冶金传输原理(武汉科技大学)全套课件.ppt

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2,2023/4/29,第一篇动量的传输,概述冶金过程：

是物理化学过程、动量、热量、质量传输过程的组合过程。

传输理论的基础：

质量守恒定律；动量守恒定律；能量守恒定律。

研究的目的：

研究速率过程（动量、热量、质量）本学科的现状与发展,3,2023/4/29,工程单位制；基本单位：

长度，时间，力一单位制：

国际单位制；基本单位：

长度，时间，质量工程单位制规定：

质量为1kg的物体在标准重力加速度处所受的引力为1kg力。

缺点g随地点的不同而异，力不能作为基本单位，且kgKgf是不同的概念。

国际单位制：

基本单位：

米（m）公斤（kg）秒（s）度（）（K）导出单位：

力牛顿（1N=1kgm/S）能量焦耳（1J=1kg/S）压力（强）帕斯卡（Pa=N/）功率瓦（W=J/s）,4,2023/4/29,二单位换算：

力:

1kgf=9.807N1N=0.102kgf压力（强）:

1atm=1.01325105Pa1atm=760mmHg=10332mmH2O1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807104Pa1mmH2O=1kgf/=9.8Pa能量:

1kJ=0.239kcal1kcal=4.187kJ1w=1J/s=0.86kcal/h1kcal/h=1.163w,5,2023/4/29,第一章动量传输的基本概念,1、流体的定义:

流体的密度,在剪切应力的作用下会发生连续的变形的物质。

V从宏观上看应足够小，而从微观上看应足够大。

1、1流体及连续介质模型,6,2023/4/29,流体及连续介质模型,流体的密度,对于均质流体,7,2023/4/29,流体及连续介质模型,只有当流体是连续介质时，流体的一切物理属性均可以看作是坐标和时间的连续函数。

可以用微积分来处理问题。

即密度的倒数。

流体的比容,1、2流体的主要物理性质流体的密度,8,2023/4/29,流体的基本性质,流体的重度：

对于气体可以当作理想气体来处理，即气体满足理想气体状态方程。

R0：

普适气体常数，工程单位制中：

国际单位制,=g,9,2023/4/29,流体的基本性质,1、2、2流体的压缩性1、等温压缩对于液体而言，由于p很小，一般不记其压缩性。

注意压缩性是一相对的概念体积压缩系数其倒数为体积弹性模数,10,2023/4/29,流体的基本性质,对于气体：

1、等温时（T1=T2）2、等压时（P1=P2）,=1/273,11,2023/4/29,流体的基本性质,当气体的压力不太高（10kPa）,或速度不太高（70m/s）时，可认为是不可压缩的。

3、绝热时当气体没有摩擦，又没有热交换时，可认为是绝热可逆过程：

单原子气体k=1.6；双原子气体k=1.4（如氧气、空气）；多原子气体k=1.3（如过热蒸汽）；干饱和蒸汽k=1.135,K:

气体的绝热指数K=Cp/Cv绝热指数仅与气体的分子结构有关,12,2023/4/29,1、3流体的粘性,实验一：

当=0时，将一条色线穿透水射向平板，是一条直线（兰色），当0时，u水0色线变得弯曲起来（红线），可以看到无论来流的速度是多少，这条色线总是粘附在固体壁面上。

这种边界叫无滑移边界（条件）,13,2023/4/29,流体的粘性,实验二两平行平板，中间充满流体，平板的面积为A，其间的流体均匀，高为H。

且HA叫无限大平板,固定,14,2023/4/29,流体的粘性,将下面的一块平板作匀速直线运动，连续测定使这块平板作匀速直线运动所需的力。

实验测得稳定后F=Const。

实验结果：

10与F不变时，FA2A=Const时：

Fo/H（唯一的单增函数）结果的表达式为：

yx下标：

x为运动方向；y为在该方向上有速度梯度式中：

流体的动力粘度系数，其单位为PaS1PaS=1NS/=1Kg/ms,15,2023/4/29,1.3.2牛顿粘性定律a.正负号的意义，由于粘性应力的方向与流动方向平行，则yx与dvx/dy的方向无关（梯度是矢量）粘性应力是一对大小相等，方向相反的力。

亦是一矢量，正负号表示力的方向。

同时也可表为粘性动量通量。

流体的粘性,16,2023/4/29,流体的粘性,b.粘性动量通量：

通过单位面积在单位时间内传递的动量。

运动粘性系数，单位：

m2/s粘性动量通量的大小与动量梯度成正比方向：

总是从高速流层传向低速流层。

既粘性动量的传递方向指向速度梯度的负值方向。

使得计算结果中，粘性动量通量总是大于等于零。

即：

粘性动量通量,17,2023/4/29,1.3.4牛顿流体与非牛顿流体,牛顿流体：

满足牛顿粘性定律的流体。

两个含义：

1、当速度梯度为零时，粘性力为零。

2、粘性力与速度梯度呈线性关系。

非牛顿流体：

凡不满足牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿流体。

1滨海姆流体,18,2023/4/29,牛顿流体与非牛顿流体,当时，不符合第一个条件，如：

沙浆，矿浆等2屈服塑张流体：

其特征为两个条件均不满足3似塑性流体：

注意：

我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。

图1-4牛顿流体与非牛顿流体,19,2023/4/29,1.3.5粘性流体与理想流体,实际流体都是具有粘性的，都是粘性流体。

不具有粘性的流体称为理想流体，这是客观世界上并不存在的一种假想流体。

（1）在静止流体和速度均匀、直线运动的流体中，流体的粘性表现不出来。

（2）在许多场合下，想求得粘性流体的精确解是很困难的。

可以先不计粘性的影响，使问题的分析大为简化，从而有利于掌握流体流动的基本规律。

至于粘性的影响则可通过试验加以修正。

20,2023/4/29,1.4作用在流体上的力,1.4.1表面力如法向力（压力），切向力（粘性力）表面力的大小与其表面积的大小呈正比，是作用在表面上的力。

体积力（质量力）如重力、惯性力、电磁力等质量力的大小与其质量的大小呈正比，它可以远距离作用在流体内部的每一个质点上。

故称远程力。

21,2023/4/29,1.4.3流体的静压力及其特点：

1.流体静压力的作用方向与作用面垂直，并由外向内指向作用面。

用反证法来证明假定移去如图所示的一团流体的上部后作用力F的方向不垂直于作用面A，则F可分解为法向力和切向力，而由于切向力的存在这团流体就不会保持平衡而产生流动，所以，F必然是法向力。

F,Fn,F,22,2023/4/29,流体的静压力及其特点：

2.流体中任意点上的静压力在各方向上均相等而与方向无关。

证明：

在静止的流体中取一无限小的三角形，（如图所示）它包含有P点。

三角体的厚度取单位厚度，现分析其受力的情况，先考虑X方向的力：

dz=1,23,2023/4/29,流体的静压力及其特点：

X方向的受力：

流体受力有：

压力P和重力gx和gy流体是静止的Fx=0即：

又dxdy是高阶无穷小可不计Px=P同理可证Py=P依据静压的第二个特性：

当需要测量流体中某一点的压力时，可不必选择方向，只需在该点确定的位置上进行测量即可。

24,2023/4/29,压力的单位,除了用Pa外，还常用大气压力、毫米汞柱、毫米水柱、工程大气压等。

1物理大气压（atm）=760mmHg=10332mmH2O=101325Pa1工程大气压（at）=1kgf/cm2=98066.5Pa=0.986物理大气压（atm）=10000mmH2O1mmH2O=9.81Pa;1mmHg=133.32Pa,25,2023/4/29,1.5表面张力,1.5.1表面张力水滴悬挂在墙上或水龙头出口上，水银在平滑表面上呈球形滚动等现象，这些现象表明液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收缩趋势的力称为表面张力。

将单位长度上所受到的这种拉力定义为表面张力，以表示，它的单位是N/m。

1.5.2毛细现象当把直径很小两端开口的细管插入液体中时，表面张力的作用将使管内液体出现升高或下降的现象，我们称之为毛细现象。

这种足以形成毛细现象的细管称为毛细管。

26,2023/4/29,六、体系与控制体体系（系统）：

一些具有特性固定不变的物质的集合控制体：

大小、形状、位置不随时间而变化的流动区域三大守恒定律在在研究区域内描述质量守恒定律：

体系：

体系内质量随时间的增加率=0控制体：

控制体内质量随时间的增加率=单位时间流入控制体质量的速率-单位时间流出控制体质量的速率或表为：

控制体内质量随时间的增加率+单位时间净输出控制体质量的速率=0,27,2023/4/29,2.1流体运动的描述流体运动的全部范围称为流场，即无数个流体质点或微团运动所构成的空间。

流场速度场：

（在直角坐标系中）注意维数，稳定和非稳定流场。

V=f（x，y，z，）Vx=f（x，y，z，）Vy=f（x，y，z，）Vz=f（x，y，z，）Vy=f（x，）Vz=f（x，y，z，）Vz=f（x）,第二章动量传输的微分方程,28,2023/4/29,压力场P=f（x，y，z，）P=f（x，y，）密度场=f（x，y，z，）=f（x，）2.1.1研究流体运动的两种方法1.拉格朗日法以质点为研究对象,研究整个流体的运动着眼于弄清各个流体运动的轨迹,以弄清全流体的情况为拉格朗日的研究方法,在固体力学上是一种很有用的方法,在流体中研究波涛轨迹等用得较多。

2.欧拉法:

从分析空间某点上流体运动的物理量随时间的变化，以及由一点到另一点时这些量的变化来研究整个流体的运动。

既描写场内不同空间点的流动参数随时间的变化。

29,2023/4/29,2、1、2稳定流动与非稳定流动据流场中各参数是否随时间的变化，可将流场分为稳定和不稳定流场。

依据/是否为零来判断，为所有流动参数。

如：

流速、压力、密度当/=0为稳定流动；否则为不稳定流动,（a）,（b）,30,2023/4/29,2、1、3迹线和流线、流束和流管,迹线：

某一流体质点在空间运动时所走过的轨迹特点：

每一个质点都有一个运动的轨迹即为迹线的微分方程。

流线：

某一瞬间流场空间的一条曲线，在曲线上任一流体质点的运动速度方向与该点的切线方向重合。

31,2023/4/29,流线的性质：

通过流场内的任何空间点，都有一条流线，在整个空间中就有一组曲线族，亦称流线族流线是不能相交的，即某一瞬间通过任一空间上，只能有一条流线（反证）在不稳定流动下，流线与迹线不重合,32,2023/4/29,三、流管.流束及流量流线只能表示流场中质点的流动参数,但不能表明流过的流体数量。

为此引入流管、流束概念通过微小流束的流体数量dQ=vdAm3/s通过流管的流量Q=AvdA工程中常用平均流速的概念,33,2023/4/29,对微元控制体,质量守恒可描述为:

在单位时间内：

输入控制体的质量-输出控制体的质量=控制体内质量的蓄积,2、2连续性方程,X,y,z,dx,dy,dz,0,34,2023/4/29,X方向净输入的质量Y方向净输入的质量Z方向净输入的质量,35,2023/4/29,对于稳定流动有：

或表示为：

36,2023/4/29,2.2.2一维总流的连续性方程2.2.3圆柱坐标系和球坐标系的连续性方程此即圆柱坐标系的连续性方程。

对于不可压缩流体，其连续性方程为对于球坐标系，流体流动的连续性方程为,37,2023/4/29,2、3理想流体运动方程欧拉方程,控制体动量守恒作用于控制体的诸力之和+输入控制体的动量速率-输出控制体的动量速率=控制体内累积的动量速率欧拉方程:

x方向的欧拉方程,作用于控制体的力为:

压力、重力,y,x,38,2023/4/29,输入输出控制体的x方向动量的速率:

39,2023/4/29,可得理想流体的运动方程-欧拉方程：

对不可压缩流体有：

40,2023/4/29,3.7实际流体运动方程纳维-斯托克斯方程,N-s方程实际流体有粘性,作用在微团上应力比理想流体多，由于粘性而引起的附加法向力（由于剪切变形而引起的）及切向应力：

41,2023/4/29,推导方法同欧拉方程一样，即对微元控制体作动量的衡算，注意在推导的过程中须加上粘性力项。

粘性力在x方向投影为负的项粘性力在x方向投影为正的项其他同欧拉方程一样，对于不可压缩流体，NS方程的形势为：

42,2023/4/29,上式即为X方向的NS方程，式左为速度的随体导数。

即：

同理可得Y方向和Z轴向的NS方程为：

43,2023/4/29,2.N-s方程的应用,44,2023/4/29,则依条件转化为：

45,2023/4/29,46,2023/4/29,47,2023/4/29,2.5理想流体和实际流体的伯努利方程:

2.5.1理想流体的伯努利方程,48,2023/4/29,49,2023/4/29,毕托管测流速:

50,2023/4/29,2.5.2实际流体的伯努利方程,51,2023/4/29,例设不可压缩流体在管内作稳定流动，说明以下几种情况的能量转换特征。

（1）粘性流体，水平直管A1=A2,1=2v1=v2Z1=Z2P1=P2+h失P1-P2=h失P净h失

（2）理想流体，变截面水平管流z1=z2h失=0h动h静反之静动,P1v1A1,P2v2A2,1,2,P1v1A1,1,1,2,2,52,2023/4/29,（3）理想流体，一定倾斜度的变截面管流,53,2023/4/29,54,2023/4/29,例：

设一喷嘴垂直向上喷水，已知水的喷出平均速度v1=15m/s,喷嘴直径d=0.05m.假设水流不受影响无阻损，并保持圆截面，试求在距喷口高度H=8m处的水流平均速度及截面直径。

z2,z1,H,v1d1,v2d2,55,2023/4/29,2.5.5热气体管道流动的伯努利方程,例：

若地面上的大气压力为10332毫米水柱，问在高出地面100米的水平面上大气压力是多少？

（设空气密度为定值）,56,2023/4/29,可导的1-2截面间热气体管内流动的伯努利方程：

57,2023/4/29,例:

高温气体沿断面变化,管道内等温流动.已知截面处P表1=50毫米水柱，v1=10m/s；：

v2=15m/s；截面间能量损失h失=10毫米水柱，高度差为1m；气=0.3kg/m3，空=1.2kg/m3，求截面处的表压P表2=?

解：

选截面为基准面，列出-截面的柏努利方程,58,2023/4/29,2.6伯努利方程的应用,2.6.1应用条件1）流体运动必须是稳定流动。

2）所取的有效断面必须符合缓变流条件；但两个断面间的流动可以是缓变流动，也可以是急变流动。

3）流体运动沿程流量不变。

对于有分支流（或汇流）的情况，可按总能量的守恒和转化规律列出能量方程。

4）在所讨论的两有效断面间必须没有流量的输入或输出。

59,2023/4/29,第三章层流流动与湍流流动,3.1流体运动的两种状态3.1.1雷诺试验层流:

质点作有规则的流动,运动中质点之间互不混杂,互不干扰湍流:

质点运动是非常混乱.结论:

vc:

平均临界速度（湍层）vc:

上临界速度（层湍,且vcvc,60,2023/4/29,则层流:

ReRec过渡区:

RecReRec可能为层流或湍流,但都不稳定,在此范围内改变,实验表明,判断流动状态可用一无因次数群（Re）为准则Vc受d,v因素影响,三者相互影响,制约故,61,2023/4/29,Re2300为湍流。

注意:

对不同形状的物体绕流问题,雷诺数中的定性尺度是不一样的.如平板是长度L,圆球是直径d,任意形状截面是当量直径d.当量直径d=4截面积/周长,62,2023/4/29,3.1.2层流流动,1.微元体分析法在管内取一微元控制体:

r（r1-r2）高:

L圆柱形微元控制体,tw2,管道中充分发展的层流流动,63,2023/4/29,64,2023/4/29,依动量定理:

（稳定流动无动量的蓄积）作用的总力=净输出控制体的动量的增量,65,2023/4/29,66,2023/4/29,67,2023/4/29,分析此类问题可用两种方法：

1.微元体分析法2.N-s方程简化应用,68,2023/4/29,3.2.2圆管中的湍流流动,湍流脉动的特征:

69,2023/4/29,1.湍流附加切应力:

因脉动单位时间内流径dA的x方向动量:

dA,70,2023/4/29,即由于湍流运动而产生的动量传输在dA面上产生了一纵向作用力vxvydA,71,2023/4/29,湍流中的总摩擦应力=粘性切应力+附加切应力,72,2023/4/29,普朗特混合长半经验理论:

混合长度:

l,73,2023/4/29,湍流速度分布对流全长度的假定,74,2023/4/29,上式适用于湍流核心区壁面上y=0有vx-,与实际不符,依实验确定,指数分布式:

圆管:

坐标平移至r=R上,离平壁的局能力为y则y=R-r则有,x,75,2023/4/29,湍流,层流,圆管内速度分布,76,2023/4/29,3.3流动阻力与能量损失,由于流体的粘性，流体之间以及流体与固体壁面之间发生相对运动时必然产生摩擦阻力，从而消耗流体的机械能，造成流动中的能量损失。

3.3.1流动阻力的分类

（一）沿程阻力损失它是沿流动路程上由于各流体层之间的内摩擦而产生的流动阻力，因此也叫做摩擦阻力。

沿程阻力损失计算公式为：

（N/m2）,单位体积流体的沿程（摩擦）阻力损失；沿程阻力损失系数，它仅由确定；,77,2023/4/29,

（二）局部阻力损失在边壁尺寸急剧变化的流动区域，由于尾流区、旋涡等分离现象的出现，使局部流动区域出现较集中的阻力，这种阻力称为局部阻力。

局部阻力损失的计算公式为：

（N/m2）,式中：

单位体积流体的局部阻力损失；局部阻力损失系数。

78,2023/4/29,3.3.2沿程阻力损失系数的确定,1.管内层流摩阻2.管内湍流摩阻:

表面凸起高度（绝对粗糙度）,79,2023/4/29,紊流情况下的管内摩阻分三种情况

（1）b（层流底层厚度）,为湍流光滑管

（2）b粗糙度对流动造成的影响,称紊流粗糙管.（3）b=,80,2023/4/29,尼古拉兹用六根人工粗糙管做了摩擦阻力损失实验,尼古拉兹实验结果图,81,2023/4/29,a.湍流光滑管.（段）b.湍流粗糙度（）c.湍流光滑粗糙过渡区（）,82,2023/4/29,注意:

对非圆管,D为当量直径具体计算时,先判定属于哪个区（结合Re,来判断）在工程计算上,往往依经验选取砖砌管道=0.05金属光滑管道=0.025金属氧化管道=0.0350.04金属生锈管道=0.045,83,2023/4/29,3.3.3管流局部阻力损失,局部阻力:

由于流体流向,速度变化而引起的阻力损失管截面突然扩大的局部阻损列1-2的柏努利方程:

84,2023/4/29,85,2023/4/29,突然收缩,86,2023/4/29,3.4管路计算,1串联管路计算:

87,2023/4/29,例：

水自水面上表压力P表1=19600Pa的水箱A经串联管路流向敞开的容器B,试确定水的流量。

解：

取12平面建立伯努利方程v1=v2=0,H1=10mH2=2mH3=1md=0.1mD=0.2mR=0.1m,88,2023/4/29,89,2023/4/29,2.并联管路的计算,并联管道,90,2023/4/29,第四章边界层流动,实验:

在水口风柱筒中水平放置一块平板,待流动达到稳定状态后,用皮托管测定近壁面处的速度分布线可发现在壁面上流动的速度为零无滑脱边界条件.（y=0,vx=0）随距壁面距离的增加,流体速度迅速增大,而在距壁面不远的（x）处,流体的速度趋于与来流速度vx相等,称此受固体壁面的影响速度急骤变化的区域0y（x）为边界层.（x）为边界层厚度,是x的函数规定vx=0.99v时的y=（x）,为边界层厚度.（严格要求vx=v可能达很远,且不易确定,4.1边界层概念4.1.1边界层的定义,91,2023/4/29,依边界层的概念切应力的影响只限于边界层内.解释:

（x）与物体尺寸相比,一般是很薄的,只是紧靠物体边界的薄层,故称其为边界层,但边界层内速度梯度却很大。

92,2023/4/29,边界层理论的物理意义：

把绕流物体流动分为两个部分，即边界层的流动和势流流动，主流区流动未受到固体壁面的影响，不发生切变，故这种无切变，不可压缩流体的流动称为势流。

4.1.2边界层的流态层流边界层：

开始进入表面的一段距离，较小，流体的扰动不够发展，粘性力起主导作用。

93,2023/4/29,过渡区：

随x的增大，也增大，惯性力作用上升，层湍转变为过渡区湍流边界层：

靠近平板表面，粘性力仍处于主导地位（y=0,vx=0）有一定厚度的层流表层在湍流边界层内，距离面板远处的流体，虽流速略小于vx,但已变得较大，并为湍流，称其为湍流核心区。

在层流底层与湍流核心区之间存在一缓冲区即：

沿y方向上可分为三个区：

层流底层，缓冲区，湍流核心区。

94,2023/4/29,4.1.3管流边界层:

95,2023/4/29,4.2边界层的微分方程式,4.2.1微分方程的建立,96,2023/4/29,4.2.2微分方程的解:

97,2023/4/29,98,2023/4/29,99,2023/4/29,4.3边界层积分方程,层流:

无压力梯度动量定律:

净输出控制体动量速率=作用于控制体的合外力,100,2023/4/29,101,2023/4/29,102,2023/4/29,103,2023/4/29,104,2023/4/29,4.4平板绕流摩阻计算,105,2023/4/29,4.5边界层脱离现象,一边界层的脱离和漩涡形成的原因当流体绕物体流动时，常会发生边界层的脱离，而形成回流区，以流体绕圆柱体流动为例，来说明该现象。

当流体流经如图所示的圆柱表面时形成如图所示的附面层，（图中虚线）A点的速度为零叫滞点，从A点到B点，由于截面的减小，则流速增加，压力减小，从B点到C点，截面增加速度减小，压力增加，因而曲面边界层的特点是在x方向有压力梯度。

而正是这个压力梯度使得边界层发生脱离和漩涡产生。

在B点以前，由于流体是增速减压流动，p/x0,即势流为减速增压流动，且由于边界层,B,C,D,E,106,2023/4/29,内粘性力的作用使得层内流体速度减慢，因得不到势流的能量的补充，于是，在壁面某处流速为零。

此处的压强又小于下游，则下游的流体质点在压力梯度的作用下，向该点流动形成回流，同时，上游的流体质点又不断向此处流来，使得该处流体越聚越多，由于回流的作用而将流体质点挤向主流，从而使边界层脱离壁面，这种现象即为边界层的脱离，边界层脱离壁面后就形成了大大小小漩涡，向下游流去。

如图中的D点即为脱离点。

脱离点的压力梯度为零。

107,2023/4/29,第五章射流,凡火焰炉均涉及到射流的问题。

当流体由喷嘴喷射到一个足够大的空间时，流股由于脱离了原限制环境，而在空间中继续流动扩散，这种流动叫射流。

这里主要讨论自由射流和限制射流。

5.1自由射流形成的条件：

1周围的介质为静止介质，且物理性质与喷出的介质完全相同。

2流股在整个流动过程中不受任何液面或固体壁面的限制。

108,2023/4/29,5.1.1自由射流的结构：

射流的结构如图所示：

109,2023/4/29,初段的射流的结构沿径向可分为外边界、内边界、射流边界层。

外边界：

射流流股与环境介质之间的界面。

界面上的气体分子具有运动的趋势，速度为零。

内边界：

指喷出的气体的速度仍为喷出速度V0的的气体与已在运动着的、速度小于V0的气体的分界面。

射流边界层：

内边界和外边界之间的区域。

射流边界层是向两边扩展；一是向外扩展，引射更多的静止气体进入边界层；一是向内扩展，与保持速度为初始速度的区域（射流核心区）进行动量和质量的交换，使该区逐渐的减小。

110,2023/4/29,沿X方向可将射流分为两段：

初始段和主段初始段：

即射流中心速度仍为初始速度的区段，长度大约是喷管直径的6倍。

（即射流核心区和射流边界层）主段：

即中心速度逐渐减小的区域（射流边界层区）转折截面：

由始段向主段转变的截面。

其特点是只有中心一点的速度为初始速度。

二.射流