材料冶金傳輸原理課件

材料冶金傳輸原理課件第一頁，共41頁。

§1課程簡介

§2“三傳”的內(nèi)在聯(lián)系和類似規(guī)律第一頁第二頁，共41頁。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課程簡介理論力學(xué)第二頁第三頁，共41頁。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(qiáng)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(shí)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?！?“三傳”的內(nèi)在聯(lián)系和類似規(guī)律第三頁第四頁，共41頁。①“三傳”具有共同的物理本質(zhì)——都是物理過程。②“三傳”具有類似的表述方程和定律。③在實(shí)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“三傳”放在一起講？第四頁第五頁，共41頁。“三傳”的類似性傳遞的方式分子擴(kuò)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(tuán)的宏觀運(yùn)動引起。第五頁第六頁，共41頁。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(diǎn)變化§1-4單位第六頁第七頁，共41頁。19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(yùn)動時不考慮黏性，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析流體的運(yùn)動規(guī)律。另一個是實(shí)驗(yàn)方法：不用數(shù)學(xué)理論而完全建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對流體運(yùn)動進(jìn)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(shí)驗(yàn)條件限制。這兩個分支的研究方法完全不同，這種理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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章概念和定義第七頁第八頁，共41頁。

路德維奇.普朗特（LudwigPrandtl）

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(jì)方法。普朗特的開創(chuàng)性工作，將19世紀(jì)末期的水力學(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。第八頁第九頁，共41頁。第一章概念和定義流體、運(yùn)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(yùn)動自身熱運(yùn)動流體團(tuán)宏觀運(yùn)動外力引起統(tǒng)計(jì)平均值第九頁第十頁，共41頁。流體微團(tuán)：具有流體宏觀特性的最小體積（即臨界體積△V*或△τ*）的流體團(tuán)。缺點(diǎn)：（1）

△V*雖然很小，但仍存有線尺度，不能與數(shù)學(xué)上點(diǎn)的概念相統(tǒng)一；（2）在流體運(yùn)動過程中微團(tuán)將變形。為了符合數(shù)學(xué)分析的需要，引入流體質(zhì)點(diǎn)模型。優(yōu)點(diǎn)：（1）流體質(zhì)點(diǎn)無線尺度，無熱運(yùn)動，只能在外力作用下作宏觀平移運(yùn)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(diǎn)。為了描述流體微團(tuán)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(diǎn)構(gòu)成的微小單元（δx，δy，δz）（2）由流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動形成流體元的旋轉(zhuǎn)和變形運(yùn)動。第十頁第十一頁，共41頁。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(diǎn)或微團(tuán)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(diǎn)組成的介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：（1）可用連續(xù)性函數(shù)B(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點(diǎn)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(yùn)動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。第十一頁第十二頁，共41頁。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。第十二頁第十三頁，共41頁。1.2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(diǎn)應(yīng)力：單位面積上流體所受的力法向應(yīng)力切向應(yīng)力第十三頁第十四頁，共41頁。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(diǎn)：這些力的強(qiáng)度取決于流體元的局部性質(zhì)（如密度、電磁強(qiáng)度、加速度等），與流體元的位置變化關(guān)系不大。因?yàn)殚L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?yàn)槎坛塘H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。第十四頁第十五頁，共41頁。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(qiáng)與法向應(yīng)力是大小相等，方向相反的。工程上簡稱為壓力。第十五頁第十六頁，共41頁。1.3流體性質(zhì)逐點(diǎn)變化全國氣壓的變化，圖中曲線為等壓點(diǎn)的變化。第十六頁第十七頁，共41頁。介于dx和dy兩點(diǎn)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。第十七頁第十八頁，共41頁。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：第十八頁第十九頁，共41頁。（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(kuò)展到三維：引入算子（1-9）式（1-9）可簡化為：（1-10）第十九頁第二十頁，共41頁。1.4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mLtTkgmsK第二十頁第二十一頁，共41頁。第3章運(yùn)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)及控制體第二十一頁第二十二頁，共41頁。3.1基本物理定律此外還要補(bǔ)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(yùn)動流體。比如：胡克定律、理想氣體定律、牛頓粘性定律等。第二十二頁第二十三頁，共41頁?！皥觥北硎驹谡麄€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(diǎn)或流體微元（3-1）拉格朗日法代表了流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。式中坐標(biāo)（a,b,c）是流體質(zhì)點(diǎn)的初始位置。第二十三頁第二十四頁，共41頁。歐拉法：著眼于空間點(diǎn)（坐標(biāo)系中的固定點(diǎn)）（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(jìn)行討論。上式中不同的（x,y,z）值代表不同的空間點(diǎn)。第二十四頁第二十五頁，共41頁。穩(wěn)態(tài)流動：流體在每一點(diǎn)的流動與時間無關(guān)。非穩(wěn)態(tài)流動：流體在各點(diǎn)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）第二十五頁第二十六頁，共41頁。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(yàn)、水洞試驗(yàn)第二十六頁第二十七頁，共41頁。跡線跡線是流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，代表了拉格朗日觀點(diǎn)。流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程：3.4流體運(yùn)動的幾何描述矢量方程：分量方程：第二十七頁第二十八頁，共41頁。歐拉法：也可寫成：跡線是流場中實(shí)際存在的線，穩(wěn)態(tài)流動匯總通過某一固定點(diǎn)的跡線只有一條，但在非穩(wěn)態(tài)流動中，通過同一點(diǎn)的跡線可以有多條，不同時刻經(jīng)過該點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)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)第二十八頁第二十九頁，共41頁。流線：某一時刻與流場內(nèi)各點(diǎn)速度矢量相切的線。假想線行列式展開：也可寫成：t只是參數(shù)，x,y,z是獨(dú)立變量。第二十九頁第三十頁，共41頁。第三十頁第三十一頁，共41頁。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(diǎn)）或者：系統(tǒng)是指一群確定的流體質(zhì)點(diǎn)，在運(yùn)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(diǎn)。3.5系統(tǒng)及控制體第三十一頁第三十二頁，共41頁?？刂企w：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(rèn)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。第三十二頁第三十三頁，共41頁。第4章質(zhì)量守恒-控制體法§4-1積分關(guān)系式§4-2積分式的特殊形式第三十三頁第三十四頁，共41頁。4.1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）：Θ是速度矢量與dA向外畫的單位法線矢量之間的夾角。第三十四頁第三十五頁，共41頁。表示矢量與矢量的點(diǎn)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（controlsurface）進(jìn)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)量流量第三十五頁第三十六頁，共41頁?？刂企w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。第三十六頁第三十七頁，共41頁。4.2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：第三十七頁第三十八頁，共41頁。4.2積分式的特殊形式最