冶金传输原理复习总结.ppt

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1、冶金传输原理,1、三种传输现象的基本定律,2、三种传输现象普遍规律(类比关系）,绪 论,（1)通量扩散系数浓度梯度（各自量的浓度梯度）；,(3)“” 号意义相同,即通量与浓度梯度方向相反。,第1章 流体的主要物理性质,1、 流体的概念及连续介质模型,流体、连续介质模型,等温压缩率,体胀系数,2、液体的压缩性和膨胀性,3、 气体的压缩性和膨胀性,PV=RT,粘性流体抵抗剪切变形的能力,粘性阻力（内摩擦力） 由粘性产生的作用力,5、 牛顿粘性定律,第1章 流体的主要物理性质,动力粘度 /Pas，,运动粘度/ m2/s，又称“动量扩散系数”。,影响的因素：物质种类、温度,6、粘度,4、 粘性,第2章

2、 流体静力学,1、作用在流体上的力,质量力、表面力（法向力、切向力）,2、流体静压强,流体静压强单位面积上的流体静压力,流体压强的特性,3、流体平衡微分方程,4、平衡微分方程的积分,第2章 流体静力学,5、静止流体中的压强分布规律,当已知液面压强p0和液面距基准面的距离z0,6、静力学方程的能量意义与几何意义,第2章 流体静力学,根据,可知：,（1）同一静止液体中，各点的测压管水头是相等的，各点的静压水头也是相等的。（几何意义）,（2）总比势能不变，但比压能和比位能可以互相转化。（能量 意义）。,7、静止液体对平面壁的压力,第2章 流体静力学,7.1 求压力的大小,即压力P为浸水面积与形心处的

3、液体静压强的乘积,7.2 求压力的作用点,8、静止液体对曲面壁的压力,压力的倾斜角为,第2章 流体静力学,P的作用点（压力中心）D的确定：见图2.16,第3章 流体动力学,3.1 流体运动的基本概念,速度、加速度、稳定流与非稳定流、迹线、流线、流管、流束、流量,3.2 连续性方程,对不可压缩流体，空间连续性方程,3.2.1 直角坐标系的连续性方程,第3章 流体动力学,3.2.2 沿总流的连续性方程,对不可压缩流体,物理意义：对可压缩流体稳定流，沿流程的质量流量保持不变。,物理意义：对不可压缩流体沿流程体积流量不变，流速与管截 面积成反比。,第3章 流体动力学,3.3 理想流体动量传输方程欧拉方

4、程,3.4 实际流体动量传输方程纳维尔-斯托克斯方程,纳维尔斯托克斯方程 （NS方程）,第3章 流体动力学,3.5 理想流体和实际流体的贝努利方程,理想流体的贝努利方程,实际流体的贝努利方程,实际流体总流的贝努利方程,第3章 流体动力学,贝努利方程的几何意义、物理意义,理想流体的几何意义,实际流体的几何意义,物理意义,3.6 贝努利方程的应用,第4章 流动状态及能量损失,4.1 流动形态及阻力分类,1、流动形态：层流流动、湍流流动、,2、流动状态判别准则雷诺数,临界雷诺数：圆管、非圆形管、平板,3、能量损失的两种形式,沿程阻力和沿程损失、局部阻力和局部损失、总能量损失,流体绕过固体流动时的雷诺

5、数,4.2 流体在园管中的层流运动,第4章 流动状态及能量损失,速度分布公式,最大流速,平均流速,管中层流流量,沿程损失,第4章 流动状态及能量损失,边界层概念,边界层当流体流过固体表面时，由流体的粘性作用，在表面上呈现出具有速度差异（滑差速度）的流体薄层。,层流起始段层流稳定之前的一段。,4.3 园管中的湍流运动,1、湍流的脉动现象,2、速度的时均化原则及时均速度,3. 湍流边界层,湍流边界层,4. 水力光滑管和水力粗糙管,水力光滑管：，对流动影响小，类似完全光滑管。,水力粗糙管：，对流动影响大，消耗能量。,第4章 流动状态及能量损失,第4章 流动状态及能量损失,5. 湍流沿程损失的基本关系

6、式,图4.8 尼古拉茨实验图,区：层流区:,区：过渡区:,区：水力光滑管粗糙管的过渡区：,区：水力光滑管区：,区：水力粗糙管区：,图4-9 莫迪图,第5章 热量传递的基本概念,在热量传递过程中，温度及其分布是第一要素，温差是推动力。,稳态传热-物体中各点温度不随时间改变的热传递过程。,非稳态传热-物体中各点温度随时间改变的热传递过程。,5.1 基本概念,1、温度场某一时刻空间所有各点的温度分布,2、等温面与等温线,3、温度梯度,第5章 热量传递的基本概念,4 热流量与热流密度,热流量单位时间内，经由某一给定面积传递的热量，W.,热流密度q单位时间内通过单位面积的热量，W/m2.,5.2 热量传

7、递方式,5.2.1 导热,导热物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,2、傅立叶导热定律,1、定义,第5章 热量传递的基本概念,3、热导率,热量传输系数,热导率,522 对流,对流换热（对流+导热）流体和与之接触的表面作相对运动时，在温差作用下进行的热量传输过程。,1、定义,2、计算公式,牛顿冷却公式,第5章 热量传递的基本概念,5.2.3 热辐射,1、含义及特点,热辐射物体自身温度（或热运动）的原因而激发产生的电 磁波传播效应。投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使 其温度升高。,辐射换热特点,第5章 热量传递的基本概念,2

8、、斯蒂芬波尔茨曼定律,（1）黑体在某一温度下的辐射能,斯蒂芬波尔茨曼定律（四次方定律）,（2）实际物体的辐射能,式中， 实际物体的黑度（或发射率）。介于01之间。,第6章 导热,6.1.1 导热微分方程,当物性参数为常数且无内热源时,无内热源稳态,第6章 导热,对于轴对称问题（圆柱、圆筒或圆球），采用圆柱坐标系（r,z）或球坐标系（r,）下的导热微分方程式（6.4）（6.7）。,无内热源的一维稳态导热：,无内热源的稳态二维导热（直角坐标系）：,第6章 导热,6.1.2 初始条件及边界条件,1、初始条件,最简单的初始条件是,2边界条件,1）第一类边界条件,已知任何时刻边界面上的温度分布，即,边界

9、温度均匀时，上式可简化为,第6章 导热,（2）第二类边界条件,给定物体边界上任何时刻的热流密度分布,如果边界温度均匀时，有,第6章 导热,（3）第三类边界条件,已知与边界面直接接触的流体温度Tf和边界面与流体之间的对流换热系数h,6.2 一维稳态导热,6.2 一维稳态导热,6.2.1 平壁的导热,1 单层平壁,第6章 导热,2. 热 阻,3、 多层平壁的导热,第6章 导热,6.2.2 圆筒壁的导热,1单层圆筒壁的稳态导热,热阻,第6章 导热,2、多层圆筒的稳态导热,6.2.3 球壁的导热,6.3 非稳态导热,非稳态导热特征：,6.4.1 第三类边界条件下的一维非稳态导热周围介质温度为常数,第6

10、章 导热,一、无限大平壁的分析解和诺谟图,完整数学描述如下：,第6章 导热,解方程及边界条件得分析解 线算图（诺谟图）,任意位置任意时刻 温度T的求解,第6章 导热,物体的累计热量,方程组的解归纳为准则关系式的意义： (1)更好地揭示了物理现象的本质； (2)大幅度减少了变量数 .,.,第6章 导热,6.4.2 第一类边界条件下的一维非稳态导热表面温度为常数,半无限大物体,边界条件（第一类）,理论解,第6章 导热,表面的瞬时热流密度qW,蓄热系数b综合衡量材料蓄热和导热能力的物理量,第7章 对流换热,7.1 对流换热概述,7.1.1 对流换热和牛顿冷却公式,牛顿冷却公式和换热系数,对流换热的主

11、要任务：,第7章 对流换热,7.1.2 影响对流换热的主要因素,1. 流动动力（起因）,2. 流动状态,3. 换热表面几何尺寸、形状、位置,4. 流体的物理性质,物性相互间的联系和制约：主要反映在准则数值的大小上。,二、对流换热微分方程,一、影响因素,第7章 对流换热,能量微分方程,7.2 对流换热微分方程组,7.3 热边界层概念,热边界层壁面附近形成的温度急剧变化的流体簿层,第7章 对流换热,层流边界层中,沿y方向的热量传递依靠导热。,湍流边界层中，沿y方向的热量传递依靠流体微团的脉动引起的混合作用。,普朗特数,第7章 对流换热,7.4 相似理论基础,相似准数(similarity erit

12、erion)：由确定物 理现象的物理量组成的反映现象物理相似的数量特征 的无量纲数群。,在相似现象中，相应的相似准数数值相同，而且描 述相似现象的准数关系式也相同。因此如果把模拟结 果整理成准数关系式，那么得到的准数关系式就可推广到其他与之相似的现象上去。,由相似准数可以得 出模型定律，作为设计物理模拟模型的依 据。在确定相似准 数的方法中，常用的主要有方程分析法、量纲 分析法和 定律分析法3种。方程分析法的根据是相似现象的物 理 方程相同，由分析描述现象的方程得出相似准数。,第7章 对流换热,（3）按照规定选取特征尺寸（准则数Nu、Re和Gr中的几何尺寸称为特征尺寸）。,（4）按规定选用特征

13、流速(强迫对流换热准则数关系式中计算 雷诺数Re所选用的流速称为特征流速),特征温度、特征尺寸和特征流速常称为对流换热的三大特征量。,（5）正确选用各种修正系数。,（2）按规定选取特征温度Tc(查取流体物性参数的温度称为特 征温度)。,（1）根据对流换热的类型和有关参数的范围选择所需要的准 则数方程，不能弄错。,对流换热准则数方程的正确使用,第7章 对流换热,7.6 自然对流的换热计算,自然对流时的温度分布和速度分布,二、计算对流换热系数的准则方程,简化计算公式 ：,一个大气压、TCP=50左右，空气与表面换热时，有,一、边界层的形成与发展,第7章 对流换热,7.7 强制对流的换热计算,7.7

14、.1 外掠平板,7.2.2 横掠圆柱,冲击角影响及其修正,第7章 对流换热,7.7.3 绕流球体,7.7.4 管内流动,湍流换热实验准则式：,定性温度,考虑不均匀物性的影响时，可选用以下实验准则式,第7章 对流换热,几点讨论：,（1）非圆形管,定型尺寸采用当量直径,（2）入口段修正,（3）弯管修正系数,（4）管内层流换热,2）换热计算公式,1）附加自然对流的影响,第8章 辐射换热,8.1 热辐射基础,8.1.1 热辐射的本质及特点,热辐射物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播效应。投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使其温度升高.,特点：1、2、3,8.1.2 热辐射的基本概念及基本

15、定律,本质,1、绝对黑体的概念,第8章 辐射换热,第8章 辐射换热,黑体模型:,黑体模型,物体向外辐射的能量是按波长和空间分布的。,辐射力E W/m2,单色辐射力,第8章 辐射换热,2、普朗克定律,Eb=f(,T)的具体表达形式,维恩定律,3、斯蒂芬-波尔茨曼定律,第8章 辐射换热,灰体定义,4、灰体及其辐射力,根据灰体的定义，有,第8章 辐射换热,5、基尔霍夫定律及实际物体的吸收比,基尔霍夫定律热平衡条件下任意物体对黑体辐射能的吸收比等于同温度下该物体的黑度。,对于灰体，有,8.2 热辐射的工程应用,8.2.1 辐射率的工程处理方法,式中， 为实际物体的发射率（黑度），可通过实验确定。,第8

16、章 辐射换热,常用材料的表面发射率可查相关图表。影响的因素：物体 的种类、表面温度和表面状况。,8.2.2 两物体之间的辐射换热,1、角系数,物体尺寸、形状及相互位置等表面几何因素对辐射换热的影响可用角系数来表示。,角系数定义有两个任意放置的物体表面，表面1发出的辐 射能中落到表面2上的能量所占的百分数称为表面1对表面2的角系 数，记为1,2.,同理,第8章 辐射换热,（2）两个很大的同轴圆柱表面（长轴在井式炉内加热）,（3）一个平面和一个曲面（平板在马弗炉内加热）,由两个表面组成的封闭系统,常见封闭体系的角系数,（1）两个相距很近的平行大平面,第8章 辐射换热,2、封闭体系内两个大平板的辐射

17、换热,(1) 黑表面,(2) 灰表面,式中,第8章 辐射换热,（3） 封闭体系内任意辐射交换的计算公式,补充：包壁（1）与内包非凹小物体（2）,第8章 辐射换热,8.2.5 气体与固体的辐射换热,1、气体辐射与吸收特点,2、气体的辐射力和黑度,辐射力,气体的单色吸收率可表示为,第8章 辐射换热,3、火焰辐射,（1）暗焰,（2）辉焰,4、气体与固体壁面之间的辐射换热,8.3 综合传热,综合传热两种或三种基本热量传递方式同时起作用。,第8章 辐射换热,8.3.1 对流和辐射同时存在的传热,8.3.2 炉墙的综合传热,第8章 辐射换热,第9章 质量传输基本概念,质量传输物质从空间或物体的某一部分转移

18、到另一部分的现象,9.1.1 扩散传质,9.1.2 对流传质,流动体系中，由流体质点的宏观运动而引起的物质传递过程。 其机制与对流换热类似。,9.1.3 相间传质,传质过程涉及到两相或多相的相际之间的传质。与综合传热 类似。,由于浓度差存在，依靠分子运动引起的质量传输。其机理类 似于热传导过程,多相反应：气固、气液、固液等,第9章 质量传输基本概念,9.2.1 浓度,1、质量浓度,2、质量分数,3、量浓度,第9章 质量传输基本概念,4、摩尔分数,5、气体,第9章 质量传输基本概念,质量分数与摩尔分数的关系：,同理,第9章 质量传输基本概念,9.2.2 速度,1、以静止坐标为参考基准,第9章 质

19、量传输基本概念,2、以平均速度为参考基准,9.2.3 传质通量,通量密度=速度浓度,1、相对于静止坐标系的质量通量和摩尔通量,第9章 质量传输基本概念,2、相对于质量平均速度的质量通量和相对于摩尔平均速度的 摩尔通量为:,双组分混合物中，浓度、速度以及质量通量的表达及其相互关 系式表9.1,第10章 质量传输微分方程,1、以质量浓度表示的组分A的质量传输微分方程,2、以物质的摩尔浓度表示的组分A的质量传输微分方程,3、以质量通量密度表示的组分A的质量传输微分方程,4、用摩尔通量密度表示的组分A的质量传输微分方程,第10章 质量传输微分方程,质量传输微分方程的几种简化形式,1、均质不可压缩流体（

20、=常数）,2、均质不可压缩流体没有化学反应的稳定态传质（v=常数， rA=rB=0）,第10章 质量传输微分方程,3、总体流动可忽略不计及不可压缩流体没有化学反应的非稳 态传质（v=0,rA=rB=0 ）,（2）费克第二定律与导热的傅里叶定律在形式上完全一致，其在 各坐标系中的表达式见表10.1.,（1）费克第二定律适用于固体、静止液体或气体组成的等摩尔逆 向扩散体系；,第10章 质量传输微分方程,10.4 定解条件,10.4.1 初始条件,简单情况 t=0,cA0=常数,10.4.2 边界条件,1、规定了边界上的浓度值,2、规定边界上的通量,3、规定边界上的对流传质系数kc及组分A的浓度,对

21、流传质时，边界上的摩尔通量为:,第10章 质量传输微分方程,4、规定化学反应的速率,第11章 扩散传质,11.1一维稳态分子扩散,研究目的:找出内部浓度分布规律，以及通过分子扩散方式所传递的质量通量。,研究内容:在不流动或停滞介质以及固体中以分子扩散方式进行的质量传递过程。,11.1.1 等摩尔逆向扩散,第11章 扩散传质,边界条件,其解为,微分方程,等摩尔逆向扩散浓度分布,传质通量,或,等摩尔逆向扩散质量传递与一维稳态导热相类似(见表11.1）。,第11章 扩散传质,11.1.2 通过静止气膜的单相扩散,液体表面的蒸发,第11章 扩散传质,浓度分布方程为,或,单向扩散浓度分布,组分物质的摩尔

22、浓度是 按指数规律变化,第11章 扩散传质,质量通量NAZ：,或,第11章 扩散传质,11.1.3 气体通过金属膜的扩散,气体氢通过一金属膜的扩散,扩散通量,或,式中，,第11章 扩散传质,11.2 非稳定态分子扩散,11.2.1 忽略表面阻力的半无限大介质中的非稳定态分子扩散,初始条件 t=0，对所有z值：cAcA0,边界条件 t0，x=0：cAcAw x=：cAcA0,微分方程,钢的表面渗碳,浓度分布,第11章 扩散传质,11.3 影响扩散的因素,11.3.1 气相扩散系数,11.3.2 液相扩散系数,11.3.3 固体扩散系数,1、温度的影响,2、固溶体类型,3、晶体结构,4、浓度,5、

23、合金元素,6、晶界扩散、表面扩散和位错扩散,第12章 对流传质,12.1 对流传质的基本概念,对流传质运动流体与固体壁面之间，或不互溶的两种运动 流体之间发生的质量传递过程。,12.1.1 对流传质系数,对流传质通量密度,kc以cA为基准的对流传质系数（ms）,对流传质微分方程,12.1.2 表示传质特性的相似准数,施密特数,路易斯数,第12章 对流传质,12.2 传质系数模型,12.2.1 薄膜理论,薄膜理论对流传质的阻力主要存在于界面上所形成的流体薄膜内,等效边界层,12.2.2 渗透理论,渗透理论两相间的传质是靠流体的体积元短暂地、重复地与界面有接触而实现的。,te体积元与界面接触的平均

24、寿命（时间）,12.2.3 表面更新理论,表面更新理论认为：每个体积元与表面接触的时间在零到无 穷大之间变动。,第12章 对流传质,S表面更新率，试验测定的常数。,实际传质时，,12.3 圆管内的层流对流传质,在r=ri处，cA常量，有：Sh=3.66 (12.19),在r=ri处，NA常量，有：,第12章 对流传质,12.4 动量、热量和质量传输的类比,12.4.1 湍流传输的类似性,见表12.1,12.4.2 三种传输的类比,1、雷诺类比,雷诺类比假设湍流边界层是由单一高度湍动的区域构成。,Sc=1时，,式中， 称为斯坦顿数,在热量传输中，当Pr=1时，类似可以推导出,式中，St斯坦顿数,

25、第12章 对流传质,2、普朗特类比,假设湍流流动是由层流底层与湍流核心区组成,3、卡门类比,湍流流动是由层流底层、过渡层和湍流核心区组成,第12章 对流传质,4、奇尔顿科尔伯思类比,或,式中，jD 传质的j因子.,适用条件：气体或液体 0.6Sc2500,第12章 对流传质,完整的奇尔顿一科尔伯思类比关系式为：,式中，jH 传热 j 因子,适用条件：平板流动 或其它没有形状阻力存在的几何形体,对有形状阻力的体系：,或,适用条件：0.6Sc2500；0.6Pr100。,第12章 对流传质,12.5 对流传质系数的实验关联式,12.5.1 平板和球的传质,以上各式的应用条件是0.6Sc2500.,

26、或,第13章 相间传质,相间传质物质由某一相穿过界面向另一相内传递，传质 发生在互相接触的两相之间。,13.1 相间阻力传质理论（双膜理论）,（1）两相接触时（以气-液相为例），在两相间的界面二侧，各自 形成有效浓度边界层(薄膜），如下图示。,图13.1 互相接触的两相之间的浓度分布,第13章 相间传质,（2）相间传质包括三个步骤：首先是某组分从一个相的内部向界 面上传输，然后是穿过界面向第二相传输，最后向第二相内 部传输。,（3) 在界面处的二相，处于稳定的平衡状态，传质过程的阻力只 存在于薄膜内。,传质过程的控制环节（速度最慢，即阻力最大的环节）,(1) 物质迁移的快慢所控制,(2) 界面

27、化学反应速度所控制,第13章 相间传质,由（13.10）和（13.11）两式可以看出，影响总传质系数 的因素有：,或,基于分压驱动力的总传质系数。,基于基体浓度驱动力的总传质系数。,液相对流传质系数。,式中 气相对流传质系数；,第13章 相间传质,13.2 气相液相反应中的扩散,金属液中的吸气与排气过程：,（1）气相中的传质； （2）液相中的传质； （3）界面化学反应； （4）新相（气泡）生成。,1、液膜控制总速率,第13章 相间传质,2、气膜控制总速率,3、界面化学反应控制总速率,图13.3 界面化学反应控制总速率,第13章 相间传质,4、扩散控制总速率,5、混合控制速率,第13章 相间传质

28、,一般铁水或钢水吸气，用薄膜理论，即,对有搅拌作用（中频炉熔炼），用渗透理论,即,第13章 相间传质,未反应核模型假定化学反应发生在未反应核和反应产物层 的分界面（没有厚度）上，同时要考虑气相边界层的传质过程。,13.3 气相固相反应中的扩散,固体碳与氧分子间燃烧反应过程包括：,气相内部的对流流动传质 界面上进行的化学反应 固体碳燃烧后形成的灰分层内的扩散,第13章 相间传质,气相内部的对流流动传质,图13.4 固体碳与氧燃烧反应时 表面扩散过程,第13章 相间传质,2、固相内的物质传递,（1）考虑灰分（反应产物）时,或,（2）若忽略,第13章 相间传质,当温度较高时， 则,扩散型过程,当温度较低时， 则,动力型过程（反应控制过程）,第13章 相间传质,13.4 相变扩散,相变扩散通过扩散而形成新相,13.4.1 相变扩散的基本概念,相变扩散速度取决于化学反应和原子扩散两个因素,13.4.2 相变扩散速率,即扩散层厚度X与扩散t为抛物线关系。,即X与t为直线关系,第13章 相间传质,