传输原理-第一章-传输原理中流体的基本概念课件

*,*,*,传输原理,江苏大学材料科学与工程学院,传输原理江苏大学材料科学与工程学院,冶金传输原理与冶金物理化学和金属材料学被称为钢铁冶金的三大重要的专业基础课；,冶金传输原理包括,动量传递、热量传递和质量传递三部分,组成；,物理学科的体系：普通物理学力学流体力学,(,动量传递,),、传热学,(,热量传递,),、传质,(,质量传递,);,进一步发展是不可逆过程热力学。,冶金传输原理与冶金物理化学和金属材料学被称为钢铁冶金的三大重,冶金生产中会涉及复杂的传输过程,冶金生产过程必然会涉及到以下现象：,流体的流动状态、速度和阻力,(,动量传输,),物料的加热过程和产品的冷却过程,(,传热传输,),渣、铁中物质扩散和迁移,(,传质传输,),在冶金生产中形成动量传输、热量传输和质量传输的原动力是什么？,分别是速度差、温度差和浓度差,冶金生产中会涉及复杂的传输过程冶金生产过程必然会涉及到以下现,为什么把“三传”放在一起讲,“,三传”具有共同的物理本质,都是物理过程；,“,三传,”,具有类似的表述方程和定律，它们讨论与时间变化的规律；,在实际冶金过程中往往包括有两种或两种以上传输现象，它们会相互影响。研究相互之间的影响是采用,不可逆过程热力学中,“,耦合,”,的原理来分析和讨论，而,“,三传,”,主要讨论单一的传递过程。,为什么把“三传”放在一起讲“三传”具有共同的物理本质都是,高炉炼铁学,炉内的气体流动和分布；,炉缸温度分布的计算；,炉渣脱硫效率；,含鉄炉料的还原机理；,煤气和煤粉的利用率；,球团的干燥过程；,竖炉内热量分布。,高炉炼铁学,炼钢学,顶吹氧的射流及对转炉热量分布的影响,炼钢过程有害元素的脱出和有益元素的保护,炼钢和精炼过程钢水的流动场,连铸过程二冷段的最佳冷却速度和温度分布,连铸过程钢水温度与浇铸速度的匹配,炼钢学,有色冶金学,不同电解槽内物质的扩散,熔炼炉熔锍的温度对泡沫渣的影响,金属及其化合物浸出或萃取的条件和浸出液、萃取剂的选择,有价元素提取、分离的限度，有毒、有害元素去除过程的反应机理,有色冶金学,学习的目的和方法,学习目的,扩大知识面，打好专业基础；培养独立思考和解决问题的能力；掌握传输原理的计算和分析问题的方法,学习方法,抓住每章重点,(,骨架和轮廓,),，主次分明，条理清楚；,对公式要注重使用条件和物理意义，了解数学的推导过程，重在理解公式的意义和应用；,注意章节的联系，知道来龙去脉，把新学到的概念、公式和已经掌握的知识有机的联系起来；,重视习题，记好笔记；,注重思想方法、解决问题的手段和逻辑推理。,学习的目的和方法 学习目的,教材,冶金传输原理，吴铿编冶金工业出版社,2011,目录,第一篇 动量传输 第二篇 热量传输 第三篇 质量传输,第一章 传输原理中流体的基本概念,第二章,控制体法,第三章,描述流体运动的方法,第四章,动量传输的微分方程,第五章,管道中的流动,第六章,边界层理论,第七章,可压缩气体的流动和射流简介,第八章,相似原理与量纲分析,第九章 热量传输的基本方式,第十章 导热微分方程,第十一章 一维稳态和非稳态导热,第十二章 对流换热的基本方程和分析解,第十三章 对流换热的特征数及其关联式,第十四章 热辐射的基本定律,第十五章 辐射换热计算,第十六章 质量传输的基本概念,第十七章 质量传输的微分方程,第十八章 分子扩散传质,第十九章 对流传质,第二十章 对流传质的特征数及其关联式,第二十一章 相际传质,第二十二章 传输现象的类比特性,第二十三章 传输现象的耦合特性,教材冶金传输原理，吴铿编冶金工业出版社 2011,参考书,冶金传输原理，张先棹主编,冶金工业出版社,1995,传递现象，,R.B.,博德，,W.E.,斯图沃特，,E.N.,莱特富特著，化学工业出版社,2004,冶金传输原理基础，沈颐身，李保卫，吴懋林，著 冶金工业出版社,2000,传热和传质基本原理，弗兰克,P,英克鲁佩勒，大卫,P,德维特等著 化学工业出版社,2007,流体力学，张亮，李云波编，哈尔滨工业大学出版社,2001,传热学，周筠清 编，冶金工业出版社,1999,参考书,11,第一篇,动量传输,11第一篇,12,流体的动量传递包含流体的运动以及产生运动的力。,根据牛顿第二定律，体系的受力等于其动量的时间变化率。,作用在流体上的压力和剪切力，均可认为是微观（分子）动量传递所致，因此，本篇既可以称为流体力学，也可以称为动量传输。,12 流体的动量传递包含流体的运动以及产生运动的力。,流体力学是力学的一个分支，属于宏观力学。它的主要任务是研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用。,以水为主要研究对象的力学称为水动力学,(Hydrodynamics),，以空气为主要研究对象的力学称为空气动力学,(Aerodynamics),；,水动力学和空气动力学两者结合起来统称为流体力学,(Fluid Mechanics),流体力学是力学的一个分支，属于宏观力学。它的主要任务是研究流,流体力学的发展演变过程经历了四个阶段。,(1),静力学,(Hydrostatics),：这一阶段以公元两千多年前阿基米德,(Archimedes),和帕斯卡,(Pascal),关于浮力和静水压力的研究为代表；,(2),理想流体力学,(Ideal Fluid Mechanics),：从,17,世纪开始一些卓越的数学家从数学角度出发不计流体的粘性、压缩性和表面张力研究流体的运动，形成了流体力学学科的雏形,理想流体力学,(Hydrodylics),，以柏努利,(Bernoulli),、欧拉,(Euler),和拉格朗日,(Largrange),的工作最具代表性，但忽略粘性；,流体力学的发展演变过程经历了四个阶段。,(3),流体动力学,(Fluid Dynamics),：这一阶段研究的特征是理论和实验相结合。,18,世纪突出的成就是由,Navier,、,Hargen,、,Poiseuille,、,Stokes,等人创立了粘性流体力学。进入,19,世纪主要依赖于实验，由,Reynolds,、,Froude,、,Rayleigh,等人创立了相似理论，奠定了实验流体力学的基础。自,20,世纪初,Plandtl,创立了边界层理论以及随着湍流理论的出现。,Plandtl,和,Von Karmann,也成为了近代流体力学的奠基人。我国著名的力学家周培源、钱学森和郭永怀等也先后在近代流体力学的发展中做出过重要的贡献。,(3)流体动力学(Fluid Dynamics)：这一阶段,(4),计算流体力学,(Computational Fluid Dynamics),：进入,20,世纪,60,年代，流体力学的一个新的分支,计算流体力学，简称,CFD,。解决实际工程问题的能力和取得的巨大成果，求解各类工程问题,CFD,商用计算软件，较流行的有,Fluent,、,CFX-4,，,Task-Flow,，,Phoenics,。,流体力学这一学科发展至今，不断派生出新的分支，但从研究手段上可划分为理论流体力学、实验流体力学和计算流体力学。这三大分支构成了流体力学的完整体系，他们相辅相成，推动着这一学科不断向前进步。,(4)计算流体力学(Computational Fluid,17,研究动量传输，掌握其内在规律，不仅对于认识自然现象，改进工程设备，优化工艺过程非常重要；而且因为热量和质量多在流动介质中传输，所以学习动量传输原理可为理解整体的传输理论打下基础。,学习动量传输有下列要求：,（1,）对基本概念和原理理解得十分准确和透彻；,（,2,）要学会应用流体力学（动量传输）理论的基本方法。,17 研究动量传输，掌握其内在规律，不仅对于认识自然现象，,18,第一章,传输原理中流体的基本概念,18第一章,19,1.1,流体及连续介质模型,1,、流体：,自然界中能够流动的物体，如液体和气体，一般统称为流体（,Fluid,）。,流动性：在微小剪切力作用下在足够大的时间内，流体的变形都不会停止，即会发生连续变形的特性；,流体包括液体和气体，液体流动性小于气体；,液体具有一定的体积，并取容器的形状；,气体充满任何容器，而无一定体积。,191.1流体及连续介质模型1、流体：自然界中能够流动的物体,传输原理-第一章-传输原理中流体的基本概念课件,21,2,、连续介质模型,微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。,宏观：,一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多。,定义：不考虑流体分子间的间隙，把,流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。,流体微团,(,又称流体质点,),必须具备的两个条件：必须包含足够多的分子和体积必须很小。,212、连续介质模型微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所,传输原理-第一章-传输原理中流体的基本概念课件,23,采用连续介质模型，流体的一切属性，如速度、密度、压强、温度、浓度等都可以看作是坐标和时间的连续函数，从而可以利用连续函数来进行传输理论的分析研究。,选择题,按连续介质的概念，流体质点是指,(?),A,流体的分子；,B,流体内的固体颗粒；,C,几何的点；,D,几何尺寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体。,23采用连续介质模型，流体的一切属性，如速度、密度、压强、温,24,1.2,流体的密度和重度,均质流体的密度,：,（,kg/m,3,）,非均质流体的密度：,（,kg/m,3,）,重度：,（,N/m,3,）,比容,：（,m,3,/kg,）,241.2流体的密度和重度均质流体的密度：,1.3,流体的压缩性和膨胀性,一、,流体的压缩性,流体体积随着压力的增大而缩小的性质；,压缩系数：单位压力增加所引起的体积相对变化量,p,。单位为,1/Pa,，其倒数为弹性模量,E,v,。,例题：求在常温下，将水的体积缩小,5/1000,时所需增加的压强。,解：由式弹性模量公式可得：,由附录表,查得在一个大气压，温度为,20,时水的弹性,1.3 流体的压缩性和膨胀性一、流体的压缩性例题：求在常温,模数为,2.1810,9,Pa,，依题意,-,V,/,V,=0.005,，将这些值代入上式得：,二、流体的膨胀性,流体体积随着温度的增大而增大的性质；,体胀系数：单位温度增加所,引起的体积相对变化量,V,。,一个大气压为,1.01310,5,Pa,，所以：,显然，在常温和常压下，将水的体积缩小,5/1000,，需要增加,107.6,大气压才能实现。,模数为2.18109Pa，依题意-V/V=0.005，将,三、,可压缩流体和不可压缩流体,不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体，及流体的密度为常数；,常数。,可压缩流体：考虑可压缩性的流体，即流体的密度不为常数；,常数。,三、可压缩流体和不可压缩流体,1.4,流体的黏性,一、,流体的粘性,粘性的定义：流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力,(,即粘性力,),的性质；,流体粘性表现在：流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度；,流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零,(,无滑移边界条件,),。,1.4 流体的黏性一、流体的粘性,牛顿平板实验,现象：,自上而下一层带动一层，运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动；运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层，层间有摩擦力，,当,h,和,不大时，两平板间沿,y,方向的流速呈线性分布,该力存在于流体内部，故称为内摩擦力,当,h,和,不是很大时，板受到的摩擦力近似为“每层”流体间的内摩擦力。,牛顿平板实验现象：该力存在于流体内部，故称为内摩擦力,牛顿内摩擦定律,(,或粘性定律,),牛顿于,1686,年提出，后经过试验证明，对于大多数流体,内摩擦定律可表述为：,处于相对运动的两层流体之间的内摩擦力,(,或切力,),F,，其大小与流体的物理性质有关，并与流速梯度,d,/,dy,和流层的接触面积,A,成正比，而与接触面上的压力无关；,其数学表达式为：,牛顿内摩擦定律(或粘性定律),二、,粘度的表达式,