冶金傳輸原理 課件

1、2022-4-101教材及參考書目：教材及參考書目：1、冶金傳輸原理，、冶金傳輸原理， 張先棹主編張先棹主編 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 19952、冶金傳輸原理基礎(chǔ)，、冶金傳輸原理基礎(chǔ)， 沈頤身沈頤身 李保衛(wèi)李保衛(wèi) 吳懋林吳懋林 著著 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社 20003、傳遞現(xiàn)象，、傳遞現(xiàn)象， R. B. 博德博德 等著，等著， 戴干策等譯戴干策等譯 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 20044、（工程）流體力學(xué)，、（工程）流體力學(xué)， 多種版本多種版本5、傳熱學(xué)，周筠清編，冶金工業(yè)出版社、傳熱學(xué)，周筠清編，冶金工業(yè)出版社6、傳熱學(xué)，楊世銘、傳熱學(xué)，楊世銘 （及其他多種版本）等。（及其他多

2、種版本）等。2022-4-102 冶金傳輸原理導(dǎo)論冶金傳輸原理導(dǎo)論 （所有老師用統(tǒng)一課件（所有老師用統(tǒng)一課件PPT)PPT)1、什么是傳輸現(xiàn)象？、什么是傳輸現(xiàn)象？ （橫向?qū)W科及其作用）（橫向?qū)W科及其作用） 本課程的歷史與地位：基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課（主干本課程的歷史與地位：基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課（主干課）、專業(yè)課課）、專業(yè)課2、為什么研究傳輸現(xiàn)象？、為什么研究傳輸現(xiàn)象？ 提高化學(xué)反應(yīng)速度和過程效率。提高化學(xué)反應(yīng)速度和過程效率。 科學(xué)研究不斷深入的需要?？茖W(xué)研究不斷深入的需要。 問題：問題：*如何攪拌高溫鋼水？（加料均勻分布和溫度均勻）如何攪拌高溫鋼水？（加料均勻分布和溫度均勻） *轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水如何流動(dòng)？

3、動(dòng)力何來？轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水如何流動(dòng)？動(dòng)力何來？ *兩船高速并行與兩紙片間吹氣的后果？兩船高速并行與兩紙片間吹氣的后果？ *等溫室內(nèi)條件下，為何冬天和夏天人的感覺不一？等溫室內(nèi)條件下，為何冬天和夏天人的感覺不一？三傳：傳熱三傳：傳熱 傳質(zhì)傳質(zhì) 傳動(dòng)量傳動(dòng)量-物理過程物理過程 傳熱學(xué)傳熱學(xué) 傳質(zhì)學(xué)傳質(zhì)學(xué) 流體力學(xué)流體力學(xué) （無靜力學(xué)）（無靜力學(xué)） 溫度場溫度場 濃度場濃度場 速度場速度場 （設(shè)計(jì)，創(chuàng)新，改造，診斷等）（設(shè)計(jì)，創(chuàng)新，改造，診斷等）現(xiàn)象現(xiàn)象 = 三傳一反三傳一反 （物理（物理+化學(xué)過程）化學(xué)過程） 為化學(xué)反應(yīng)輸送所需。為化學(xué)反應(yīng)輸送所需。還有沒解決的問題：紊流，多相流等。還有沒解決的問題：紊

4、流，多相流等。 3、冶金工業(yè)和生活中哪些是傳輸現(xiàn)象嗎？、冶金工業(yè)和生活中哪些是傳輸現(xiàn)象嗎？2022-4-103 主要是研究和分析冶金過程主要是研究和分析冶金過程傳輸規(guī)律、機(jī)理和研究方法。主要內(nèi)容包括冶金傳輸規(guī)律、機(jī)理和研究方法。主要內(nèi)容包括冶金過程動(dòng)量的傳遞（流體流動(dòng)行為）、熱量傳遞和過程動(dòng)量的傳遞（流體流動(dòng)行為）、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三大部分。質(zhì)量傳遞三大部分。 怎么學(xué)習(xí)怎么學(xué)習(xí)“傳輸原理傳輸原理”？學(xué)什么？方法等。？學(xué)什么？方法等。 多看，多練，多想，多交流。多看，多練，多想，多交流。冶金傳輸原理課程的內(nèi)容冶金傳輸原理課程的內(nèi)容2022-4-104鋼鐵冶金生產(chǎn)流程B.F. gasConver

5、ter gasCoke oven gasIron oreLime stoneCoalHotblastOxygenBottom gasVacuumSlabProduct(Hot coil)WatercoolingTorpedo carSinteringCoke ovenBlastfurnaceConverterDegassererTundishC.C. machineHot strip millCopper mouldWater coolingWater cooling2022-4-1052022-4-106高爐生產(chǎn)設(shè)備2022-4-107轉(zhuǎn)爐爐口裝料轉(zhuǎn)爐車間2022-4-108鋼鐵工業(yè)是一個(gè)涉

6、及物理化學(xué)過程的復(fù)雜流程（高溫化學(xué)工業(yè)）。鋼鐵工業(yè)是一個(gè)涉及物理化學(xué)過程的復(fù)雜流程（高溫化學(xué)工業(yè)）。特點(diǎn)：高溫傳熱過程、多相反應(yīng)、流體流動(dòng)、物質(zhì)擴(kuò)散特點(diǎn)：高溫傳熱過程、多相反應(yīng)、流體流動(dòng)、物質(zhì)擴(kuò)散冶金過程必然會(huì)涉及到以下現(xiàn)象：冶金過程必然會(huì)涉及到以下現(xiàn)象：1) 物料的加熱過程，物料的冷卻過程物料的加熱過程，物料的冷卻過程2) 流體的流動(dòng)狀態(tài)、速度和流動(dòng)動(dòng)力流體的流動(dòng)狀態(tài)、速度和流動(dòng)動(dòng)力3) 物料擴(kuò)散、攪拌及其均勻性物料擴(kuò)散、攪拌及其均勻性動(dòng)量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸（流體力學(xué)）（傳熱） （傳質(zhì)）2022-4-109為什么把為什么把“三傳三傳”放在一起講放在一起講“三傳三傳”具有共同的物理本質(zhì)具

7、有共同的物理本質(zhì)都是物理過程。都是物理過程?！叭齻魅齻鳌本哂蓄愃频谋硎龇匠毯投?。具有類似的表述方程和定律。在實(shí)際冶金過程中往往包括有兩種或兩種在實(shí)際冶金過程中往往包括有兩種或兩種以上傳輸現(xiàn)象，它們同時(shí)存在，又相互影響。以上傳輸現(xiàn)象，它們同時(shí)存在，又相互影響。2022-4-1010 2022-4-1011冶金傳輸原理動(dòng)量傳輸部分 動(dòng)量傳輸?shù)难芯繉?duì)象是什么？流體流動(dòng)的流動(dòng)的何為何為“動(dòng)量動(dòng)量”？其與？其與“動(dòng)能動(dòng)能”有何區(qū)別？有何區(qū)別？2022-4-10122022-4-1013 流體的定義和特征流體的定義和特征 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè) 作用在流體上的力作用在流體上的力 表

8、面力表面力 質(zhì)量力質(zhì)量力 流體的密度流體的密度 流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性 流體的粘性流體的粘性1.71.7 粘性動(dòng)量通量粘性動(dòng)量通量2022-4-1014流體的定義和特征流體的定義和特征固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)具有具有流動(dòng)性流動(dòng)性的物體的物體（即能夠流動(dòng)的物體）（即能夠流動(dòng)的物體）。 流動(dòng)性流動(dòng)性：在微小在微小剪切力剪切力作用下會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的特性。作用下會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的特性。流體包括液體和氣體流體包括液體和氣體u=VMoving plateFixed plateyxu=0Fluid t0t1t22022-4-1015流體的定義和特征流體的定義和特征液體與氣體的區(qū)別液體

9、與氣體的區(qū)別 液體的流動(dòng)性小于氣體液體的流動(dòng)性小于氣體； 液體具有一定的體積，并取容器的形狀；液體具有一定的體積，并取容器的形狀； 氣體充滿任何容器，而無一定體積氣體充滿任何容器，而無一定體積。流動(dòng)性流動(dòng)性2022-4-1016流體流體連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)的假設(shè)流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子 距離大得多。距離大得多。問題的引出：問題的引出：2022-4-1017 A fluid can be mo

10、deled in one of two ways: as a collection of individual,interacting molecules (Molecular Model) or as a continuum in whichproperties are defined to be continuous throughout space (ContinuumModel). Macroscale fluid mechanics is based on continuum model. But if themolecules are sparsely distributed re

11、lative to the length scale of the flow,assuming continuity of fluid and flow properties may lead to wrong results. Consider measuring the density of a fluid for a certain sampling volume of space.Fluid Modeling2022-4-1018流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連連續(xù)介質(zhì)續(xù)介質(zhì)流體視流體視 為由無數(shù)連續(xù)分布的為由無數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體微

12、團(tuán)必須具備的兩個(gè)條件流體微團(tuán)必須具備的兩個(gè)條件必須包含足夠多的分子；必須包含足夠多的分子；體積必須很小。體積必須很小。一、流體的一、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)Number density: N2 3x1025 m-3 , H2O 2x1028 m-3Intermolecular spacing: N2 3 nm , H2O 0.4 nmMean free path: N2 100 nm2022-4-1019流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.1. 避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏，只需研究流體的宏 觀運(yùn)動(dòng)。觀運(yùn)動(dòng)。2. 可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的

13、平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。二、二、采用采用流體流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)2022-4-1020兩類作用在流體上的力：兩類作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力表面力和質(zhì)量力一、表面力一、表面力1.應(yīng)力應(yīng)力 單位面積上的表面力。單位面積上的表面力。AFpAn0lim 流體或其他物體通過流體或其他物體通過流體表面時(shí)，作用在流體上的力，流體表面時(shí)，作用在流體上的力，其大小與作用面積成比例。其大小與作用面積成比例。2022-4-1021一、表面力一、表面力2.法向法向應(yīng)力和切向應(yīng)力（壓力和剪切力）應(yīng)力和切向應(yīng)力（壓力和剪切力） dAFdAFpnnAnn0lim

14、dAFdAFpAn0limFFAFpT2022-4-1022二、質(zhì)量力二、質(zhì)量力 作用在作用在流體內(nèi)部流體內(nèi)部每個(gè)流體微團(tuán)上的力，其大小與每個(gè)流體微團(tuán)上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。（也叫流體質(zhì)量成正比。（也叫徹體力徹體力）kZjYiXf例如：例如：重力、慣性力、磁力等。重力、慣性力、磁力等。2022-4-1023一、流體的一、流體的密度密度單位體積流體單位體積流體所具有的所具有的質(zhì)量質(zhì)量。密度密度表征物體慣性的物理量。表征物體慣性的物理量。dVdM單位：單位：kg/mkg/m3 3 VM常見流體的密度：常見流體的密度： 水水1.010103 3 kg/m3 空氣空氣1.23 kg/m3 水銀

15、水銀13.6103 kg/m3均勻流體：均勻流體：流體流體重度重度：g單位單位：N/m32022-4-10242022-4-1025二、流體的二、流體的相對(duì)密度相對(duì)密度( (比重）比重）流體的密度與流體的密度與4 4o oC C時(shí)水的密度的比值。時(shí)水的密度的比值。 式中，式中， f f 流體的密度（流體的密度（kg/mkg/m3 3） w w4 4o oC C時(shí)水的密度時(shí)水的密度（kg/mkg/m3 3）wfd2022-4-1026三、流體的三、流體的比容比容單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。1單位：單位： m m3 3/ /kgkg202

16、2-4-1027一、流體的壓縮性一、流體的壓縮性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。1.壓縮系數(shù)壓縮系數(shù) 單位壓力增加所引起的體積單位壓力增加所引起的體積相對(duì)變化量相對(duì)變化量)/(/2NmpVVp2022-4-1028二、二、可壓縮性可壓縮性流體和流體和不可壓縮性不可壓縮性流體流體 引起重要影響的參數(shù)！引起重要影響的參數(shù)！高壓與常壓流體的區(qū)別高壓與常壓流體的區(qū)別 可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體和不可壓縮流體常數(shù) 可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體 不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體常數(shù)2022-

17、4-1029一、流體的粘性：一、流體的粘性：引起重要影響的參數(shù)！引起重要影響的參數(shù)！1. 1. 粘性的定義粘性的定義 流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部會(huì)流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。（與固體外表面接觸時(shí)）產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。（與固體外表面接觸時(shí)）(1) (1) 庫侖實(shí)驗(yàn)庫侖實(shí)驗(yàn)(1784)(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦。庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦。 2022-4-1030一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )1 1.粘性的粘性的定義定義( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2)

18、流體粘性表現(xiàn)在：流體粘性表現(xiàn)在： 流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會(huì)產(chǎn)生粘性力，由此在各流體微團(tuán)之間會(huì)產(chǎn)生粘性力，由此在流體中產(chǎn)生速度梯度；流體中產(chǎn)生速度梯度；流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體附著在流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體附著在壁面壁面上，此處速度為零（無滑移上，此處速度為零（無滑移邊界條件）。邊界條件）。2022-4-1031一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (或或粘性定律粘性定律)()(續(xù)續(xù)) ) 牛頓內(nèi)摩擦定律：試驗(yàn)證明粘性力正比與速度梯度。牛頓內(nèi)摩擦定律：試驗(yàn)證明粘性力正比與速度梯度。dydu實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)大多數(shù)流體，存在內(nèi)摩

19、擦力流體，存在內(nèi)摩擦力yuAFdd引入比例系數(shù)引入比例系數(shù)，得：，得：ohdyyu+duuyU粘性剪切應(yīng)力粘性剪切應(yīng)力yuAFdd2022-4-1032一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) )粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；(2)(2)比例系數(shù)稱比例系數(shù)稱動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度，簡稱粘度。另一粘度單位：運(yùn)動(dòng)粘度，簡稱粘度。另一粘度單位：運(yùn)動(dòng)粘度牛頓內(nèi)摩擦定律表明：牛頓內(nèi)摩擦定律表明：dydu2022-4-1033ohdyyu+duuyU因?yàn)榱Υ嬖谟诹黧w內(nèi)部，因

20、為力存在于流體內(nèi)部，故稱為故稱為內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力TAA為兩個(gè)流體層接觸面的面積。為兩個(gè)流體層接觸面的面積。自上而下一層帶動(dòng)一層，自上而下一層帶動(dòng)一層，運(yùn)動(dòng)快的流動(dòng)層帶動(dòng)著運(yùn)動(dòng)慢的流動(dòng)層向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)快的流動(dòng)層帶動(dòng)著運(yùn)動(dòng)慢的流動(dòng)層向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)慢的流動(dòng)層阻礙著運(yùn)動(dòng)快的流動(dòng)層，運(yùn)動(dòng)慢的流動(dòng)層阻礙著運(yùn)動(dòng)快的流動(dòng)層，說明層間存在有摩擦力。說明層間存在有摩擦力。牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)質(zhì)：牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)質(zhì)：B層上下受到的內(nèi)摩擦力（或切應(yīng)力）方向相反ABC2022-4-1034一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 流體粘性大小的度量流體粘性大小的度量, ,由流體流由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起。動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起。(1) (1) 動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2) (2) 運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度( (動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)）動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)）)/(2sm)/(smkg3.3.粘度粘度sPadyud)(2022-4-1035一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )3.3. (3) (3) 粘度的影響因素粘度的影響因素溫度溫度對(duì)流體粘度的影響很大對(duì)流體粘度的影響很大 當(dāng)溫度升高時(shí)，液當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體體的粘度減小，氣體的粘度增大。的粘度增大