传输原理教案1

传输原理教案任课教师：游杰刚适用专业：材料学内容重点、要点传输原理绪论主要内容：动量传输：流体的物性、流体静力学及流体动力学等内容。热量传输：热量传输的基本概念，热量传输微分方程、传导传热、对流传热和辐射传热及综合传热。质量传输：质量传输基本概念、质量传输微分方程、质量传输基本定律、相间传质。燃料燃烧：燃料种类与燃料的组成、燃烧计算、空气消耗系数。教材、主要教学参考书及资料：1、《冶金炉热工基础》刘人达主编冶金工业出版社2、《冶金传输原理》张先棹主编冶金工业出版社3、《硅酸盐工业热工过程及设备》姜金宁主编冶金工业出版社学习本课程的要求：1、课前预习、课上注意听讲、并认真做好笔记；2、课后一定要认真复习，在理解问题的基础上独立完成课后作业；3、有问题及时提出，及时得到解决。成绩评定方法：期末考试80%+平时成绩10%+试验成绩10%1、平时成绩的给定方法是：出勤率+平时的测验成绩；坚持出勤，三次点名无故不到者不允许参加考试。2、认真做实验，没有实验报告的和试验成绩不及格者不允许参加期末考试。联系方式：地点：材料学院A226，A435电话：5929542，5929534邮箱：[e-mail]内容重点、要点传输原理第一章动量传输（流体力学、工程流体力学）流体力学基本概念：概念：流体力学、液体力学、气体力学(了解)；连续介质模型(了解)；流体的密度、重度；流体的属性（流动性、压缩性、粘性（重点））1流体力学的基本概念定义：流体力学：流体力学是力学的一个分支，它是研究流体运动和平衡的规律及流体与固体，流体与流体之间相互作用的一门学科。流体力学包括：液体力学；气体力学。液体力学：通常以水作为流体的代表，固称为水力学。由于液体的体积不会随着压力的变化而改变，所以在研究液体运动的过程中，通常可以认为流场上的各点密度保持不变，即：ρ＝C。因为对于一定质量的液体来说，它的体积不变，密度自然也就是常数。这种等密度流动是水力学的一个重要特点。气体力学：主要研究气体运动的规律。由于气体的体积会随着压力的变化而改变。压力增大，体积会缩小；压力减小，体积会变大。所以在研究气体运动的过程中，可以认为密度在流场中是变化的，即：C。这种变密度流动是气体力学的特点。但是，我们要特别注意的是：对于低速运动的气体，我们通常认为是等密度的，即：C。这门课程主要采用国际单位制，但是有时也会使用工程单位制，所以我们在做题时一定要注意国际单位制与工程单位制的换算。1.1流体与连续性介质假设1.1.1流体（气体，液体）液体：有自由表面，分子间距小，体积大小不变。气体；没有自由的表面，分子间距大，体积随容积的变化而变化。流体的流动性：流体受到微小剪切力发生连续变形时的性质称为流体的流动性。1.2.1连续型介质假设连续介质：在时间和空间上连续分的物质。1753年，欧拉(瑞士数学家)提出，将流体看成是由无数质点组成的稠密而无间隙的连续介质。目的：用连续函数的解析方法来研究流体的传输理论。要点：连续介质模型内容重点、要点1.2.2流体的密度和重度1）流体的密度流体的密度：单位体积内流体具有的质量。以表示，单位：3/mkg；对于均匀流体：Vm；对于非均匀流体：Vm；点的密度：0limlimVmV＝dVdm式中：m—流体的质量，kg；V—流体的体积，3m；—平均密度，3/mkg；对于多组分的流体，如果没有体积效应，则多组份流体的密度为：niiix1；（ni3,2,1）式中：i—为i组分的密度；ix—为i组分流体在混合流体中的体积份数；比重：流体在某一温度下的比重为液体在该温度下的密度与4℃的纯水密度的比值；℃水，4iid2）流体的重度流体的重度：单位体积流体的重量；以表示，单位3/NmgVmV＝＝G3/Nm点重度00GlimlimVVmgVV＝＝式中：g—重力加速度，9.812/smG—流体的重力，N；3）流体密度与重度的关系ggVmV＝＝G1.2流体的属性1.2.1流体的流动性从力学分析的角度来看，流体与固体的主要差别在于他们对于外力的抵抗能力不同。我们知道，固体能抵抗一定大小的拉力、压力和剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生一定程度的相应变形，只要作用的外力保持不变，固体的变形也就不会变化。而流体则不然，流体不能承受拉力，而且任何微小剪切力的作用都将使流体产生连续不断的变形，只要这种作用力继续存在，流体就将继续变形，这就是流体的流动。只有当外力停止作用时，流体的变形才会停止。要点：密度，重度及其相互间的关系内容重点、要点流体的这种在外力作用下的连续不断变形的特性称为流体的流动性。1.2.2流体的压缩性1）流体的压缩性定义：流体的压缩性：流体受到压力作用时，其体积发生膨胀的现象；通常压缩系数p表示。dpdvVp12）气体的热膨胀性气体分子间距较大，彼此间的引力很小，当压力或温度发生变化时，其体积密度或重度都将相应地发生变化。对理想气体，这种变化的数量关系可用气体状态方程进行全面的概括。所谓理想气体(又称完全气体)是这样一种假想的气体，其分子本身不具有体积，分子间无作用力。在工程上，当气体比容大到足以使气体分子的体积和分子间的相互作用力可以忽略不计时，均可当作理想气体来处理。这在实际中是很普遍的，如在常温常压下氧、氯、氢、二氧化碳和空气等都可视为理想气体。所以，理想气体的概念无论在理论上，还是在实践上都是有意义的。根据气体实验定律可得出理想气体的状态方程为：RTMmnRTPV式中：M—气体的分子量；molg/R—热力学常数；8.314kmolJ/MRTP其中：对于空气MR＝287gkkJ；对1mol气体，在标准状态下，即P＝P0＝l0l325Pa，T=T0=273.15K时，任何气体的体积都是V0＝22.4L。1）等温过程2211PP或2211VPVP；对于空气：标态293.103/mkg；有00PP；2）等压过程2211TT或2211TVTV；对于空气有：00TT；由此可以看出，气体的体积随压力和温度有明显的变化。气体是易于被压缩的流体；一般称气体为可压缩流体。特别是在流速较高、压强变化较大的场合，体积变化是不容忽视的。必须把其密度作为变化的量，但在流动过程中流速不大、压强变化较小的场合，却可忽略压缩性的影响，要点：理想流体状态方程标准状态，及其状态参数。内容重点、要点而把气体当作不可压缩流体处理。3）综合方程式对于一定质量的流体有：111TP＝222TP；1.2.3流体的粘性1）定义：流体运动时，其内部质点沿接触面相对运动，产生内摩擦力以抵抗剪切变形的性质就是流体的粘性。2）牛顿内摩擦力的大小牛顿在1687年最早针对最简单的剪切运动做了一个著名的实验，并且建立了切向压力与剪切变形速度之间的关系。假定垂直距离为h的两平行板间有一种流体，如图1—1所示。上板不动，下板在t＝0时，以速度υ开始运动。t=0，下板开始运动t小时，不稳定流中的t大时，稳定流中最终速度分布速度分布图l－1平行平板间流体的层流试验表明，贴近平板的流体，其速度与平板本身的运动速度相同。因此，贴近下板的流体以速度υ流动，而上板附近的流体速度为零。随着时间的推移，流体获得动量，经过足够长的时间后达到稳定状态，其速度是由上板处的零均匀的变化到下板处的速度υ。这就是说，平板之间的各流层都将会有相对运动，因而必定产生切向阻力。若要维持这种运动，必须在下板上施加一个作用力。在稳定状态下，对于面积为A的平板和层流，有如下关系式：dydAdydA（2/mN，aP）式中：—剪切力，aP；dyd—速度梯度；—比例系数，称为粘度系数，SPa；—作用力；N；A—面积；2m。重点：流体的粘性。牛顿性流体。要点：影响粘度的因素xyυυυ内容重点、要点上式即为著名的牛顿粘性定律。由上式可见，流场中速度分布不均匀时会产生动量传递，动量传递的方向是速度梯度的负方向，即动量从高速区传向低速区。速度梯度可以看作是动量传递的“推动力”。3）粘度产生的机理(1)流体分子间的内聚力；(2)流体分子等微观粒子的热运动。4）影响粘度的因素(1)压力的影响对于液体，压力对粘度的影响很小，可以忽略。对入气体，压力对粘度的影响很大，不可忽略。(2)温度的影响对于液体，当温度升高时，粘度下降。液体温度升高，分子间距加大，引力减弱。对于气体，当温度升高时，粘度增加。气体温度升高，分子运动加剧，碰撞的几率增加。(3)运动粘度流体的粘度系数与密度的比值称为运动粘度。sm25）牛顿流体与非牛顿流体图1-2稳定流流体的剪应力－应变率关系曲线凡服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。例题:设有粘性系数u＝0.05Pa.s的流体，沿壁面流动，速度分布为抛物线，在y＝60mm，vxmax=1.08m/s，如图所示。求y=20mm、40mm、60mm处的切应力。解：根据已知边界条件，即y=0处vx=0y=60mm处vmax=1.08m/s由此得出抛物线方程为vx=1.08-300(0.06-y)2内容重点、要点dvx/dy=600(0.06-y)τ＝μdvx/dy＝0.05×600(0.06-y)将y=0,0.02,0.04,0.06分别代入以上三式中，可得y(m)00.020.040.06vx(m/s)00.60.961.08dvx/dy（1/s）3621120τ(Pa)1.81.20.60作业1、储气管内有100m3的煤气，温度为293K，压强为106400Pa，现将它压缩装罐，装罐的压力为1013250Pa，温度为313K，若每罐的容积为0.1m3，问可以装几罐？2、氧气瓶的容积为20升，原有绝对压力为100工程大气压，温度为15℃。在放出部分氧气后，压力下降为76工程大气压，温度降为10℃，问放出的氧气重量为多少？1.3作用在流体上的力在流场中任取一空间体积，以A表示此体积的边界面，以V表示其体积，如图l－3所示。作用在此体积上的外力不外乎有两类，周围流体对边界面作用的接触力以及质量力场对此体积中的流体质量所作用的力，前者称作表面力或面积力，后者称作质量力或体积力。1.3.1质量力定义：作用在流体的中心，与质量成正比。质量力作用在流体的每一个质点上，其大小与流体的质量成正比。对于均质流体，质量力的大小与受作用的流体的体积成正比，所以又称为体积力。工程上常遇到的质量力是重力和惯性力。其中，惯性力又分为直线惯性力和离心惯性力。对于某些冶金过程，当熔融金属和离子导电的熔渣在强大磁场作用下流动时，电磁力也是一个附加的质量力。若以f表示质量力场对于单位质量流体的作用力，则作用在△V体积上的质量力为：△F＝f•△V•ρ于是整个体积的质量力为：VVfF或VdVfF通常情况下：f为x，y，z，t的已知函数。即：f＝f（x，y，z，t）。1）重力：流体受地心引力的作用：Gmg；重点：质量力：单位质量力，重力，只限惯性力，离心惯性力；表面力：切向力，发向力内容重点、要点2）直线惯心力：流体在盛装的容器中作加速度为a的运动时，所受到的直线惯心力：Ima3）离心惯性力：流体在盛装的容器中绕中心轴Z作等角速度w旋转时，流体受到离心惯心力为：2Rmwr那么，流体所受的总的质量力为：2()wmgawr在直角坐标系中：()wmxiyjzk若以X，Y，Z分别表示合成加速度w在x，y，z轴上的分量，则合力,wXxi,wYyk,wZzk1.3.2表面力定义：作用在流体表面上的力，并与表面积成正比。分类：表面力可分为法向力（压应力）和切向力（粘性力）两种。1）法向力（压应力，静压力）limApPA2）剪切力limATA1.3.3微元体受力分析上图为正方体的流体微团。图中表示出了作用在流体微团上的9个应力分量。其中双下标的含义是：第一个下标表示应力作用面的法线方向，第二个坐标表示应力的方向。要点：受力分析（了解）dAAτpxxxxxyyyxzxzy