三傳的基本概念

冶金傳輸原理動(dòng)量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸（三傳）1冶金過(guò)程舉例1電爐煉鋼過(guò)程2鋼包精煉過(guò)程3連鑄過(guò)程4轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程5高爐冶煉過(guò)程冶金傳輸原理的應(yīng)用2冶金過(guò)程分析冶金中的化學(xué)反應(yīng)，也同時(shí)伴隨著熱量的傳輸、質(zhì)量的傳輸，都是在物質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的。比如高爐煉鐵過(guò)程、轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程、爐外精煉及鋼水的澆注等鋼鐵冶金高溫生產(chǎn)過(guò)程中，均存在動(dòng)量、熱量和質(zhì)量三者的傳遞過(guò)程。3第一篇三傳的基本概念

第一章動(dòng)量傳輸?shù)幕靖拍畹诙聼崃總鬏數(shù)幕靖拍畹谌沦|(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?第一章動(dòng)量傳輸?shù)幕靖拍?.1動(dòng)量傳輸?shù)难芯繉?duì)象和研究方法1.2描述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方法1.3流場(chǎng)的描述1.4流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析

1.5速度邊界層的概念51.1動(dòng)量傳輸?shù)难芯繉?duì)象和研究方法動(dòng)量傳輸就是研究流體（即氣體與液體）在外界的作用下運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)，它的研究對(duì)象自然就是流體研究對(duì)象流體特點(diǎn)可流動(dòng)性與可壓縮性6可流動(dòng)性與可壓縮性的體現(xiàn)固體有固定的形狀，流體則呈現(xiàn)出盛放它的容器的形狀，而氣體還要充滿盛放它的容器的體積。。所謂可流動(dòng)性就是指流體在任意小的切應(yīng)力的作用下都會(huì)發(fā)生明顯的變形，而一般的固體則不會(huì)?？蓧嚎s性是指在壓力的作用下，流體的體積會(huì)發(fā)生明顯的變化。7流體的性質(zhì)Why因?yàn)槲镔|(zhì)是由分子組成的，分子與分子之間有著一定的間隙，氣態(tài)物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃，101325Pa）分子間的平均距離大于分子的直徑的10倍，分子間的相互作用微弱，不能保持一定的體積和形狀，當(dāng)外部壓力增大時(shí)，其體積按一定的規(guī)律縮小，具有較大的可壓縮性。液態(tài)物質(zhì)分子間平均距離約為分子直徑的1倍，分子間互相作用較大，通?？梢员３制涔逃畜w積，但不能保持其形狀。8一類物質(zhì)不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以無(wú)限的變形，這種變形稱為流動(dòng)，這類物質(zhì)稱為流體，其變形的速度即流動(dòng)速度與切應(yīng)力的大小有關(guān)，氣體和液體都屬于流體；另一類是固體，它能承受一定的切應(yīng)力，其切應(yīng)力與變形的大小呈一定的比例關(guān)系。物質(zhì)受力和運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)物質(zhì)分為兩大類9液體和氣體的區(qū)別液體可以隨其容器形狀不同而改變其形狀，且在相當(dāng)大的壓力下幾乎不改變其原有的體積，故通常稱為不可壓縮流體。液體與其他流體形成的分界面稱為自由表面。氣體則具有很大的壓縮性，如果對(duì)氣體施加壓力，則其體積很容易縮小，如果壓力無(wú)限減小，則氣體可無(wú)限地膨脹，充滿容納它的空間，所以它沒(méi)有自由表面，故通常稱為可壓縮流體。10連續(xù)介質(zhì)模型研究方法研究流體的流動(dòng)的一種模型流體力學(xué)中一般對(duì)流體都作連續(xù)介質(zhì)的假定，即認(rèn)為流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成。這種流體質(zhì)點(diǎn)尺度很小，數(shù)學(xué)上可以近似認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)，但具有著宏觀的物理量如密度、壓力、速度等。11把流體視為連續(xù)介質(zhì)？從宏觀上研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為流體是在空間和時(shí)間上連續(xù)分布的物質(zhì)，即連續(xù)介質(zhì)。實(shí)踐證明采用這個(gè)模型來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題，其結(jié)果是能滿足要求的。這樣流體的一切特性，例如壓強(qiáng)、溫度、密度、速度等都可看成是時(shí)間和空間連續(xù)分布的函數(shù)，流體力學(xué)的問(wèn)題可以用連續(xù)函數(shù)這個(gè)數(shù)學(xué)工具來(lái)進(jìn)行研究。Why注意：稀薄氣體的分子間距大，連續(xù)介質(zhì)模型的概念不適用。12流體的一切屬性（速度、壓力、密度、溫度、濃度等）都可看作坐標(biāo)與時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，利用連續(xù)函數(shù)的性質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型從流體的宏觀特性出發(fā)，流體充滿的空間里是有大量的沒(méi)有間隙存在的流體質(zhì)點(diǎn)組成的，即為連續(xù)介質(zhì)模型。流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)對(duì)某一點(diǎn)取得極小，但卻包含有足夠多的分子（即宏觀上足夠?。晃⒂^上足夠大），使其不失去連續(xù)介質(zhì)的特性而有確定的物理值。連續(xù)介質(zhì)的特性13人們把連續(xù)介質(zhì)模型描述的流體叫流場(chǎng)。流場(chǎng)一是拉格朗日法；二是歐拉法。速度、壓力、密度、溫度等，流場(chǎng)在空間的變化行為有梯度、散度和旋度。描述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方法描述流場(chǎng)的基本物理量14流體微團(tuán)

15控制體

返回161.2描述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方法通常有兩種：一是拉格朗日法；二是歐拉法。17拉格朗日法（Lagrange.J.L（法））

18拉格朗日法（Lagrange.J.L（法））19拉格朗日法202.歐拉法

由于不同時(shí)刻流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)空間某一固定點(diǎn)的速度是可測(cè)定的，所以在歐拉法中以速度作為描述流體在空間變化的變量，研究流體速度在空間的分布。什么樣的物理量表征空間點(diǎn)上流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化21在實(shí)際研究問(wèn)題時(shí)區(qū)分清楚哪個(gè)質(zhì)點(diǎn)處于哪個(gè)空間點(diǎn)上對(duì)大多數(shù)問(wèn)題是沒(méi)有任何意義的，而往往只要搞清楚在某一時(shí)刻流體在其存在的區(qū)域內(nèi)各個(gè)空間點(diǎn)上的速度分布就行了，歐拉法正是對(duì)這一速度分布描述的一套方案。歐拉法把流體視為連續(xù)介質(zhì)，用場(chǎng)論的方法研究流體的流動(dòng)，是一套最重要的研究方案，以后的大多數(shù)內(nèi)容都將沿用這套方案去研究。歐拉法中以速度作為描述流體在空間變化的變量22用歐拉法研究問(wèn)題時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用數(shù)學(xué)公式可做如下描述：（2-6）這里的r是空間坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系下可等價(jià)為：（2-7）這里的v因?yàn)槭强臻g位置的函數(shù)，故v本身是一個(gè)場(chǎng)量，叫速度場(chǎng)。流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律23流體運(yùn)動(dòng)的加速度24左邊是加速度（或叫做隨體導(dǎo)數(shù)），它描述了流場(chǎng)中某一流體質(zhì)點(diǎn)的速度變化情況；右邊第一項(xiàng)稱時(shí)變加速度（當(dāng)?shù)丶铀俣然騾^(qū)域?qū)?shù)），由速度場(chǎng)隨時(shí)間而變化引起的，當(dāng)它=0時(shí)，速度場(chǎng)穩(wěn)定流動(dòng)；

右邊第二項(xiàng)稱遷移加速度（位變加速度或?qū)α鲗?dǎo)數(shù)），由速度場(chǎng)的不均勻性引起的，當(dāng)它=0時(shí)，速度場(chǎng)均勻流動(dòng)。

2526272.2流場(chǎng)的描述在歐拉框架下，對(duì)流體流動(dòng)的狀態(tài)及其變化規(guī)律的描述，除速度場(chǎng)之外，還須知道其流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布(即壓力場(chǎng))和密度分布(即密度場(chǎng))。一般情況下還應(yīng)有溫度場(chǎng)，因?yàn)闇囟瘸龑?duì)流體的密度、壓力等場(chǎng)量有直接影響之外，往往還強(qiáng)烈地影響著流體的物理性質(zhì)，如粘性。這些場(chǎng)量都是描述流場(chǎng)的基本物理量，當(dāng)然在一些特殊情況下還應(yīng)再加上其他的一些場(chǎng)量，如電磁流體力學(xué)中的電磁場(chǎng)等。281.梯度梯度是流場(chǎng)中流體物理量（如）在空間變化快慢程度的一種量度，它來(lái)源于等值面的方向?qū)?shù)。所謂等值面就是某一場(chǎng)量在空間量值相等的一個(gè)曲面，方向?qū)?shù)則是指場(chǎng)量函數(shù)值在空間某一方向上變化程度的一個(gè)數(shù)學(xué)概念。上述場(chǎng)量中有一部分是標(biāo)量，另一部分是矢量，要描述它的特征及其在空間的變化行為就不得不引入場(chǎng)論中的:梯度、散度和旋度29今有一標(biāo)量f，P為場(chǎng)內(nèi)的任一點(diǎn)，場(chǎng)量值為f，取P沿l方向上鄰近一點(diǎn)P′的場(chǎng)量值為f(P′)，如圖2－1所示，則場(chǎng)量在P點(diǎn)沿l方向的變化率為：（2-11）圖2-1方向?qū)?shù)與梯度30梯度31梯度來(lái)源于方向?qū)?shù)，但本身卻為矢量，其正方向規(guī)定為沿等值面的法線方向并且指向函數(shù)值增大的一側(cè)。在直角坐標(biāo)系下梯度常寫(xiě)為：

這里的為x，y，z三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量。32速度梯度332、散度

34散度35散度363、旋度

37Ωuusnωsa3839已知旋轉(zhuǎn)角速度為矢量，故流體的旋度也為矢量直角坐標(biāo)系，角速度的三個(gè)分量由線速度表示方向40相應(yīng)的旋度可表示為：

414跡線跡線的概念是拉格朗日框架下引入的一個(gè)概念。而力學(xué)中對(duì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述常用軌跡的概念，所謂軌跡就是這里所說(shuō)的跡線。

流場(chǎng)中的跡線就是流體質(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)所走過(guò)的軌跡。跡線的概念42設(shè)流場(chǎng)中某一質(zhì)點(diǎn)的速度在直角坐標(biāo)系下可表示為：則流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的空間坐標(biāo)所滿足的關(guān)系式為：為時(shí)間參數(shù)。

跡線的微分方程435.流線流線是在歐拉框架下引入的一個(gè)重要的概念，它的含義首先是流場(chǎng)中某一時(shí)刻的一條空間曲線。但這樣的曲線不是任意的，在這條曲線上每一流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向與該曲線的切線方向相重合。uuxM（x，y，z）uyuzT4445流線的性質(zhì)：MU4647流管、流束及流量486.流函數(shù)49507.勢(shì)函數(shù)

51流線等勢(shì)線由各流線上速度相同的各點(diǎn)連線稱為等勢(shì)線（等值線）5253543）流函數(shù)與勢(shì)函數(shù)之間關(guān)系

55單純平移單純線變形單純角變形單純轉(zhuǎn)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)的方式1.4流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析

56Vx+dVxVy+dVyVxVyDCAB討論運(yùn)動(dòng)方式與速度變化575859將以上分析的結(jié)果可以推廣到三維流場(chǎng)中去。

601.5邊界層的概念611、邊界層的特點(diǎn)：

622、邊界層厚度

邊界層的厚度，從理論上講，應(yīng)該是由平板的壁面處流體速度為零的地方一直到流速達(dá)到外界來(lái)流速度的地方，也即粘滯力正好不再起作用的地方。嚴(yán)格地說(shuō)，這一界限在無(wú)窮遠(yuǎn)處。

63是一個(gè)微量，這是邊界層的重要特征。643、邊界層內(nèi)的流動(dòng)特征邊界層流動(dòng)同樣有兩種狀態(tài)——層流和湍流。如圖5-2所示，在邊界層的前部，由于較小，速度梯度很大，粘性切應(yīng)力的作用就很大，這時(shí)流動(dòng)屬于層流，稱為層流邊界層。

65（a）層流邊界層（b）混合邊界層（c）紊流邊界層66當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)(如平板繞流Re＞3×105～3×l06)，經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡區(qū)后，層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎纬伤^湍流邊界層。湍流邊界層總是在平板的后部形成，因?yàn)檫@里的雷諾數(shù)很大。從層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥狞c(diǎn)稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。影響邊界層轉(zhuǎn)折點(diǎn)的因素很復(fù)雜，其中重要的因素有邊界層外流動(dòng)的壓力分布、壁面性質(zhì)，來(lái)流的湍流強(qiáng)度及其各種擾動(dòng)等。確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)的臨界雷諾數(shù)主要依靠實(shí)驗(yàn)。

6768應(yīng)當(dāng)注意，無(wú)論是過(guò)渡區(qū)還是湍流區(qū)，邊界層最靠近壁面的一層始終做層流流動(dòng)，這一層稱為層流底層，這主要是因?yàn)樵谧羁拷诿嫣幱捎诒诿娴淖饔檬乖搶恿黧w所受的粘性力永遠(yuǎn)大于慣性力。這里要特別說(shuō)明的是，邊界層與層流底層是兩個(gè)不同的概念。層流底層是根據(jù)有無(wú)脈動(dòng)現(xiàn)象來(lái)劃分，而邊界層則是根據(jù)有無(wú)速度梯度來(lái)劃分的。因此邊界層內(nèi)的流動(dòng)既可以為層流，也可以為湍流。694、不同來(lái)流速度時(shí)的邊界層對(duì)于管內(nèi)的流動(dòng)，當(dāng)流體速度較小時(shí)，即在Re數(shù)低于臨界值時(shí)，形成的邊界層如圖。靠管壁并隨流入深度增加時(shí)，層流流層厚度增加，在L后到達(dá)管軸，以后在整個(gè)管道截面上均保持層流流動(dòng)，截面的速度呈拋物線分布。L段稱管流的起始段，以后稱為充分發(fā)展了的管流流動(dòng)。充分發(fā)展的管流層流流動(dòng)70在流體速度較大時(shí)如圖，即當(dāng)Re數(shù)大于臨界值以后，流動(dòng)則由層流變?yōu)槲闪?，在層流邊界層的厚度還未達(dá)到管軸之前即進(jìn)入向紊流轉(zhuǎn)變的過(guò)渡區(qū)，而后，于紊流區(qū)僅保持了厚度較小的層流底層，大部分空間為紊流核心所占據(jù)。充分發(fā)展的管流紊流流動(dòng)71當(dāng)流體流過(guò)曲面時(shí)，由于曲面使流動(dòng)的有效截面改變，使邊界層外邊界上的流速改變，從而使壓力也隨流向而變化。因此，曲面邊界層具有不同于平面邊界層的特征，即存在邊界層脫離和產(chǎn)生旋渦流動(dòng)的現(xiàn)象。如圖，船的行駛，在后部產(chǎn)生了旋渦。曲面邊界層

72本章小結(jié)73第二章熱量的傳輸基本概念傳熱：由于溫度差引起的熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程統(tǒng)稱為傳熱。研究不同的物體間，或同一物體的不同部位間存在溫度差時(shí)，其間的熱量傳遞的規(guī)律。

傳熱的三種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射。74

1.

溫度場(chǎng)物體溫度隨空間坐標(biāo)的分布和隨時(shí)間而變化的規(guī)律。

溫度場(chǎng)是連續(xù)函數(shù)75討論：

762、等溫面

77等溫線特點(diǎn)：

783、溫度梯度

79804、熱流量與熱通量

81當(dāng)流體流過(guò)與其溫度不同的壁面時(shí)，流體與壁面之間發(fā)生熱量傳輸。溫度邊界層也稱熱邊界層：壁面溫度tw變化到主流溫度tf這一流體薄層稱為熱邊界層。5.熱邊界層8283熱邊界層的特點(diǎn)：8485第三章質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍?61.質(zhì)量傳輸?shù)姆绞?72．濃度場(chǎng)和傳質(zhì)的兩種狀態(tài)

88893．濃度梯度

904、濃度邊界層

IIICfCiCwYXCδc質(zhì)量邊界層的定義：流體流過(guò)固體（或流體）表面并與其進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程時(shí)，靠近表面存在濃度梯度的一薄層，稱為質(zhì)量邊界層