冶金傳輸原理課程教學(xué)大綱匯編

1、冶金傳輸原理課程教學(xué)大綱課程名稱 ：冶金 傳輸原理英文名稱 ： Principles of Transport Phenomena in Metallurgy 課程代碼： MPRC3019 課程類別： 專業(yè)教學(xué)課程；授課對象： 材料成型與控制工程專業(yè)；開課學(xué)期： 第6學(xué)期；學(xué)分： 2.0學(xué)分；學(xué) 時： 36學(xué)時；主講教師： 許繼芳；指定教材： 吳鏗, 冶金傳輸原理（第 2版）, 冶金工業(yè)出版社 , 2016； 先修課程： 高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、材料科學(xué)基礎(chǔ)等 考試形式及成績評定方式： 閉卷成績 60%，平時成績 40%一、教學(xué)目的傳輸原理是 材料成型與控制工程 專業(yè)的一門專業(yè)主干基礎(chǔ)課，闡述了冶

2、金過程中的流體流 動，動量、熱量、質(zhì)量傳輸?shù)幕驹砑捌鋫鬟f的速率關(guān)系，是冶金動力學(xué)過程的主要內(nèi)容。動 量、熱量、質(zhì)量傳遞有類似的機理和關(guān)系，也具有相互的關(guān)聯(lián)和作用。分析冶金過程中三傳問題 及其基本的計算方法。通過學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握動量、熱量、質(zhì)量傳輸?shù)幕驹?，深入?解冶金過程中各種傳輸現(xiàn)象， 以及各種因素對傳輸過程的影響， 為今后從事專業(yè)技術(shù)開發(fā)， 提高 控制和設(shè)計水平打下堅實的基礎(chǔ)。二、課程內(nèi)容第一章 傳輸原理中流體的基本概念主要內(nèi)容： 主要介紹流體的基本概念。從物理與數(shù)學(xué)的角度介紹流體的模型，給出流體的 基本性質(zhì)與分類，并對流體力學(xué)的分析方法進行介紹。本章重點： 流體力學(xué)的主要任

3、務(wù)和研究內(nèi)容。流體的定義和特點；流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)； 流體的密度和重度；流體的相對密度；流體的比容。流體的壓縮性和膨脹性；可壓縮流體和不可 壓縮流體。黏性的定義；牛頓內(nèi)摩擦定律；黏度的表達式；影響?zhàn)ざ鹊囊蛩?；黏性流體和理想流 體，牛頓流體和非牛頓流體。表面力和質(zhì)量力；體系和控制容積；量綱和單位。學(xué)習(xí)要求： 本節(jié)都是一些基本概念，需熟練掌握。流體的定義、特點、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)必須 理解，對流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的原因有大致了解。第二章 控制體法 （積分方程 ）主要內(nèi)容： 依據(jù)質(zhì)量、動量與能量守恒定律，建立流體的質(zhì)量、動量與能量守恒積分式， 并將其結(jié)果應(yīng)用到重力作用下流體平衡基本方程。本章重點： 質(zhì)量平衡積

4、分方程；動量平衡積分方程；能量平衡積分方程學(xué)習(xí)要求： 了解質(zhì)量平衡積分方程、動量平衡積分方程和能量平衡積分方程的推導(dǎo)過程， 通學(xué)習(xí)本節(jié)的例題能平衡積分方程進行一些簡單的計算。第三章 描述流體運動的方法主要內(nèi)容： 在介紹流體運動狀態(tài)的基礎(chǔ)上，給出描述流體運動的基本方法：拉格朗日法與 歐拉法；同時介紹定常流、跡線、流線、流管、流量等一系列概念。本章重點： 層流狀態(tài)；紊流狀態(tài)；雷諾數(shù)；卡門渦街。拉格朗日法描述流體流動；歐拉法 描述流體流動；拉格朗日法和歐拉法的區(qū)別和聯(lián)系。質(zhì)點導(dǎo)數(shù)。以速度為例，掌握拉格朗日法和 歐拉法的轉(zhuǎn)換。定常流動和非定常流動；均勻流動和非均勻流動；平面流和軸對稱流；跡線；流 線；

5、流管和流束，流量。學(xué)習(xí)要求： 通過計算雷諾數(shù)來判別層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)。深刻理解描述流體運動的這兩種 方法。 掌握質(zhì)點導(dǎo)數(shù)的含義及拉格朗日法和歐拉法下的質(zhì)點導(dǎo)數(shù)。 通過學(xué)習(xí)本節(jié)的例題能對一些 簡單的情況進行轉(zhuǎn)換。 本節(jié)的基本概論容易混淆， 要熟練地理解和掌握， 并能對一些簡單的情況 進行計算。第四章 動量傳輸微分方程主要內(nèi)容： 在介紹連續(xù)性微分方程的基礎(chǔ)上，對理想流體與實際流體建立了動量守恒微分 方程，進而給出伯努利方程，討論伯努利方程在實際中的應(yīng)用。本章重點： 連續(xù)性微分方程；歐拉方程；伯努利方程及其物理意義；不可壓縮實際流體的 運動微分方程。學(xué)習(xí)要求： 了解連續(xù)性微分方程的推導(dǎo)過程，記憶連續(xù)

6、性微分方程的公式，通過連續(xù)性微 分方程對一些實際情況進行判定。 了解歐拉方程的推導(dǎo)過程， 準確記憶歐拉方程。 伯努利方程是 本章的重中之重，必須熟練掌握。掌握文丘里管、畢托管的原理，并能進行計算。熟練掌握納維 斯托克斯方程， 以及納維 斯托克斯方程在柱坐標(biāo)系中的形式，并能就一些簡單的情況進行計第五章 管道中的流動主要內(nèi)容： 對管道中的流體流動狀態(tài)進行分析，給出湍流的描述方式，特別介紹了普朗特 混合長度理論； 同時介紹了管道中的流體力學(xué)參數(shù)計算； 較詳細地討論在冶金過程中經(jīng)常使用的 歐根公式和管路能量損失的計算。本章重點： 圓管中層流流動的速度分布；流量及平均流速；阻力及阻力系數(shù)。臨界雷諾數(shù)；

7、充分發(fā)展流；湍流的描述；幾種典型的湍流；湍流的切應(yīng)力。普朗特混合長度理論。層流底層； 湍流核心區(qū)；過渡層區(qū)；指數(shù)定律。水力光滑和水力粗糙；摩擦阻力系數(shù)；尼古拉茲實驗曲線； 莫迪圖?？ㄩT公式；歐根公式。三類管路計算問題。學(xué)習(xí)要求： 掌握圓管中層流流動的速度分布、流量及平均流速、阻力及阻力系數(shù)，會計算 圓管流動的雷諾數(shù)和一些基本地物理量。 了解普朗特混合長理論的內(nèi)容。 掌握圓管內(nèi)湍流各個層 區(qū)的速度分布，運用指數(shù)定律求管道平均流速和流量。掌握水力光滑、光滑管、水力粗糙、粗糙 管等概念，能夠查圖進行計算。給定管路尺寸和流量，確定流經(jīng)管路的壓降或流動能量損失，選 擇動力頭； 給定管路尺寸和允許的壓力降

8、 (即已知動力頭 )，確定流量； 根據(jù)給定的流量和壓力降， 設(shè)計管路的尺寸，主要是確定管徑。第六章 邊界層理論主要內(nèi)容： 介紹邊界層的概念，以及邊界層內(nèi)的動量微分方程；為了深入分析，分別介紹 邊界層方程邊界層內(nèi)的微分方程和馮卡門動量積分方程。本章重點：邊界層理論；邊界層的厚度；邊界層的狀態(tài)和特點。微分方程的簡化；平板層流邊界層的布拉修斯(Blasius)解；布拉修斯解的作用。馮卡門動量積分方程。學(xué)習(xí)要求： 熟練掌握邊界層理論的內(nèi)容，會計算雷諾數(shù)，了解邊界層的狀態(tài)和特點。了解 普朗特邊界層微分方程和平板層流邊界層的布拉修斯 (Blasius) 解的形式，會運用布拉休斯解。了 解馮卡門動量積分方程

9、的推導(dǎo)，知道馮卡門動量積分方程的形式，會在層流及湍流情形下應(yīng)用馮卡門動量積分方程。第七章 相似原理和模型研究方法主要內(nèi)容：介紹相似原理的概念與思想，以及特征數(shù)的推導(dǎo)方法，并對量綱和諧原理、白金漢定理和模型研究方法及自?；茸隽私榻B；通過白金漢定理討論細顆粒在流體中的阻力本章重點：相似性質(zhì)和相似條件；流動的力學(xué)相似。特征數(shù)的導(dǎo)出；特征數(shù)的物理意義；特征數(shù)的轉(zhuǎn)換。量綱的基本概念；量綱和諧原理；n定理或白金漢(Buckingham)定理；n定理的應(yīng)用。近似?；?；流體流動的穩(wěn)定性；自?；?；模型實驗的數(shù)據(jù)處理。學(xué)習(xí)要求： 對相似的概念有個基本的了解即可。了解特征數(shù)是怎么樣導(dǎo)出來的，掌握特征 數(shù)的物理意

10、義， 熟練掌握特征數(shù)的轉(zhuǎn)換。 基本概念需精確記憶， 通過學(xué)習(xí)例題能運用量綱分析計 算一些簡單情況下的物理量。熟練掌握近似?；?。第八章 熱量傳輸?shù)幕痉绞街饕獌?nèi)容：介紹導(dǎo)熱、對流和輻射這三種傳熱方式的基本規(guī)律，以及組合傳熱的概念；討論不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)本章重點： 導(dǎo)熱定義； Fourier 定律。對流定義；牛頓冷卻公式。輻射定義；輻射力；黑體； Stefan-Boltzmann 定律；輻射換熱；輻射換熱特點。組合傳熱。學(xué)習(xí)要求： 熟練掌握 Fourier 定律，能說出導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義，會計算一些簡單的導(dǎo)熱問 題。理解對流對流的定義，準確記憶牛頓冷卻公式?；径x熟練掌握，Stefan-Bol

11、tzmann 定律精確記憶。會計算組合傳熱。第九章 導(dǎo)熱微分方程主要內(nèi)容：推導(dǎo)導(dǎo)熱微分方程，介紹導(dǎo)溫系數(shù)和定解條件等概念。本章重點：導(dǎo)熱微分方程式。導(dǎo)溫系數(shù)。柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系的導(dǎo)熱微分方程。幾何條件；物理條件；邊界條件；初始條件學(xué)習(xí)要求：理解導(dǎo)熱微分方程式的推導(dǎo)過程。掌握導(dǎo)溫系數(shù)的含義。掌握柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系的導(dǎo)熱微分方程的形式。能寫出導(dǎo)熱過程邊界條件和初始條件第十章 一維穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱主要內(nèi)容： 給出各種情況下一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的微分方程解，引入熱阻概念，介紹臨界絕熱層 直徑的計算方法；討論非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的概念，對薄材給出非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程的解，介紹其 他典型的定解條件下非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；還對導(dǎo)熱問題的數(shù)值

12、解法做了簡要介紹。本章重點： 第一類邊界條件：表面溫度為常數(shù)；第三類邊界條件周圍介質(zhì)為常數(shù)。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念；溫度場的主要特點；周期性的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱；非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的特點。薄材的概念； 薄材的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，集總參數(shù)法。有限厚物體的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。有限元法；有限差分法；需要 注意的一些問題。學(xué)習(xí)要求： 能解出平壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱在上述兩種邊界條件下的導(dǎo)熱微分方程。掌握通過 圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程在上述兩種邊界條件下解的形式， 會求臨界絕熱直徑。 掌握薄材 的概念， 會判定物體是否為薄材， 會處理薄材問題。 掌握半無限大物體的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱在第一 類邊界條件下導(dǎo)熱微分方程的形式， 并能就一些簡單的

13、情況進行計算。 有限厚物體的一維非穩(wěn)態(tài) 導(dǎo)熱微分方程的解比較復(fù)雜，有個大致的了解即可。第十一章 對流換熱的基本方程和分析解主要內(nèi)容： 在介紹對流換熱概念的基礎(chǔ)上，建立對流換熱微分方程組，并將其應(yīng)用到邊界 層內(nèi)；給出平板條件下的邊界層內(nèi)對流換熱的微分方程解，同時給出相應(yīng)的積分方程近似解。本章重點：對流換熱與熱對流的區(qū)別；對流換熱系數(shù)a換熱微分方程；熱量傳輸微分方程。溫度（熱）邊界層；邊界層對流換熱微分方程組。平板層流換熱的分析解；液體金屬流過平板時的 對流換熱。對流換熱邊界層積分方程近似解。學(xué)習(xí)要求： 準確記憶換熱微分方程，了解熱量傳輸微分方程的推導(dǎo)過程，掌握對流換熱微分方程組。 理解溫度邊界層

14、的含義， 掌握邊界層對流換熱的微分方程組。 掌握溫度邊界層的厚度、 局部的換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)的表達式。第十二章 對流傳熱的無量綱參數(shù)及其試驗關(guān)聯(lián)式主要內(nèi)容： 分別介紹強制對流換熱與自然對流換熱的特征數(shù)與關(guān)聯(lián)式。本章重點： 對流傳熱中的重要特征數(shù)，對流給熱量綱分析。管內(nèi)強制對流換熱，外部流動 的強制對流給熱。大空間自然對流換熱的實驗關(guān)聯(lián)式；有限空間自然對流換熱。學(xué)習(xí)要求： 掌握對流傳熱中的重要特征數(shù)，會運用對流給熱量綱分析。掌握常見的特征數(shù) 方程的表達形式，會計算換熱系數(shù)、溫度、對流換熱量。了解自然對流給熱及實驗關(guān)聯(lián)式。第十三章 熱輻射的基本定律主要內(nèi)容： 介紹熱輻射的基本定律，以及輻射力、輻射

15、強度、黑體、灰體、白體等概念； 還介紹了基爾霍夫定律。本章重點： 熱輻射的本質(zhì)和特點；輻射力和輻射強度；單色輻射力；定向輻射力；（定向 ）輻射強度。黑體模型的概念；普朗克定律；斯梯芬-玻爾茲曼定律；蘭貝特定律。輻射能的吸收、反射和透射；實際物體的輻射；輻射發(fā)射率（輻射率或黑度 ）；基爾霍夫定律；灰體。學(xué)習(xí)要求： 熟練掌握熱輻射的基本定律。第十四章 輻射換熱的計算主要內(nèi)容：針對各種物質(zhì)特性與幾何條件，介紹輻射換熱的計算方法；討論氣體輻射換熱。本章重點：黑體；角系數(shù)的定義；角系數(shù)性質(zhì)；角系數(shù)的確定方法。有效輻射；輻射表面熱阻；兩非凹灰體表面間的輻射換熱?；揪W(wǎng)絡(luò)單元；兩個面之間輻射換熱網(wǎng)絡(luò)；三個表

16、面間的 輻射換熱網(wǎng)絡(luò)。氣體輻射的特點；氣體的吸收定律；氣體的輻射率和吸收率；火焰輻射的概念。氣體與圍壁表面間的輻射換熱。學(xué)習(xí)要求： 理解黑體的含義，會計算黑體表面間的輻射換熱。理解有效輻射的含義，會計 算灰體表面間的輻射換熱。 通過學(xué)習(xí)輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)方法， 會求面與面之間的輻射換熱量。 掌握 氣體輻射的特點， 會計算氣體吸收定律、 氣體的輻射率和吸收率。 會計算氣體與圍壁表面間的輻 射換熱速率。第十五章 質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍钪饕獌?nèi)容 ：介紹分子 (原子 )擴散的基本概念與規(guī)律，以及對流傳質(zhì)公式；介紹穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)與非 穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)的概念。本章重點： 分子擴散傳質(zhì) (費克第一定律 ) 。氣體的分子擴散系數(shù)；

17、液體的分子擴散系數(shù)；固 體的分子 (原子 )擴散系數(shù)。對流流動傳質(zhì)。常用濃度單位；濃度場及濃度梯度。傳質(zhì)流密度。學(xué)習(xí)要求：熟練掌握費克第一定律。理解對流流動傳質(zhì)。掌握四種常用的濃度表示方法，理解濃度場及濃度梯度的概念。熟練掌握傳質(zhì)流密度表達式并能進行計算。第十六章 質(zhì)量傳輸?shù)奈⒎址匠讨饕獌?nèi)容：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立質(zhì)量傳輸?shù)奈⒎址匠?，給出相應(yīng)的定解條件，介紹模擬分子擴散的求解方法。本章重點： 質(zhì)量傳輸平衡方程式。幾何條件；初始條件；邊界條件；物性條件。模擬分子 擴散過程的步驟。學(xué)習(xí)要求 ：了解質(zhì)量傳輸平衡方程式的推導(dǎo)過程，掌握質(zhì)量傳輸平衡方程式的表達形式。 掌握邊界條件。掌握模擬分子擴散過程的

18、步驟。第十七章 分子擴散傳質(zhì)主要內(nèi)容： 根據(jù)擴散微分方程，求解不同幾何條件下的穩(wěn)態(tài)解，并對有化學(xué)反應(yīng)參與的擴 散傳質(zhì)問題建立數(shù)學(xué)模型；對幾種筒單情況下的非穩(wěn)態(tài)擴散方程進行求解。本章重點： 固體中的分子擴散；氣體中的分子擴散。一級化學(xué)反應(yīng)的變面積分子擴散，一 級化學(xué)反應(yīng)的恒定面積分子擴散。菲克第二定律；半無限大物體，表面濃度為常數(shù)；有限厚度， 介質(zhì)中擴散組分的濃度為常數(shù)；有限厚度，表面濃度為常數(shù)。學(xué)習(xí)要求： 掌握費克第一定律在固定坐標(biāo)空間的摩爾通量形式，并能就一些簡單的情況進 行計算。 掌握傳質(zhì)微分方程化簡以后的形式， 并能就一些簡單的模型進行計算。 掌握菲克第二定 律，了解各種情形下菲克第二定

19、律的解。第十八章 對流流動傳質(zhì)主要內(nèi)容： 介紹對流傳質(zhì)的基本方程；給出對流傳質(zhì)的重要參數(shù)，在層流下精確求解了邊 界層內(nèi)的擴散的微分方程和馮卡門動量積分方程。本章重點： 對流傳質(zhì)； 對流傳質(zhì)方程。 施密特 (Schmidt) 數(shù)；路易斯 (Lewis) 數(shù)；伍德 (Sherwood) 數(shù)。層流濃度邊界層的精確解。濃度邊界層的近似解。學(xué)習(xí)要求：理解對流傳質(zhì)的定義，熟記對流傳質(zhì)方程。了解施密特(Schmidt)數(shù)、路易斯(Lewis)數(shù)、伍德 (Sherwood) 數(shù)的由來， 熟記這些特征數(shù)的表達式。 理解層流濃度邊界層的精確解的過程。 掌握濃度邊界層的近似解。第十九章 對流動傳質(zhì)的特征數(shù)和試驗關(guān)聯(lián)式主要內(nèi)容：介紹對流傳質(zhì)的特征數(shù)與關(guān)聯(lián)式，并將其應(yīng)用到管道流、流化床、濕壁塔等實際情況；介紹對流傳質(zhì)模擬的概念與步驟。本章重點：強制對流傳質(zhì)；自然對流傳質(zhì)；試驗關(guān)聯(lián)式中的特征數(shù)。流體平行流過平板時的傳質(zhì)；流體流過球體時的傳質(zhì)；流體垂直流過單個圓柱時的傳質(zhì)。管道內(nèi)的湍流傳質(zhì)。流體流過填充床和流化床的傳質(zhì)。濕壁塔內(nèi)的傳質(zhì)。對流傳質(zhì)過程的模擬步驟