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1、冶金传输原理-动量传输部分,前 言 第一章 动量传输的基本概念 第二章 流体静力学 第三章 流体动力学 第四章 层流、湍流与湍流流动 第五章 边界层第五章 边界层理论 理论 第六章 相似原理与量纲分析（自学部分）,前 言,一、冶金传输原理的课程性质,该课是冶金工程类专业基础课程。其特点是运用到较多高等数学方面知识，课程难度较高，该课与冶金热力学与动力学、金属学共同构成专业基础核心课程。,顾名思义，冶金传输原理主要是研究和分析冶金过程传输规律、机理和研究方法。主要内容包括冶金过程动量的传递（流体流动行为）、热量传递和质量传递三大部分。,二、冶金传输原理课程的内容,冶金过程热量、质量和动量的传递决
2、定对象的流动、混合状态，并通过影响温度和浓度分布而影响、决定化学反应进程。,传输原理在冶金过程中的应用，使冶金物理过程得到深入而定量的求解。使人们对物理过程表面现象的判断和粗略的估计逐步转化为由理论分析和数值计算得到的本质问题的定量解答。,学习冶金传输原理有两个最基本的目的：第一，深入理解各种传输现象的机理，为理解冶金工艺过程奠定理论基础，对改进和优化各种冶金过程和设备的设计、操作及控制提供理论依据；,第二，为将来所要研究和开,发的冶金过程提供基础数学模型，以此为基础，可以对冶金过程进行模拟研究，加速研发过程，降低研发成本。,传质：,三、传输现象在冶金过程中普遍性及重要性,1,大多数冶金过程都
3、是高温、多相条件下进行的物理化学过程，每一个化学反应都包含以下反应步骤：,反应物向反应面（反应区域）的运动（传输、传递、输运）；,在反应区域（反应界面）发生化学反应；,化学反应产物的排出（传输）。,在以上三步骤中速率（速度）最慢的一步将限制（控制）化学反应的速率化学反应的限制性环节（瓶颈）。,以后冶金原理会告诉我们，冶金反应大都不受化学反应速率的影响（第二步是非限制性环节），即反应物或产物的运动 (质量传递) 将控制整个化学反应的进程。,2,为使化学反应高效、快速进行，必须采取措施加速质量传递，这就要研究质量传输的机理，讨论研究方法。,传 热：,冶金过程一般是高温过程，这就要求我们调整和保持冶
4、金容器（反应器）内温度，从而有必要对热量传递和温度分布进行研究。,传动量：,3,冶金过程离不开气体、液体（统称为流体），它们的流动状况（速度、分布）对质量传递和热量传递构成影响，且一般情况下 又控制其它两项的传输过程，这就要求我们对动量传递过程（主要指速度、速度分布、作用力）进行研究。,由以上讨论，动量、质量、热量传输实际上控制着冶金过程的进程与速率。为此，我们必须对其过程传输机理进行研究、对研究方法进行总结、对研究结果给予定量的表述。只有这样，我们才能在把握机理的前题下，采取必要的措施（改进工艺、设备），提高冶金过程效率（提高生产率）。,4,总结：,5,铁水脱硫： 传质过程与流动（搅拌）间关
5、系。,1,框内点击： 钢铁生产工艺流程,实例说明,框内点击：动画演示,脱硫反应式（CaO）+S=(CaS)+O,铁水包内混冲脱硫：脱硫效率小于30；KR脱硫法（武钢）：脱硫效率高于85。,气、固、液、粉多相流间的相互作用与传输。,2,炼铁过程：,框内点击：动画演示,炼钢过程： 静态熔池与强沸腾熔池传质速率与生产率的差异。电弧炉炼钢：13小时/炉； 转炉炼钢： 2430分钟/炉。,3,框内点击：动画演示,连铸过程：热过程；传质过程；流动过程。工艺上要求钢水在中间包内、结晶器内尽可能流动均匀、温度均匀、成分均匀、凝固均匀，夹杂物尽可能上浮排出，以同时保证连铸高生产率和铸坯高质量。,4,框内点击：动
6、画演示,5,计算结果示例：传输原理+数值方法+工程软件=定量可视,连铸中间包内钢液流场,连铸中间包内夹杂物流动与去除,连铸换钢种液芯内成分演变过程,连铸,连铸结晶器内钢液流动行为,四、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。,在实际冶金过程中往往包括有两种或两种 以上传输现象，它们同时存在，又相互影响。,五、冶金传输原理与 冶金热力学和动力学的区别和联系,冶金传输原理：研究冶金过程物理现象与其机理。 冶金物理化学：研究冶金反应的化学过程 与其机理。,但化学过程由化学反应本身和物质质量传递两部分共同构成，所以，在宏观动力学方面与冶金
7、传输原理相联系。 动力学：反应实际达到程度 速率（人的主观积极性）； 热力学：反应的可能限度平衡（人的客观素质潜力）。,1、内容深要求学生课前预习。 2、课上认真听讲，跟上，不明白提问。 3、课后利用网络教学与学习系统二次学习与复习、总结。 4、多练习，多作习题。,六：几点说明,本篇内容主要涉及流体力学，可参阅相关书籍。主要参考书可参见网络教学与学习系统。,周三晚，冶金工程系（冶金楼三楼）。,七：参考书目,八：答疑时间安排,-前言完-,流程,第一章 动量传输的基本概念,1.1 动量传输研究的对象与性质 1.2 动量传输研究问题的模型与方法 1.3 描述流场的基本物理量及梯度、散度和旋度 1.4
8、 流场的分类与描述,1.1 动量传输研究的对象与性质,动量传输是研究流体在外界作用下（力的作用下）的运动规律的一门科学流体力学。 可流动性：指流体在任意小的切应力的作用下都会发生明显的变形。 可压缩性：指在压力作用下，流体体积会发生明显的变化。 原因：分子间间隙改变。加压间隙减小体积减小。气体尤为突出，液体影响不大。,体积压缩系数,：,含义：温度一定时，每增加单位压强，流体体积变化的相对值。,式中负号表示,单位：1/Pa，式中 EV ：体积弹性模量。, 粘性： 实验说明： 时间,时，维持上平板恒速(匀速)运动需要一个恒力F：, 试验结果,平板面积 ，m2,粘性系数，动力粘度，Pa/s,工程上常
9、用 运动粘性系数表示，有： 单位：m2/s 粘性系数 取决于温度和组成 空气： 书上P4式（1-3）,物理含义：作用于单位面积上的力正比于流体速度梯度。原因：流体内部粘性力（粘滞力）阻碍流动，抵抗剪切变形。,1.2 动量传输研究问题的模型与方法,1.2.1流体模型连续介质模型 1）流体密度与比容 (质量体积) 流体体积 内平均密度： 当V时(围绕P点)M(非加压而是研究范围减少),当达到 的后： 时, =随机值 原因： 内总分子数很少，分子的流入和溢出对质量影响大。此时没有宏观意义。 ：临界体积，宏观上足够小，微观上足够大。 流体密度： 质量体积(比容)： （注意：书中 表示运动粘度也表示质量
10、体积）,2）连续介质模型 a. 连续介质：把流体视为有大量宏观上的质点(单元大小Vc )连续来构成的(质点间无间隙)。 好处：流体的速度、压强、温度、密度、浓度等属性都可看做时间和空间的连续函数，从而可以利用数学上连续函数的方法来定量描述。 流场：将上述连续介质模型描述的流体叫流场，或流体流动的全部范围叫流场。,1.2.2研究流体运动的两种方法： 拉格朗日法、欧拉法 1) 拉格朗日法基本原理：是力学中质点运动描述方法在流体力学中的推广。它研究流场中个别流体质点在不同的时间其位置、流速、压力的变化。 即把流体细分为大量的流体质点，着眼于流体质点运动的描述，设法描述出每个质点自始至终的运动状态。所
11、有质点的运动规律知道后，整个流场的运动规律就清楚了。,质点的区分：初始坐标(初始位置)来区别质点A与质点B，坐标： 运动规律：位置矢量（位置，运动方向），直角坐标系下：,(1-8),例如： 时，质点位置 ，而当 时有： 可见 时，位置 有关，与 有关。如固定式(1-8)中a、b、c值，则可得到不同时刻某一质点（初始位置 ）的运动轨迹。 书上给出了式（1-9）、（1-10）、（1-11） 由以上分析，拉格朗日法数学描述体系庞大，除非特殊情况一般不用。（不用为何讲？固体质点问题）,2）欧拉方法 a 研究思路：着眼点不是流体质点，而是空间点，研究每一个空间点上流体流过时的速度（压力、密度等）随时间的
12、变化情况或是在某一时刻各空间点上流体速度分布。可见：b数学描述：,是空间位置 的函数， 是一个场量(有分布)速度场。 c随机函数（实质微分、质点导数） 矢量式：,来源：某一质点在 时刻：处于 点，速度 时刻：处于 点，速度,质点速度变化分解：,：由 走过的距离（迹线）。,1.3 描述流场的基本物理量及梯度、散度和旋度,基本物理量：流场、压力场、密度场、（温度场）、电磁场等 1.3.1 梯度,标量场的法向变化率,：在 点 值。,n：过 点的法线方向。,注意： 为矢量，方向为沿法线方向，指向增大的一侧。直角坐标下 书中例1-1,1.3.2散度 定义：在某一矢量场内取一点P，围绕P取一体积V的封闭曲
13、面，从此曲面流出的场量的体积流量与该曲面所包围的体积之比的极限。以速度场为例：,散度可描述矢量源（汇）及矢量场流体的膨胀速度。 在直角坐标系下，取六面体,而,有源或体积膨胀 该场无源或只在P 点有源 有汇或体积收缩,1.3.3旋度 反映流体的旋转（只说明公式）,举例： 高炉炼铁过程：气体、焦炭、铁水、矿石 等物质的源、汇与质量守恒。,课后学习相关矢量分析与场论内容,1.4 流场的分类与描述,对时空依赖性从速度场变化分：从粘性划分：,流场的状态：判据： 雷诺数 管流时临界雷诺数：2300,1.4.2流场的描述 迹线 迹线是拉格朗日坐标下的一个概念流体质点在空间运动时走过的轨迹。,流体质点速度：
14、则： 上式为迹线微分方程。 时间为独立变量。 流线与流函数 流线欧拉坐标下概念流场中某一时刻不同质点构成的曲线，此时，在曲线上每一质点的速度矢量总是在该点与该曲线相切。 思考题：什么条件下流线与迹线是一致的？（稳定流动）,是给定值。,流函数 流函数是流线的空间变量的函数形式 二维下： （定义）为空向变量， 常数，不同流线有不同 值。,即： 存在流函数的判据不讨论。,涡量与势流，无旋流动，势流，存在势函数。，有旋，涡流。 据 ，可得势函数 ，满足：,流函数与势函数： 据流函数及势函数定义：流函数与势函数正交,第二章 流体静力学,2.1 作用在流体上的力 2.2 静止流体的应力特征 2.3 流体静力学的基本方程 2.4 重力场中静止流体的压力分布 2.5 重力场中压力平衡方程的能量意义（自学） 2.6 重力场中静止液体对物面的作用力（自学） 2.7 非惯性坐标系中的静止流体（自学）,2.1 作用在流体上的力,这里所说的力是静力学及动力学均适用的力。作用在流体上的力被分为质量力和表面力两类。 2.1.1 质量力: 又称体积力，作用于流体的质量上，是一种非接触力。如重力，静电力，电磁力；研究非惯性系统问题时引入惯性力概念，它也是质量力。对应于某流体微元，其体积为 ，作用于该微元上的质量力为 。在流体力学中，常关心单位质量流体所受的质量力，即 ：,
