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文檔簡介
1、材料冶金傳輸原理1緒論一、課程的性質(zhì)和目的 本課程是金屬材料工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程,它涵蓋了 “流體力學(xué)”、“傳熱學(xué)”及“傳質(zhì)學(xué)”課程的內(nèi)容。本課程的任務(wù)是系統(tǒng)而全面地從動量、熱量及質(zhì)量傳輸觀點,闡述了流體流動過程以及傳熱傳質(zhì)過程的基本理論,及其在冶金工程中的主要應(yīng)用。要求學(xué)生要掌握上述三個傳輸過程的基本概念、基本原理和基本計算方法。以便為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程奠定必要的基礎(chǔ)。 21 課程簡介2“三傳”的內(nèi)在聯(lián)系和類似規(guī)律3性質(zhì)本課程為一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課,屬于工程基礎(chǔ)理論課程,是專業(yè)主干課,必修課。研究對象動量傳輸熱量傳輸質(zhì)量傳輸源于流體力學(xué)源于傳熱學(xué)源于傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程高等數(shù)學(xué)物理化學(xué)1 課程
2、簡介理論力學(xué)4什么是傳輸過程? 物理量從非平衡狀態(tài)朝平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。具有強度性質(zhì)的物理量(如溫度、組分濃度等)在系統(tǒng)內(nèi)不均勻時就會發(fā)生物理量的傳輸。動 量 傳 輸:在垂直于流體實際流動的方向上,動量由高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)移;熱 量 傳 輸:熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉(zhuǎn)移;質(zhì) 量 傳 輸:物系中一個或幾個組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移;產(chǎn)生原因:三者都是由于系統(tǒng)內(nèi)部存在速度、溫度和濃度梯度的緣故。2“三傳”的內(nèi)在聯(lián)系和類似規(guī)律5“三傳”具有共同的物理本質(zhì)都是物理過程?!叭齻鳌本哂蓄愃频谋硎龇匠毯投?。在實際冶金傳輸過程中往往包括有兩種或兩種以上傳輸現(xiàn)象,它們同時存在,又相互影響。為什么把“
3、三傳”放在一起講?6“三傳”的類似性傳遞的方式分子擴散傳遞湍流傳遞流場中速度分布不均的時候產(chǎn)生了切應(yīng)力;溫度分布不均的時候產(chǎn)生了熱傳導(dǎo);在多組分的混合流中,某組分的濃度分布不均的時候產(chǎn)生了質(zhì)量的傳輸;旋渦混合造成的流體微團的宏觀運動引起。7第1章 概念和定義1-1 流體和連續(xù)介質(zhì)1-2 流體的性質(zhì)1-3 流體性質(zhì)逐點變化1-4 單位819世紀(jì)前,流體力學(xué)的研究分為兩個分支: 一是理論分析方法:研究流體運動時不考慮黏性,運用數(shù)學(xué)工具分析流體的運動規(guī)律。 另一個是實驗方法:不用數(shù)學(xué)理論而完全建立在實驗基礎(chǔ)上對流體運動進行研究,解決了技術(shù)發(fā)展中許多重要問題,但其結(jié)果常受實驗條件限制。 這兩個分支的研
4、究方法完全不同,這種理論和實驗分離的現(xiàn)象持續(xù)了150多年。評論家稱“工程師觀察著不能解釋的現(xiàn)象,數(shù)學(xué)家解釋著觀察不到的現(xiàn)象”。直到20世紀(jì)初普朗特提出了邊界層理論為止。 普朗特將經(jīng)典力學(xué)與實驗力學(xué)融合為一個理論體系,開啟了現(xiàn)代流體力學(xué)。第1章 概念和定義9 路德維奇.普朗特(Ludwig Prandtl) 1875年2月4日出生于德國的弗萊辛 1953年8月15日卒于哥廷根現(xiàn)代力學(xué)的奠基人之一,他創(chuàng)立了邊界層理論、薄翼理論、升力線理論,研究了超聲速流動,提出普朗特葛勞渥法則,并與他的學(xué)生梅耶一起研究了膨脹波現(xiàn)象(普朗特梅耶流動),并首次提出超聲速噴管設(shè)計方法。普朗特的開創(chuàng)性工作,將19世紀(jì)末期
5、的水力學(xué)和水動力學(xué)研究統(tǒng)一起來,被稱為“現(xiàn)代流體力學(xué)之父”。除了了在流體力學(xué)中的研究工作,還培養(yǎng)了很多著名科學(xué)家,其中包括馮.卡門、梅耶等著名流體力學(xué)家,對我國流體力學(xué)研究做出奠基工作的陸士嘉教授也曾是普朗特的學(xué)生。 10第一章 概念和定義流體、運動和力(能量)是構(gòu)成流體力學(xué)的三個基本要素。1.1 流體和連續(xù)介質(zhì)流體:在剪應(yīng)力作用下能夠產(chǎn)生連續(xù)形變的物質(zhì)。流體的微觀和宏觀特性流體分子微觀運動 自身熱運動流體團宏觀運動 外力引起 統(tǒng)計平均值11流體微團:具有流體宏觀特性的最小體積(即臨界體積V*或* )的流體團。缺點:(1) V*雖然很小,但仍存有線尺度,不能與數(shù)學(xué)上點的概念相統(tǒng)一; (2)在流
6、體運動過程中微團將變形。 為了符合數(shù)學(xué)分析的需要,引入流體質(zhì)點模型。優(yōu)點:(1)流體質(zhì)點無線尺度,無熱運動,只能在外力作用下作宏觀平移運動; (2)將周圍臨界體積范圍內(nèi)的分子平均特性賦于質(zhì)點。 為了描述流體微團的旋轉(zhuǎn)和變形引入流體質(zhì)元(流體元)模型 (1)流體元由大量流體質(zhì)點構(gòu)成的微小單元(x,y,z) (2)由流體質(zhì)點相對運動形成流體元的旋轉(zhuǎn)和變形運動。12連續(xù)介質(zhì)概念(假設(shè))歐拉1753年首先提出。 忽視流體微觀結(jié)構(gòu)的分散性, 將流體看成是由無限多個流體質(zhì)點或微團組成的密集而無間隙的連續(xù)介質(zhì)。 假定了流體的稠密性和連續(xù)性連續(xù)介質(zhì)假設(shè):假設(shè)流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點組成的介質(zhì)。優(yōu)點: (1)
7、可用連續(xù)性函數(shù)B(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點物理量的空間分布和時間變化; (2)由物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程,并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。13連續(xù)介質(zhì)概念的適用范圍 除了稀薄氣體與激波的絕大多數(shù)工程問題,均可用連續(xù)介質(zhì)模型作理論分析。141.2 流體的性質(zhì)流體的密度:單位體積流體的質(zhì)量 流體性質(zhì)與流動特性:不可壓縮流體:在很大的溫度和壓力范圍內(nèi),密度幾乎不變的流體。流體的點應(yīng)力:單位面積上流體所受的力法向應(yīng)力切向應(yīng)力15作用在流體上的力一類是長程力(體積力):能穿越空間作用到所有流體元上,不通過物理接觸而產(chǎn)生的作用力。如:重力、電磁力、慣性力。特點:這些力的強度取決于流體元的局部
8、性質(zhì)(如密度、電磁強度、加速度等),與流體元的位置變化關(guān)系不大。因為長程力的大小與流體元的體積成正比。所以又稱為體積力(質(zhì)量力:重力和慣性力與流體元的質(zhì)量成正比)。一類是短程力(表面力):相鄰兩層流體需要物理接觸通過分子作用(如分子碰撞、內(nèi)聚力、分子動量交換等)產(chǎn)生的力。因為短程力僅取決于流體元的表面狀況,所以又稱為表面力。如:壓力、粘性力等。16作用在流體上的力靜止流體:靜止流體不存在切應(yīng)力,表面力僅由法向應(yīng)力引起。X方向y方向說明:靜止流體中,流體的法向應(yīng)力與方向無關(guān),它是一個標(biāo)量。流體表面的壓強與法向應(yīng)力是大小相等,方向相反的。工程上簡稱為壓力。171.3 流體性質(zhì)逐點變化全國氣壓的變化
9、,圖中曲線為等壓點的變化。18介于dx和dy兩點間區(qū)域內(nèi)壓力P的變化,可用全微分 表示在xy平面內(nèi)的兩條特殊軌跡:一條是 等于零;另一條是 為最大值。19是一個常數(shù)。沿著標(biāo)量為常數(shù)的軌跡稱為等壓線。為最大值:(1-6)(1-7)同理:20(1-8)式(1-7)和式(1-8)指出,最大方向?qū)?shù)是下述形式的矢量:梯度:沿最大值軌跡的方向?qū)?shù);標(biāo)量場的梯度是一個矢量場擴展到三維:引入算子 (1-9)式(1-9)可簡化為:(1-10)211.4 單位國際標(biāo)準(zhǔn)單位(SI)四個基本單位:質(zhì)量長度時間溫度mLtTkgmsK22第3章 運動流體分析3-1 基本物理定律3-2 流體流場拉格朗日及歐拉表示法3-3
10、 穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動3-4 流線3-5 系統(tǒng)及控制體233.1 基本物理定律此外還要補充一些反映流體屬性的本構(gòu)方程和狀態(tài)方程來描述運動流體。比如:胡克定律、理想氣體定律、牛頓粘性定律等。24“場”表示在整個給定的區(qū)域內(nèi)位置和時間的函數(shù)所定義的一個量。3.2 流體流場拉格朗日及歐拉表示法拉格朗日法:著眼于流體質(zhì)點或流體微元(3-1)拉格朗日法代表了流體質(zhì)點的運動軌跡。式中坐標(biāo)(a,b,c)是流體質(zhì)點的初始位置。25歐拉法:著眼于空間點(坐標(biāo)系中的固定點)(3-2)歐拉法:表示流體物理量在不同時刻的空間分布。本書將全部采用歐拉法表示進行討論。上式中不同的(x,y,z)值代表不同的空間點。26穩(wěn)態(tài)
11、流動:流體在每一點的流動與時間無關(guān)。非穩(wěn)態(tài)流動:流體在各點上的流動隨時間而變。3.3 穩(wěn)態(tài)流動與非穩(wěn)態(tài)流動(定常流動與不定常流動)27經(jīng)過坐標(biāo)變換,有的非穩(wěn)態(tài)流動可換為穩(wěn)態(tài)流動風(fēng)洞試驗、水洞試驗28跡線跡線是流體質(zhì)點的運動軌跡,代表了拉格朗日觀點。流體質(zhì)點的軌跡方程:3.4 流體運動的幾何描述矢量方程:分量方程:29歐拉法:也可寫成:跡線是流場中實際存在的線,穩(wěn)態(tài)流動匯總通過某一固定點的跡線只有一條,但在非穩(wěn)態(tài)流動中,通過同一點的跡線可以有多條,不同時刻經(jīng)過該點的流體質(zhì)點可以走不通的軌跡線。上式中:t是自變量;x,y,z均為t的函數(shù)30流線:某一時刻與流場內(nèi)各點速度矢量相切的線。假想線行列式展
12、開:也可寫成:t只是參數(shù),x,y,z是獨立變量。3132系統(tǒng):一些具有特性固定不變的物質(zhì)集合。(拉格朗日觀點)或者:系統(tǒng)是指一群確定的流體質(zhì)點,在運動過程中系統(tǒng)的形狀、體積(可壓縮流體)、表面積等可以不斷改變,但始終包含這些確定的流體質(zhì)點。3.5 系統(tǒng)及控制體33控制體: 由于流體與固體不同,具有易變性,因此“系統(tǒng)分析法”不便使用。 流場中認為選定的具有確定位置和體積形狀的流場空間幾何區(qū)稱為控制體(CV),控制體的表面稱為控制面。34第4章 質(zhì)量守恒-控制體法4-1 積分關(guān)系式4-2 積分式的特殊形式354.1 積分關(guān)系式質(zhì)量守恒定律表明:質(zhì)量既不能產(chǎn)生也不會消失。對控制體而言,質(zhì)量守恒定律可
13、簡述為:流出控制體的質(zhì)量速率流入控制體的質(zhì)量速率流出控制體的質(zhì)量速率+= 0流體通過微元面dA的質(zhì)量流量(質(zhì)量速率):是速度矢量 與dA向外畫的單位法線矢量 之間的夾角。36表示矢量與矢量的點積。表示流體微元dA單位面積的質(zhì)量流量,稱為質(zhì)量通量把這個量對整個控制表面(control surface)進行積分,則得到表示控制體凈輸出的質(zhì)量流量;通過控制表面向外的凈質(zhì)量流量37控制體內(nèi)的質(zhì)量積聚率(變化率)可表示為質(zhì)量守恒定律:一般表示:表明:通過控制面凈流出的質(zhì)量流量等于控制體內(nèi)流體質(zhì)量隨時間的減少率。384.2 積分式的特殊形式1.定常(穩(wěn)態(tài))流動沿流管的定常(穩(wěn)態(tài))流動標(biāo)量式:積分得:394.2 積分式的特殊形式最早是由達.芬奇發(fā)現(xiàn)并提出的。2.不可壓縮定常流動對于不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動,輸入與輸出控制體的體積流量相等。404.2 積分式的特殊形式【例2】圓管層流的最大速度 不可壓縮流體在半徑為R的圓管內(nèi)作層流流動。已知進口
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