三傳的基本概念

冶金傳輸原理動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸（三傳）1冶金過程舉例1電爐煉鋼過程2鋼包精煉過程3連鑄過程4轉(zhuǎn)爐煉鋼過程5高爐冶煉過程冶金傳輸原理的應(yīng)用2冶金過程分析冶金中的化學(xué)反應(yīng)，也同時伴隨著熱量的傳輸、質(zhì)量的傳輸，都是在物質(zhì)的流動過程中發(fā)生的。比如高爐煉鐵過程、轉(zhuǎn)爐煉鋼過程、爐外精煉及鋼水的澆注等鋼鐵冶金高溫生產(chǎn)過程中，均存在動量、熱量和質(zhì)量三者的傳遞過程。3第一篇三傳的基本概念

第一章動量傳輸?shù)幕靖拍畹诙聼崃總鬏數(shù)幕靖拍畹谌沦|(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?第一章動量傳輸?shù)幕靖拍?.1動量傳輸?shù)难芯繉ο蠛脱芯糠椒?.2描述流場運(yùn)動的方法1.3流場的描述1.4流體微團(tuán)運(yùn)動分析

1.5速度邊界層的概念51.1動量傳輸?shù)难芯繉ο蠛脱芯糠椒▌恿總鬏斁褪茄芯苛黧w（即氣體與液體）在外界的作用下運(yùn)動規(guī)律的一門科學(xué)，它的研究對象自然就是流體研究對象流體特點(diǎn)可流動性與可壓縮性6可流動性與可壓縮性的體現(xiàn)固體有固定的形狀，流體則呈現(xiàn)出盛放它的容器的形狀，而氣體還要充滿盛放它的容器的體積。。所謂可流動性就是指流體在任意小的切應(yīng)力的作用下都會發(fā)生明顯的變形，而一般的固體則不會?？蓧嚎s性是指在壓力的作用下，流體的體積會發(fā)生明顯的變化。7流體的性質(zhì)Why因為物質(zhì)是由分子組成的，分子與分子之間有著一定的間隙，氣態(tài)物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃，101325Pa）分子間的平均距離大于分子的直徑的10倍，分子間的相互作用微弱，不能保持一定的體積和形狀，當(dāng)外部壓力增大時，其體積按一定的規(guī)律縮小，具有較大的可壓縮性。液態(tài)物質(zhì)分子間平均距離約為分子直徑的1倍，分子間互相作用較大，通常可以保持其固有體積，但不能保持其形狀。8一類物質(zhì)不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以無限的變形，這種變形稱為流動，這類物質(zhì)稱為流體，其變形的速度即流動速度與切應(yīng)力的大小有關(guān)，氣體和液體都屬于流體；另一類是固體，它能承受一定的切應(yīng)力，其切應(yīng)力與變形的大小呈一定的比例關(guān)系。物質(zhì)受力和運(yùn)動的特點(diǎn)物質(zhì)分為兩大類9液體和氣體的區(qū)別液體可以隨其容器形狀不同而改變其形狀，且在相當(dāng)大的壓力下幾乎不改變其原有的體積，故通常稱為不可壓縮流體。液體與其他流體形成的分界面稱為自由表面。氣體則具有很大的壓縮性，如果對氣體施加壓力，則其體積很容易縮小，如果壓力無限減小，則氣體可無限地膨脹，充滿容納它的空間，所以它沒有自由表面，故通常稱為可壓縮流體。10連續(xù)介質(zhì)模型研究方法研究流體的流動的一種模型流體力學(xué)中一般對流體都作連續(xù)介質(zhì)的假定，即認(rèn)為流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成。這種流體質(zhì)點(diǎn)尺度很小，數(shù)學(xué)上可以近似認(rèn)為是一個點(diǎn)，但具有著宏觀的物理量如密度、壓力、速度等。11把流體視為連續(xù)介質(zhì)？從宏觀上研究流體的運(yùn)動規(guī)律，認(rèn)為流體是在空間和時間上連續(xù)分布的物質(zhì)，即連續(xù)介質(zhì)。實踐證明采用這個模型來解決工程實際問題，其結(jié)果是能滿足要求的。這樣流體的一切特性，例如壓強(qiáng)、溫度、密度、速度等都可看成是時間和空間連續(xù)分布的函數(shù)，流體力學(xué)的問題可以用連續(xù)函數(shù)這個數(shù)學(xué)工具來進(jìn)行研究。Why注意：稀薄氣體的分子間距大，連續(xù)介質(zhì)模型的概念不適用。12流體的一切屬性（速度、壓力、密度、溫度、濃度等）都可看作坐標(biāo)與時間的連續(xù)函數(shù)，利用連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型從流體的宏觀特性出發(fā)，流體充滿的空間里是有大量的沒有間隙存在的流體質(zhì)點(diǎn)組成的，即為連續(xù)介質(zhì)模型。流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)對某一點(diǎn)取得極小，但卻包含有足夠多的分子（即宏觀上足夠?。晃⒂^上足夠大），使其不失去連續(xù)介質(zhì)的特性而有確定的物理值。連續(xù)介質(zhì)的特性13人們把連續(xù)介質(zhì)模型描述的流體叫流場。流場一是拉格朗日法；二是歐拉法。速度、壓力、密度、溫度等，流場在空間的變化行為有梯度、散度和旋度。描述流場運(yùn)動的方法描述流場的基本物理量14流體微團(tuán)

15控制體

返回161.2描述流場運(yùn)動的方法通常有兩種：一是拉格朗日法；二是歐拉法。17拉格朗日法（Lagrange.J.L（法））

18拉格朗日法（Lagrange.J.L（法））19拉格朗日法202.歐拉法

由于不同時刻流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過空間某一固定點(diǎn)的速度是可測定的，所以在歐拉法中以速度作為描述流體在空間變化的變量，研究流體速度在空間的分布。什么樣的物理量表征空間點(diǎn)上流體運(yùn)動狀態(tài)變化21在實際研究問題時區(qū)分清楚哪個質(zhì)點(diǎn)處于哪個空間點(diǎn)上對大多數(shù)問題是沒有任何意義的，而往往只要搞清楚在某一時刻流體在其存在的區(qū)域內(nèi)各個空間點(diǎn)上的速度分布就行了，歐拉法正是對這一速度分布描述的一套方案。歐拉法把流體視為連續(xù)介質(zhì)，用場論的方法研究流體的流動，是一套最重要的研究方案，以后的大多數(shù)內(nèi)容都將沿用這套方案去研究。歐拉法中以速度作為描述流體在空間變化的變量22用歐拉法研究問題時，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律用數(shù)學(xué)公式可做如下描述：（2-6）這里的r是空間坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系下可等價為：（2-7）這里的v因為是空間位置的函數(shù)，故v本身是一個場量，叫速度場。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律23流體運(yùn)動的加速度24左邊是加速度（或叫做隨體導(dǎo)數(shù)），它描述了流場中某一流體質(zhì)點(diǎn)的速度變化情況；右邊第一項稱時變加速度（當(dāng)?shù)丶铀俣然騾^(qū)域?qū)?shù)），由速度場隨時間而變化引起的，當(dāng)它=0時，速度場穩(wěn)定流動；

右邊第二項稱遷移加速度（位變加速度或?qū)α鲗?dǎo)數(shù)），由速度場的不均勻性引起的，當(dāng)它=0時，速度場均勻流動。

2526272.2流場的描述在歐拉框架下，對流體流動的狀態(tài)及其變化規(guī)律的描述，除速度場之外，還須知道其流場內(nèi)的壓力分布(即壓力場)和密度分布(即密度場)。一般情況下還應(yīng)有溫度場，因為溫度除對流體的密度、壓力等場量有直接影響之外，往往還強(qiáng)烈地影響著流體的物理性質(zhì)，如粘性。這些場量都是描述流場的基本物理量，當(dāng)然在一些特殊情況下還應(yīng)再加上其他的一些場量，如電磁流體力學(xué)中的電磁場等。281.梯度梯度是流場中流體物理量（如）在空間變化快慢程度的一種量度，它來源于等值面的方向?qū)?shù)。所謂等值面就是某一場量在空間量值相等的一個曲面，方向?qū)?shù)則是指場量函數(shù)值在空間某一方向上變化程度的一個數(shù)學(xué)概念。上述場量中有一部分是標(biāo)量，另一部分是矢量，要描述它的特征及其在空間的變化行為就不得不引入場論中的:梯度、散度和旋度29今有一標(biāo)量f，P為場內(nèi)的任一點(diǎn)，場量值為f，取P沿l方向上鄰近一點(diǎn)P′的場量值為f(P′)，如圖2－1所示，則場量在P點(diǎn)沿l方向的變化率為：（2-11）圖2-1方向?qū)?shù)與梯度30梯度31梯度來源于方向?qū)?shù)，但本身卻為矢量，其正方向規(guī)定為沿等值面的法線方向并且指向函數(shù)值增大的一側(cè)。在直角坐標(biāo)系下梯度常寫為：

這里的為x，y，z三個坐標(biāo)軸上的單位矢量。32速度梯度332、散度

34散度35散度363、旋度

37Ωuusnωsa3839已知旋轉(zhuǎn)角速度為矢量，故流體的旋度也為矢量直角坐標(biāo)系，角速度的三個分量由線速度表示方向40相應(yīng)的旋度可表示為：

414跡線跡線的概念是拉格朗日框架下引入的一個概念。而力學(xué)中對質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的描述常用軌跡的概念，所謂軌跡就是這里所說的跡線。

流場中的跡線就是流體質(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動時所走過的軌跡。跡線的概念42設(shè)流場中某一質(zhì)點(diǎn)的速度在直角坐標(biāo)系下可表示為：則流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的空間坐標(biāo)所滿足的關(guān)系式為：為時間參數(shù)。

跡線的微分方程435.流線流線是在歐拉框架下引入的一個重要的概念，它的含義首先是流場中某一時刻的一條空間曲線。但這樣的曲線不是任意的，在這條曲線上每一流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向與該曲線的切線方向相重合。uuxM（x，y，z）uyuzT4445流線的性質(zhì)：MU4647流管、流束及流量486.流函數(shù)49507.勢函數(shù)

51流線等勢線由各流線上速度相同的各點(diǎn)連線稱為等勢線（等值線）5253543）流函數(shù)與勢函數(shù)之間關(guān)系

55單純平移單純線變形單純角變形單純轉(zhuǎn)動流體運(yùn)動的方式1.4流體微團(tuán)運(yùn)動分析

56Vx+dVxVy+dVyVxVyDCAB討論運(yùn)動方式與速度變化575859將以上分析的結(jié)果可以推廣到三維流場中去。

601.5邊界層的概念611、邊界層的特點(diǎn)：

622、邊界層厚度

邊界層的厚度，從理論上講，應(yīng)該是由平板的壁面處流體速度為零的地方一直到流速達(dá)到外界來流速度的地方，也即粘滯力正好不再起作用的地方。嚴(yán)格地說，這一界限在無窮遠(yuǎn)處。

63是一個微量，這是邊界層的重要特征。643、邊界層內(nèi)的流動特征邊界層流動同樣有兩種狀態(tài)——層流和湍流。如圖5-2所示，在邊界層的前部，由于較小，速度梯度很大，粘性切應(yīng)力的作用就很大，這時流動屬于層流，稱為層流邊界層。

65（a）層流邊界層（b）混合邊界層（c）紊流邊界層66當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(如平板繞流Re＞3×105～3×l06)，經(jīng)過一個過渡區(qū)后，層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，形成所謂湍流邊界層。湍流邊界層總是在平板的后部形成，因為這里的雷諾數(shù)很大。從層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥狞c(diǎn)稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。影響邊界層轉(zhuǎn)折點(diǎn)的因素很復(fù)雜，其中重要的因素有邊界層外流動的壓力分布、壁面性質(zhì)，來流的湍流強(qiáng)度及其各種擾動等。確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的臨界雷諾數(shù)主要依靠實驗。

6768應(yīng)當(dāng)注意，無論是過渡區(qū)還是湍流區(qū)，邊界層最靠近壁面的一層始終做層流流動，這一層稱為層流底層，這主要是因為在最靠近壁面處由于壁面的作用使該層流體所受的粘性力永遠(yuǎn)大于慣性力。這里要特別說明的是，邊界層與層流底層是兩個不同的概念。層流底層是根據(jù)有無脈動現(xiàn)象來劃分，而邊界層則是根據(jù)有無速度梯度來劃分的。因此邊界層內(nèi)的流動既可以為層流，也可以為湍流。694、不同來流速度時的邊界層對于管內(nèi)的流動，當(dāng)流體速度較小時，即在Re數(shù)低于臨界值時，形成的邊界層如圖?？抗鼙诓㈦S流入深度增加時，層流流層厚度增加，在L后到達(dá)管軸，以后在整個管道截面上均保持層流流動，截面的速度呈拋物線分布。L段稱管流的起始段，以后稱為充分發(fā)展了的管流流動。充分發(fā)展的管流層流流動70在流體速度較大時如圖，即當(dāng)Re數(shù)大于臨界值以后，流動則由層流變?yōu)槲闪?，在層流邊界層的厚度還未達(dá)到管軸之前即進(jìn)入向紊流轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)，而后，于紊流區(qū)僅保持了厚度較小的層流底層，大部分空間為紊流核心所占據(jù)。充分發(fā)展的管流紊流流動71當(dāng)流體流過曲面時，由于曲面使流動的有效截面改變，使邊界層外邊界上的流速改變，從而使壓力也隨流向而變化。因此，曲面邊界層具有不同于平面邊界層的特征，即存在邊界層脫離和產(chǎn)生旋渦流動的現(xiàn)象。如圖，船的行駛，在后部產(chǎn)生了旋渦。曲面邊界層

72本章小結(jié)73第二章熱量的傳輸基本概念傳熱：由于溫度差引起的熱量轉(zhuǎn)移過程統(tǒng)稱為傳熱。研究不同的物體間，或同一物體的不同部位間存在溫度差時，其間的熱量傳遞的規(guī)律。

傳熱的三種基本方式：導(dǎo)熱、對流、輻射。74

1.

溫度場物體溫度隨空間坐標(biāo)的分布和隨時間而變化的規(guī)律。

溫度場是連續(xù)函數(shù)75討論：

762、等溫面

77等溫線特點(diǎn)：

783、溫度梯度

79804、熱流量與熱通量

81當(dāng)流體流過與其溫度不同的壁面時，流體與壁面之間發(fā)生熱量傳輸。溫度邊界層也稱熱邊界層：壁面溫度tw變化到主流溫度tf這一流體薄層稱為熱邊界層。5.熱邊界層8283熱邊界層的特點(diǎn)：8485第三章質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?61.質(zhì)量傳輸?shù)姆绞?72．濃度場和傳質(zhì)的兩種狀態(tài)

88893．濃度梯度

904、濃度邊界層

IIICfCiCwYXCδc質(zhì)量邊界層的定義：流體流過固體（或流體）表面并與其進(jìn)行傳質(zhì)過程時，靠近表面存在濃度梯度的一薄層，稱為質(zhì)量邊界層