冶金传输原理课件

冶金传输原理北京理工大学材料学院宁先进[e-mail]15201621546课程简介：本课程40学时，考试课程教材：材料加工冶金传输原理，吴树森，机械工业出版社，2005参考书目：1.流体力学，林建忠等，20052.冶金传输原理，沈巧珍等，2006关于本课程传输现象（Transportphenomena）：物理量从非平衡状态向平衡状态转移的过程。传输现象涉及的领域：材料加工、冶金过程；制冷过程；机械工程；生化工程；环境工程；电子制造、封装平衡过程：物理系统内具有强度性质的物理量不存在梯度；第一章绪论本课程涉及到的物理量：动量、热量、质量动量传输：在垂直于实际流体流动方向上，动量从高速度区向低速度区的转移；热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移；质量传输：物质体系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移；牛顿粘性定律(Newton’slawofviscosity)：动量、热量、质量传输的相似性dvdvddyydvdy傅里叶定律（Fourier’slaw）:pppdCdCTdTdyCdyTqyd菲克定律(Fick’slaw)AAABdjDdy现象方程：扩数浓通量=-散系×度梯度•基础是质量守恒、牛顿第二定律、热力学第一定律•分析的核心：微元平衡法和整体平衡法理论分析的三个步骤：•1.建立物理模型•2.建立数学模型•3.数学求解传输过程的研究方法—理论研究方法•为建模提供依据•理论分析结果需要实验验证•复杂体系难以建模时，需要实验方法理论分析的三个步骤：•1.全条件实验（结果最可靠，成本最高）•2.经常借助于模型实验传输过程的研究方法—实验研究方法传输过程的研究方法----数值模拟Xian-JinNing,Quan-ShengWang,ZhuangMa,Hyung-JunKim,Numericalstudyofin-flightparticleparametersinlow-pressurecoldsprayprocess,JournalofThermalSprayTechnology,2010模拟举例：电子封装结构传热、应力分析模拟举例：铸造过程温度场分布随时间变化第二章流体的性质2.1流体的概念：能够流动的物体，如气体、液体。从力学角度来看，流体是一种剪切抗力极低的物质，受剪切力时发生显著的变形，即流动。1.液体：分子间距与其分子的有效直径相当，具有一定的体积，与容器大小无关，可以形成自由表面，可以认为是不可压缩流体。2.气体：分子间距远大于分子有效直径，形状和体积完全决定于容器的形状和体积，无自由表面，具有可压缩性。3.液体与气体的工程处理：气体的压力和温度变化不大，气体速度远低于声速时，可以忽略气体的压缩性，此时气体与液体具有类似的规律。2.2流体主要物理性质液体的压缩性与膨胀性1TTVVp等温压缩率：温度不变时，压力增加一个单位，流体体积的相对变化量1vPVVT体积膨胀系数：压力不变时，温度每升高1K时流体体积的相对变化量绝大部分液体的压缩性与膨胀率都很小，工程上一般不考虑其压缩性或膨胀性。但当压力、温度变化较大时（高压锅炉中），必须加以考虑。气体的压缩性与膨胀性理想气体状态方程：描述气体基本状态量P，V，T之间的关系PVnRTPRTPvRTR为理想气体常数；R=8.314J∙mol-1∙K-1R为特征气体常数；对于空气，R=287N∙m∙kg-1∙K-1，v=1/ρ为比体积：单位质量气体所占的体积2.3流体粘性与内摩擦定律1.流体粘性概念yF,v0Hv=v0v=0平板实验HA1/2流体速度分布形成的原因在于流体内部不同速度的层之间存在相互作用，其中快层拉动慢层，慢层阻碍快层，这种性质称流体的粘性。在做相对运动的两层的接触面上，存在大小相等，方向相反的作用力阻止层间相对运动，称为流体的粘性阻力或内摩擦力。2.牛顿粘性定律0()vFAH实验结果v+dvvdy()dvdy牛顿粘性定律3.流体的粘度动力粘度：单位Pa∙s，为流体的物理性质，在流体运动时显现出来，静止流体不考虑粘度。物理意义：当速度梯度为1单位时，单位面积上摩擦力的大小。dvdy运动粘度：工程计算中常用参数，单位m2/s单位Pa∙s。粘度常用单位换算：1Pa∙s=1000cp(厘泊)=10p(泊)粘度是温度和压强的函数，工程领域中，温度对粘度影响显著，压强对粘度影响不大温度升高时气体粘度增大；液体粘度减小；熔融金属液体的粘度减小；4.流体粘度的影响因素1000/T5.牛顿流体与非牛顿流体234切应力τ速度梯度dv/dy1粘塑性流体伪塑性流体牛顿流体胀塑性流体牛顿流体：如气体及大部分低分子液体。dvdy粘塑性流体（宾海姆塑性流体）：如纸浆、牙膏、污水泥浆。0dvdy伪塑性(n1)流体如高分子溶液、熔体和胀塑性(n1)流体如淀粉、硅酸盐悬浮液ndvdy除牛顿流体外，其他流体统称为非牛顿流体；本课程后续讨论时均为牛顿流体。第三章流体动力学总述流体动力学研究方法第一节流体运动的描述第二节连续性方程第三节理想流体动量传输方程-欧拉方程第四节实际流体动量传输方程-NS方程流体动力学的任务：研究流体在外力作用下的运动规律，内容包括流体运动的方式和速度、加速度、位移等随空间和时间的变化，以及研究引起运动的原因和决定作用力、力矩、动量和能量的方法。流体动力学的研究思路选取合适的流体模型MassisconservedNewton’ssecondlawEnergyisconserved获得流体物理本质的数学描述运用流体基本方程解决实际问题调用三大基本定律流体质点的概念：1.定义：流体质点就是在流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的体积中的流体分子总体。2.流体质点的物理含义：宏观尺寸非常小；微观尺寸足够大；包含足够多分子；形状可以任意划分；连续介质模型：流体是有无数流体质点组成的稠密而无间隙的连续介质。流体的物理量如速度、密度、温度、压强等均可以看做空间和时间的连续函数，从而可以利用连续函数进行表征。流体质点与连续性介质假设VMPVMPlimcVV∆M，∆VP∆M'，∆V'P∆Mc，∆VcPΔVcρΔV∆M/∆V第一节流体运动的描述1.拉格朗日法流场任一空间点上都对应一个流体质点，拉格朗日法着眼于流体质点描述，通过各流体质点的运动规律，即其位置随时间的变化规律来确定整个流场的运动规律。初始时刻时空间坐标为(a,b,c)的质点，其位置随时间变化的规律可表示为：,,,rrabct(,,,)(,,,)(,,,)xxabctyyabctzzabct拉格朗日变数任一物理量B：(,,,)BBabct2.欧拉法着眼于对流场空间点的描述方法，通过在流场中各个固定空间点上对流动的观察，确定流体质点经过该空间点时其物理量的变化规律。任一物理量B均构成物理量的场：(,,,)BBxyzt,,,rrxyzt欧拉变数例如速度场：T,P,V标量场()矢量场(),VVrtuivjwk,,,,,,,,,uuxyztvvxyztwwxyzt3.流体质点的随体导数背景：流体力学问题中，经常需要求解流体质点的物理量随时间的变化率，这种变化率称为质点的随体导数，也称物质导数或质点导数。(1)拉格朗日描述中的随体导数：(,,,)BBabctBtdBdt物理量的随体导数为,,,drabctdrVdtdt2222,,,drabctdradtdt,,,,,,,,,udxabctdtvdyabctdtwdzabctdt222222,,,,,,,,,xyzadxabctdtadyabctdtadzabctdt(2)欧拉描述中的随体导数：(,,,)BBBxyztx,y,ztx,y,zt物理量中的()具有双重含义1.代表流场中的空间坐标；2.代表时刻某个流体质点的空间位置；从跟踪流体质点的角度看，均为时间的函数，因此物理量随时间的变化率为：(,,,)DBxyztBxByBzBDtxtytzttBBBBuvwxyzt,BijkxyzDBBVBDtt引入哈密尔顿算子=则物理量的全导数当地导数或局部导数，反映固定点流体质点物理量随时间的变化率，表示流场的非定常性。迁移导数，反映同一流体质点从一个空间点迁移至另一空间点的物理量变化率，表示流场的非均匀性。对于定常场(稳定流)，流场物理量不随时间变化，0Bt对于均匀流场，物理量在不同空间点均相等，0B欧拉描述中的随体导数的例子：速度矢量的全导数欧拉描述中，流体质点的加速度为：DVVVVDttVVVVuvwtxyzaxyzuuuuauvwtxyzvvvvauvwtxyz4.迹线与流线、流管与流量(1)迹线：流体质点在流场运动中的轨迹，即流体质点运动位置的几何表示，每一个流体质点都有一个运动轨迹。针对拉格朗日描述(流体质点的位置)，想办法消去时间t即可得到t=0时刻位于(a,b,c)处质点的迹线方程。(,,,),(,,,),(,,,)xxabctyyabctzzabct针对欧拉描述(给出流场速度场)，需要联立积分方程组消去t，从而得到迹线族的表达式，确定具体质点即可得到该质点的迹线。(,,,)(,,,)(,,,)uuxyztdxdtvvxyztdydtwwxyztdzdt迹线族(,,,)(,,,)(,,,)xuxyztdtyvxyztdtzwxyztdt(2)流线：流场中一条曲线，某一时刻，位于该曲线上的所有流体质点运动方向均与该线相切，该曲线称为流线。流线是同一时刻不同流体质点组成的曲线。它给出该时刻不同流体质点的运动方向。:根据流线定义,速度方向与流线切向重合,得流线方程0drV:(,,,)(,,,)(,,,)xyzdxdydzVxyztVxyztVxyzt或注意此处t为常数,,(,)(,)vxuy1+tt=0abt=0ab确定：例题：设流场速度分布为：(1)在时过点的流线方程；(2)在时过点的迹线。试解(1)根据流线的定义(,,,)(,,,)dxdyuxyztvxyzt(1)dxdytxy两边积分整理得流线方程为：tcyxe流线簇一般不同时刻有不同的流线，称为流谱，t=0时，流谱为：即：cyxet=0,且过(a,b)的流线为：byxa解(2)对速度分量积分，联立得：(,,,)1(,,,)dxxuxyztdttdyvxyztydt112xct:yce解微分方程并消去得x-2a11t=0,x=a,y=bc=a,c=b,(a,b)y=be根据时得因此质点的迹线为迹线簇(3)流线的性质：通过流场内的任何空间点，都有一条流线，在整个空间中就有一组曲线族，亦称流线族流线是不能相交的，即某一瞬间通过任一空间上，只能有一条流线．（否则某一点出现两个不同速度，与物理事实矛盾）在不稳定流动下，流线与迹线不重合；稳定流动下，流线与迹线重合。(4)流面：流场中的任意曲线(非流线)，过此曲线每一点做流线,这些流线所构成的曲面称流面。dA曲线L流管：流场中的任意封闭曲线(非流线)，过此曲线每一点做流线，这些流线所构成的管状曲面称流管。流管流束或微元流管流管特点：流管不能相交，不能中断；截面面积很小的流管称流束或微元流管，其极限为流线，可认为界面上速度处处相同，且界面看为平面(5)流量与平