绪言与第二章流体性质.ppt

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1、冶金传输原理,王连登,第 0 章 绪 言,一、冶金传输原理的课程性质,该课是材料加工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，该课程（原包括工程流体力学、工程热力学、工程传质学）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。,二、冶金传输原理课程的内容,顾名思义，冶金传输原理主要是研究和分析冶金过程（液态成型过程、连接成型过程、固态成型过程）传输规律、机理和研究方法。主要内容包括冶金过程中的动量传递（流体流动行为）、热量传递和质量传递三大部分。,冶金过程热量、质量和动量的传递决定对象的流动、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

2、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；,为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。,三、传输现象在冶金过程中普遍性及重要性,传质：,1,大多数材料加工及冶金过程都是高温、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

3、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，材料加工中的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：,材料加工中的冶金过程一般是高温过程，这就要求我 们调整和保持材料加工过程中反应系统中的（反应器）内温度，从而有必要对热量传递和温度分布进

4、行研究。,传动量：,3,材料加工中的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材料加工过程中的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）间关系。,1,钢铁生产工艺流程,实

5、例说明,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。（机械搅拌铁水脱硫法）,气、固、液、粉多相流间的相互作用与传输。,2,炼铁过程：,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,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,流程,4 材料加工过程数值模拟：传输原理+数值方法+工程软件=定量可视,温度场,凝固情况,流动填充

6、,五、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。,因为许多材料加工及冶金过程都是在高温下进行的，在进行冶金反应的同时，必然伴随着热量传递过程和物质传递过程，且大部分是在物质流动的情况下发现的，即以动量传输为基础的热量传输和质量传输。,六、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

7、冶金传输原理相联系。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）。,第一部分 动量传输,根据“质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律”进行简化物理模型，建立数学模型，最后进行数学求解。,基于实验研究或相似理论进行物理模型验证与检验,第一章 流体的性质,第一节 流体的概念及连续介质模型1 流体的概念流体：自然界中能够流动的物质，如液体和气体。,基本特性：流动性(剪切力作用下连续变形)压缩性(膨胀性)粘性(阻滞流动的性质)连续性,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

8、。（液体为不可压缩流体，能形成自由分界面；气体为可压缩流体，不能形成自由表面）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。,2.连续介质模型,1)、流场：流体运动的全部范围。2)、流体：液体、气体。流体的性质：A 易流动性：在任何微小的应力的作用下可发生连续变形。原因：分子之间的内聚力小。B 可压缩性（气体）：压力增加，体积减小；反之。没有自由表面，充满整个容器空间。不可压缩流体（液体）：在相当大的压力下，流体仍几乎不改变其原有的体积，有自由表面。,3）连续介质人为假定的模型,从流体的宏观特性出发，流体充满的空间里是有大量的没有间隙存在的流体质点组成的。流体质点：在

9、连续介质内对某一点取得极小，但却包含有足够多的分子（宏观：足够小；微观：足够大。），使其不失去连续介质的特性而有确定的物理值。,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。,连续介质的特性：流体的一切属性（速度、压力、密度、温度、浓度等）都可看作坐标与时间的连续函数，利用数学中连续函数的性质解题。注意！：稀薄气体的分子间距大，此概念不适用。,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。,重度：流体受地心引力的作

10、用具有重量，每单位体积的重量称为重度。,第二节 流体的主要物理性质,1.2.1 流体的压缩性及膨胀性,流体的密度、重度及比容,密度：(均质)，(非均质)，kg/m3重度：，N/m3比容：，m3/kg工程单位制中1 kgf=国际单位制中1 kg国际单位制中=工程单位制中应用：密度与重度之间的换算。,密度：流体具有质量，每单位体积的质量称为密度。,比容：单位质量流体所占有的体积称作比容,1.2.1 流体的压缩性及膨胀性,液体的压缩性及膨胀性液体的压缩性：当作用在液体上的压力增加时，液体所占有的体积将缩小的现象。液体分子距离较近，压缩时，排斥力增大，难以压缩；,液体的膨胀性：温度升高时，体积膨胀的现

11、象。用表示，当压力保持不变，温度升高1K时液体体积的相对增加量，,气体的压缩性及膨胀性气体分子间距较大，吸引力较小，V受T、P的影响较大。对于理想气体而言，的关系可用状态方程表示，即,=,=,=,=,kg,k,kmol,kJ,kmol,m,kmol,;,:,.,),(,.,;,:,为比容,气体,通用气体常数,气体,0,3,0,=,k,kg,J,kg,m,),(,;,分子量,取决于气体的种类,气体常数,0,3,R,R,V,T,R,PV,1,314,8,R,4,22,V,T,R,PV,1,盖吕萨克定律,单位质量理想气体的体积与压力成反比，而它的密度与压力成正比。,在压力不变时，一定质量气体的体积随

12、温度升高而膨胀。温度每升高1K，体积便增加273K时体积的。,4.不可压缩流体与可压缩流体一般流体的 kT和 aV 都很小，对于能够忽略其压缩性的流体称为不可压缩流体。其密度和重度均可看为常数；反之，称为可压缩流体，其密度与重度不能看成常数。,K也称为等熵指数,对于空气与多原子气体取1.4,第三节 液体的粘性和内摩擦定律,1.3.1 流体粘性概念,流体的粘性及粘性力,粘性：阻滞流动的性质。,产生原因：快层与慢层之间的分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力；两层流体之间吸引力所形成的阻力。,粘性力的建立过程：,流体流层间产生切应力的现象流体的粘性；切应力粘性力,牛顿粘性定律,表述：流体的粘性力F

13、 与速度U0成正比，与两平板间距离H 成反比，与接触面积A 成正比。,牛顿粘性定律,式中正负号的出现是为了保证yx为正。,图1-1-1取正：动量传递方向与y 相同 图1-1-2取负：动量传递方向与y 相反,粘性系数,动力粘性系数，动力粘度。,流体在静止时，有粘性吗？,有，但表现不出来。,粘性系数大小与什么有关？（1）物质种类；（2）对同一种流体与温度 液体T 升高时 下降 气体T 升高时 升高,原因：(1)在液体中，分子间距小，分子相互作用力较强，当T升高时，分子之间距离增加，引力减小，所以层与层之间的摩擦力减小，粘性下降。(2)而气体，分子间距比液体大得多，引力很弱，层与层之间的粘性表现为两

14、层流体层间分子的动量交换，来阻止流体层间相对滑动，分子间的引力作用可忽略，当气体T升高时，内能增加，分子运动剧烈，动量交换激烈，所以粘性升高。,（3）与组分有关 对混合流体，经验公式有：,混合气体：烟气(CO2、H2O、N2、O2),粘性动量传输及动量通量,(一)通量：单位时间通过单位面积的*量，称为*通量。对动量而言，称为动量通量。粘性动量通量是流体粘性所形成的动量传输过程,粘性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的粘性动量，亦即单位面积上的粘性力(切应力)。,动量通量：即动量mv/单位时间.单位面积t.A 即（F/A）=m（v/t.A）=（牛顿粘性定律）F=ma=m（v/t）,从粘性力的建

15、立过程来看，由于流体粘性作用流体流层间出现速度差。由于分子热运动、分子内聚力流体流层间产生动量交换流层间产生切应力(粘性力)。动量通量：单位时间通过单位面积所传递的动量，相当于单位面积上的作用力。,Pa,Pa,由于流层的速度不等动量不等，快流层带动慢流层，前者将动量传给后者实质是动量的传递过程。,粘性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的粘性动量，亦即单位面积上的粘性力(切应力)。,粘性动量通量是流体粘性所形成的动量传输过程：粘性力各流层之间 带动力（对慢流层）制动力（对快流层）,运动粘度：,影响因素：流体种类 温度,粘性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的粘性动量，亦即单位面积上的粘性力(

16、切应力)。,粘性动量与粘性力的不同之处？,5.粘性力与粘性动量通量的区别,大小相等，方向垂直。粘性力的方向对快流层与速度的方向相反，对慢流层与速度的方向相同；粘性动量通量的方向与动量梯度（或速度梯度）的方向平行而相反，即动量是由高速流层向低速流层方向传输。,注意！：牛顿粘性定律的适用范围：流体的层流流动。,例1-3 两平行平板之间充满粘度为0的液体，在对称面上有一面积为A的薄板，薄板以等速度U作平移运动如图（a）所示。现以另一种液体充满上述平板之间，但其粘度未知，若其中薄板置于底板以上处，也以等速U作平移运动，如图（b）所示，且已知拖动力与等一种情况相同，试由0，h,确定。,第一章 动量传输,

17、例2 牛顿粘性定律的应用。设汽缸内壁直径D=20，活塞外径d=19.96，活塞长度L=25，活塞的运动速度为W=1.2m/s，润滑油的动力粘度=0.12kg/m.s，试计算活塞的作用力。解：汽缸壁上油层的速度为零，活塞表面油的速度为1.2m/s，因间隙很小，设线性分布，则用（1-1-16b）式计算：单位面积上的粘性力（活塞传给油的动量通量）,活塞的总作用力：接触面积:,总作用力：,反之，已知 F,第一章 动量传输,牛顿流体及非牛顿流体,牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体；,非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体；例如：水煤浆、石灰等。,第四节 作用在流体上的力,一.作用力：表面力(作用在流体表面上，且与表面积成比例的力)和质量力(体积力)(作用在流体内部质点上，与流体质量成比例的力),表面力是作用在所取出的流体的表面上的力，并与其表面积成比例，它又分为法向力（通常称为压力）和切向力（粘性力）两种。,作用在流体的外表面外力；作用在流体内部任意表面内力。,在流体力学中，常从流体内部取一部分（分离体），此时，周围流体对分离体表面上的作用就是外力。例如任取一微元面积A：,第一章结束,第一章 P15 作业：习题 1，2，3，4,