材料加工冶金傳輸原理課件(吳樹森

1、22022-4-15第一篇第一篇 動量的傳輸動量的傳輸 概述概述冶金過程：是物理化學(xué)過程、動量、熱量、質(zhì)冶金過程：是物理化學(xué)過程、動量、熱量、質(zhì)量傳輸過程的組合過程。量傳輸過程的組合過程。傳輸理論的基礎(chǔ)：質(zhì)量守恒定律；動量守恒定傳輸理論的基礎(chǔ)：質(zhì)量守恒定律；動量守恒定律；能量守恒定律。律；能量守恒定律。研究的目的：研究速率過程（動量、熱量、質(zhì)研究的目的：研究速率過程（動量、熱量、質(zhì)量）量）本學(xué)科的現(xiàn)狀與發(fā)展本學(xué)科的現(xiàn)狀與發(fā)展32022-4-15 工程單位制工程單位制 ； 基本單位：長度，時間，力基本單位：長度，時間，力一一 單位制：單位制： 國際單位制；基本單位：長度，時間，質(zhì)量國際單位制；基

2、本單位：長度，時間，質(zhì)量 工程單位制工程單位制規(guī)定：質(zhì)量為規(guī)定：質(zhì)量為1kg的物體在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度處所的物體在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度處所受的引力為受的引力為1kg力。力。缺點缺點g 隨地點的不同而異，力不能作為基本單位，且隨地點的不同而異，力不能作為基本單位，且kgKgf是不同的概念。是不同的概念。 國際單位制國際單位制： 基本單位：基本單位： 米（米（m） 公斤（公斤（kg）秒（）秒（s）度（）度（）（）（K） 導(dǎo)出單位：力導(dǎo)出單位：力牛頓（牛頓（1N=1kgm/S） 能量能量焦耳（焦耳（1J=1kg/S） 壓力（強）壓力（強）帕斯卡（帕斯卡（Pa=N/） 功率功率瓦（瓦（W=J/s）42022-4

3、-15二二 單位換算：單位換算：力力 : 1kgf=9.807 N 1N=0.102kgf壓力（強）壓力（強）:1atm=1.01325105 Pa 1atm=760mmHg=10332mmH2O 1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807104 Pa 1mmH2O=1kgf/=9.8Pa能量能量: 1kJ=0.239kcal 1kcal=4.187kJ 1w=1J/s=0.86kcal/h 1kcal/h=1.163w52022-4-15第一章第一章 動量傳輸?shù)幕靖拍顒恿總鬏數(shù)幕靖拍?1、流體的定義、流體的定義: 流體的密度流體的密度在剪切應(yīng)力的作用下會發(fā)生在剪切應(yīng)力的

4、作用下會發(fā)生連續(xù)的變形的物質(zhì)。連續(xù)的變形的物質(zhì)。 V 從宏觀上看應(yīng)足夠小，從宏觀上看應(yīng)足夠小，而從微觀上看應(yīng)足夠大。而從微觀上看應(yīng)足夠大。 Vmlinv0 1、1 流體及連續(xù)介質(zhì)模型流體及連續(xù)介質(zhì)模型62022-4-15 連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)把流體視為充滿其占有空間、由大量的沒有間隙存把流體視為充滿其占有空間、由大量的沒有間隙存在的在的流體質(zhì)點流體質(zhì)點所組成的連續(xù)介質(zhì)。所組成的連續(xù)介質(zhì)。1.1.2 1.1.2 連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型 只研究宏觀性質(zhì)，不研究微觀性質(zhì)。只研究宏觀性質(zhì)，不研究微觀性質(zhì)。 注：只適用于宏觀情況，假設(shè)取微單元時，仍為連續(xù)。注：只適用于宏觀情況，假設(shè)取微單元時，仍為連續(xù)。

5、各種物理量是空間和時間的連續(xù)函數(shù)。各種物理量是空間和時間的連續(xù)函數(shù)。 72022-4-15流體及連續(xù)介質(zhì)模型流體及連續(xù)介質(zhì)模型流體的密度流體的密度對于均質(zhì)流體對于均質(zhì)流體u v vmvVm 82022-4-15 流體及連續(xù)介質(zhì)模型流體及連續(xù)介質(zhì)模型 只有當(dāng)流體是連續(xù)介質(zhì)時，流體的一切物理屬只有當(dāng)流體是連續(xù)介質(zhì)時，流體的一切物理屬性均可以看作是坐標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)?？梢杂眯跃梢钥醋魇亲鴺?biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)?？梢杂梦⒎e分來處理問題。微積分來處理問題。 即密度的倒數(shù)。即密度的倒數(shù)。 流體的比容流體的比容kgmmV31 1、2 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 流體的密度流體的密度92022-4-

6、15流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì)流體的重度：流體的重度： 對于氣體可以當(dāng)作對于氣體可以當(dāng)作理想氣體來處理，即理想氣體來處理，即氣體滿足理想氣體狀氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程。態(tài)方程。R0：普適氣體常數(shù)，：普適氣體常數(shù)，工程單位制中：工程單位制中：國際單位制國際單位制 =gRTvPP MRR0 KkmolmkgfR 8480KkmolmNR 83140102022-4-15流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì) 1、2、2 流體的壓縮性流體的壓縮性1、 等溫壓縮等溫壓縮 對于液體而言，由于對于液體而言，由于p很小，一般不記其很小，一般不記其壓縮性。壓縮性。 注意壓縮性是一相對的概念注意壓縮性是一相對的概念體積

7、壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù) 其倒數(shù)為體積彈性模數(shù)其倒數(shù)為體積彈性模數(shù)dPdVVp1dpdVVEv 0 dPdV112022-4-15流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì)對于氣體：對于氣體：1、 等溫時等溫時（T1=T2）2、 等壓時（等壓時（P1=P2）1212PP 2112PP tTTtt 10002112TT 1212TT =1/273122022-4-15流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì) 當(dāng)氣體的壓力不太高（當(dāng)氣體的壓力不太高（10kPa) ,或速度不太高或速度不太高 ( 0色線變得彎曲起來（紅線），色線變得彎曲起來（紅線），可以看到無論來流的速度是多少，這條色線可以看到無論來流的速度是多少，這條色線總是

8、總是粘附在粘附在固體壁面上。固體壁面上。 這種邊界叫這種邊界叫無滑移邊界（條件）無滑移邊界（條件）Vfxy=0= 無滑移邊界條件實驗無滑移邊界條件實驗A142022-4-15 流體的粘性流體的粘性實驗二實驗二 兩平行平板，中間充滿流體，平板的面積為兩平行平板，中間充滿流體，平板的面積為A，其間，其間的流體均勻，高為的流體均勻，高為H。 且且H A 叫無限大平板叫無限大平板 0vxyFHx（y）穩(wěn)定開始v固定固定 152022-4-15 流體的粘性流體的粘性 將下面的一塊平板作勻速直線運動，連續(xù)測定使這塊將下面的一塊平板作勻速直線運動，連續(xù)測定使這塊平板作勻速直線運動所需的力。實驗測得穩(wěn)定后平板

9、作勻速直線運動所需的力。實驗測得穩(wěn)定后F=Const。 實驗結(jié)果實驗結(jié)果：1 0與與F不變時，不變時，F(xiàn) A 2 A=Const 時：時：F o /H （唯一的單增函數(shù)）（唯一的單增函數(shù)）結(jié)果的表達(dá)式為：結(jié)果的表達(dá)式為： vxxy xd vFd vFAd yAd y vyx下標(biāo)：下標(biāo)：x為運動方向；為運動方向；y為在該方向上有速度梯度為在該方向上有速度梯度式中：式中： 流體的動力粘度系數(shù)，其單位為流體的動力粘度系數(shù)，其單位為 Pa S 1Pa S=1N S/ =1Kg/ms162022-4-151.3.2 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 a. 正負(fù)號的意義正負(fù)號的意義， 由于粘性應(yīng)力的方向與流動方向

10、平行，則由于粘性應(yīng)力的方向與流動方向平行，則 yx與與dvx /dy 的的方向無關(guān)（梯度是矢量）粘性應(yīng)力是一對大小相等，方向相方向無關(guān)（梯度是矢量）粘性應(yīng)力是一對大小相等，方向相反的力。反的力。 亦是一矢量，正負(fù)號表示力的方向。同時也可表為亦是一矢量，正負(fù)號表示力的方向。同時也可表為粘性動量通量。粘性動量通量。 2()xyxdvNdym 流體的粘性流體的粘性172022-4-15 流體的粘性流體的粘性b.粘性動量通量粘性動量通量： 通過單位面積在單位時間內(nèi)傳遞的動量。通過單位面積在單位時間內(nèi)傳遞的動量。 運動粘性系數(shù)，單位：運動粘性系數(shù)，單位：m2/s 粘性動量通量的大小與動量梯度成正比粘性動

11、量通量的大小與動量梯度成正比 方向：總是從高速流層傳向低速流層。方向：總是從高速流層傳向低速流層。 既粘性動量的傳遞方向指向速度梯度的負(fù)值方向。使得既粘性動量的傳遞方向指向速度梯度的負(fù)值方向。使得計算結(jié)果中，粘性動量通量總是大于等于零。計算結(jié)果中，粘性動量通量總是大于等于零。 即：粘性動量通量即：粘性動量通量 xxxyyyvv x0yv 粘182022-4-151.3.4 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：牛頓流體： 滿足牛頓粘性定律的流體。滿足牛頓粘性定律的流體。兩個含義：兩個含義： 1 、當(dāng)速度梯度為零時，粘性力為零。、當(dāng)速度梯度為零時，粘性力為零。 2 、粘性力與速度梯度

12、呈線性關(guān)系。、粘性力與速度梯度呈線性關(guān)系。非牛頓流體：非牛頓流體： 凡不滿足牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓凡不滿足牛頓粘性定律的流體均稱為非牛頓流體。流體。1 濱海姆流體濱海姆流體 dydv 0192022-4-15牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體 當(dāng)當(dāng) 時，時， 不符合第一個不符合第一個 條件條件 ，如：沙漿，礦漿等，如：沙漿，礦漿等2 屈服塑張流體：其特征為屈服塑張流體：其特征為 兩個條件均不滿足兩個條件均不滿足3 似塑性流體：似塑性流體： 注意：我們以后所討論的流體均為牛頓流體。注意：我們以后所討論的流體均為牛頓流體。0 dydv0 ndydv)(0 ndydv)( 圖1-4 牛

13、頓流體與非牛頓流體202022-4-151.3.5 粘性流體與理想流體粘性流體與理想流體實際流體都是具有粘性的，都是粘性流體。實際流體都是具有粘性的，都是粘性流體。不具有粘性的流體稱為理想流體，這是客觀世界上不具有粘性的流體稱為理想流體，這是客觀世界上并不存在的一種假想流體。并不存在的一種假想流體。（1）在靜止流體和速度均勻、直線運動的流體中，）在靜止流體和速度均勻、直線運動的流體中，流體的粘性表現(xiàn)不出來。流體的粘性表現(xiàn)不出來。 （2）在許多場合下，想求得粘性流體的精確解是很）在許多場合下，想求得粘性流體的精確解是很困難的?？梢韵炔挥嬚承缘挠绊懀箚栴}的分析大困難的?？梢韵炔挥嬚承缘挠绊?，使問

14、題的分析大為簡化，從而有利于掌握流體流動的基本規(guī)律。至為簡化，從而有利于掌握流體流動的基本規(guī)律。至于粘性的影響則可通過試驗加以修正。于粘性的影響則可通過試驗加以修正。212022-4-151.4 作用在流體上的力作用在流體上的力1.4.1 表面力表面力 如法向力（壓力），切向力（粘性力）如法向力（壓力），切向力（粘性力） 表面力的大小與其表面積的大小呈正比，是表面力的大小與其表面積的大小呈正比，是作用在表面上的力。作用在表面上的力。 體積力體積力 （質(zhì)量力）（質(zhì)量力） 如重力、慣性力、電磁力等如重力、慣性力、電磁力等 質(zhì)量力的大小與其質(zhì)量的大小呈正比，它可質(zhì)量力的大小與其質(zhì)量的大小呈正比，它可

15、以遠(yuǎn)距離作用在流體內(nèi)部的每一個質(zhì)點上。故稱以遠(yuǎn)距離作用在流體內(nèi)部的每一個質(zhì)點上。故稱遠(yuǎn)程力。遠(yuǎn)程力。222022-4-151.4.3 流體的靜壓力及其特點：流體的靜壓力及其特點：1 . 流體靜壓力的作用方向流體靜壓力的作用方向與作用面垂直，并由外與作用面垂直，并由外向內(nèi)指向作向內(nèi)指向作 用面。用面。 用反證法來證明用反證法來證明 假定移去如圖所示的一團假定移去如圖所示的一團流體的上部后作用力流體的上部后作用力F 的方的方向不垂直于作用面向不垂直于作用面A，則，則F可分解為法向力和切向力，可分解為法向力和切向力，而由于切向力的存在這團流而由于切向力的存在這團流體就不會保持平衡而產(chǎn)生流體就不會保持

16、平衡而產(chǎn)生流動，所以，動，所以，F(xiàn)必然是法向力。必然是法向力。FFnF232022-4-15流體的靜壓力及其特點：流體的靜壓力及其特點：2. 流體中任意點上的靜壓力在各方向上均相等而流體中任意點上的靜壓力在各方向上均相等而與方向無關(guān)。與方向無關(guān)。證明：在靜止的流體中取一無限小的三角形，證明：在靜止的流體中取一無限小的三角形，(如如圖所示）它包含有圖所示）它包含有P點。三角體的厚度取單位厚點。三角體的厚度取單位厚度，現(xiàn)分析其受力的情況，先考慮度，現(xiàn)分析其受力的情況，先考慮X方向的力：方向的力：dz=122dydxPP xPydxdxdyPxdyyz242022-4-15流體的靜壓力及其特點：流體

17、的靜壓力及其特點： X方向的受力：方向的受力：流體受力有：流體受力有： 壓力壓力P和重力和重力gx和和gy流體是靜止的流體是靜止的 Fx=0 即：即：又又dxdy是高階無窮小可不計是高階無窮小可不計 Px =P 同理可證同理可證 Py=P 依據(jù)靜壓的第二個特性：當(dāng)需要測量流體中某依據(jù)靜壓的第二個特性：當(dāng)需要測量流體中某一點的壓力時，可不必選擇方向，只需在該點確一點的壓力時，可不必選擇方向，只需在該點確定的位置上進(jìn)行測量即可。定的位置上進(jìn)行測量即可。021cos122dxdygdydxPdyPxxdyCOSdydx22252022-4-15壓力的單位壓力的單位 除了用除了用Pa外，還常用大氣壓力

18、、毫米汞柱、外，還常用大氣壓力、毫米汞柱、 毫米水柱、工程大氣壓等。毫米水柱、工程大氣壓等。 1 物理大氣壓（物理大氣壓（atm）=760 mmHg =10332 mmH2O =101325Pa 1 工程大氣壓（工程大氣壓（at）=1 kgf/cm2 =98066.5Pa = 0.986物理大氣壓物理大氣壓(atm) = 10000mmH2O 1 mmH2O=9.81Pa ; 1mmHg=133.32 Pa 262022-4-151.5 表面張力表面張力1.5.1 表面張力表面張力 水滴懸掛在墻上或水龍頭出口上，水銀在平滑水滴懸掛在墻上或水龍頭出口上，水銀在平滑表面上呈球形滾動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象表明液體自由表面上呈球形滾動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象表明液體自由表面有明顯的欲成球形的收縮趨勢，引起這種收縮表面有明顯的欲成球形的收縮趨勢，引起這種收縮趨勢的力稱為表面張力。趨勢的力稱為表面張力。 將單位長度上所受到的這種拉力定義為表面張將單位長度上所受到的這種拉力定義為表面張力，以力，以表示，它的單位是表示，它的單位是N/m。 1.5.2 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 當(dāng)把直徑很小兩端開口的細(xì)管插入液體中時，當(dāng)把直徑很小兩端開口的細(xì)管插入液體中時，表面張力的作用將使管內(nèi)液體出現(xiàn)升高或下表面張力的作用將使管內(nèi)液體出現(xiàn)升高或下降的現(xiàn)象，我們稱之為毛細(xì)現(xiàn)象。這種足以