)流 流動(dòng)的性質(zhì) 層流 湍流 流體的物性 密度 粘度 熱導(dǎo)率等 表面幾何特征及流體流動(dòng)的空間 外部掠過(guò) 內(nèi)部流過(guò) 換熱微分方程式 對(duì)流換熱時(shí) 流體與固體表面之間的對(duì)流換熱量都必須通過(guò)緊貼壁面的速度為零的流體層 穿過(guò)此層流體的熱量幾乎完全依靠導(dǎo)熱 將傅立葉導(dǎo)熱微分方程應(yīng)用于該貼壁層 并聯(lián)立牛頓冷卻公式 可以得到局部換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 為 第十章對(duì)流換熱 對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù)方程式 1 對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù) 關(guān)鍵 第十章對(duì)流換熱 Gr 格拉曉夫數(shù) 自然對(duì)流時(shí)采用的準(zhǔn)數(shù) 反映自然對(duì)流換熱過(guò)程中浮升 沉降 力 慣性力與粘性力的相對(duì)大小 普朗特?cái)?shù) 反映流體動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱量擴(kuò)散能力的相對(duì)大小 努塞爾數(shù) 表征對(duì)流換熱的相對(duì)強(qiáng)弱 可視為導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流熱阻的比值 雷諾數(shù) 表征強(qiáng)制對(duì)流時(shí) 慣性力和粘性力的相對(duì)大小 2 對(duì)流換熱準(zhǔn)數(shù)方程式 對(duì)穩(wěn)定對(duì)流傳熱一般表示成 Nu f Re Pr Gr 第十章對(duì)流換熱 定性溫度 外部掠過(guò) 內(nèi)部流過(guò)不同 特征尺寸 與物體的幾何特征與放置形式有關(guān) 自然對(duì)流換熱問(wèn)題 自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)數(shù)方程式一般為 要查表10 2確定自然對(duì)流換熱中的C及n值 計(jì)算出Nu的值 必要時(shí)進(jìn)行修正 或由表10 3給出的簡(jiǎn)化公式確定Nu的值 第十章對(duì)流換熱 對(duì)流換熱系數(shù)的求解 步驟 方法 分析流體在空間上的流動(dòng)方式 原因 確定定性溫度 定性尺度 由定性溫度查找有關(guān)物理參數(shù) 計(jì)算Re或GrPr 判斷流動(dòng)的狀態(tài) 確定系數(shù) 指數(shù) 根據(jù)相應(yīng)的表達(dá)式求出Nu 結(jié)合Nu的表達(dá)式求出相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù) 必要時(shí)進(jìn)行一定的修正 1 熱輻射的基本概念 1 熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射 2 輻射換熱 物體之間相互輻射和吸收輻射能的總效果 3 物體表面的吸收 反射和穿透吸收率 反射率 透射率 黑體 1固體 液體對(duì)熱輻射不能穿透 0 1 第十一章輻射換熱 第十一章輻射換熱 2 熱輻射的基本定律 1 斯蒂芬 波爾茲曼定律 四次方定律 輻射力 單位時(shí)間內(nèi) 單位表面積物體表面向其上半球空間所有方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總輻射能 斯蒂芬 波爾茲曼定律 四次方定律 黑體輻射力Eb與其熱力學(xué)溫度T的四次方成正比 即 發(fā)射率 物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發(fā)射率或黑度 以 表示 即 第十一章輻射換熱 基爾霍夫定律 任何物體的輻射力與它對(duì)來(lái)自同一溫度黑體輻射的吸收率的比值 恒等于同溫度下的黑體的輻射力 即 推論 1 溫度相同時(shí) 黑體的輻射力最大 2 輻射力大的物體 其吸收率也大 善于輻射的物體必然善于吸收 灰體 單色吸收率 為常數(shù)的物體 實(shí)際物體的 對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射有選擇性 灰體的性質(zhì) 第十一章輻射換熱 兩個(gè)黑體表面間的輻射換熱量為 式中 A1為黑體表面積 X12為表面1對(duì)表面2的角系數(shù) 1 A1X12 稱為輻射空間熱阻 簡(jiǎn)稱空間熱阻 3 黑體間的輻射換熱 第十一章輻射換熱 角系數(shù) 角系數(shù)的性質(zhì) 1 相對(duì)性 2 完整性 3 可分 加 性 表面1發(fā)射的輻射能落到表面2上的量與表面1發(fā)射的輻射能的比值 稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X12 從表面1發(fā)出而落到表面2 2a 2b 上的總輻射能等于落到表面2上各組成部分的輻射能之和 于是有 角系數(shù)的性質(zhì) 角系數(shù)的性質(zhì) 從表面2發(fā)出落到表面1上的總輻射能 等于從表面2的各個(gè)組成部分發(fā)出而落到表面1上的輻射能之和 即 第十一章輻射換熱 灰體表面間的輻射換熱 1 有效輻射單位時(shí)間內(nèi)離開單位面積的總輻射能稱為該表面的有效輻射 計(jì)為J 2 投入輻射單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能稱為該表面的投入輻射 計(jì)為G 第十一章輻射換熱 3 表面熱阻 表面1以輻射方式損失的凈熱量為 第十一章輻射換熱 4 兩灰體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱