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1、传输原理(第一讲)宗燕兵1第1页，本讲稿共35页为什么把为什么把“三传三传”放在一起讲放在一起讲 “三传三传”具有共同的物理本质具有共同的物理本质都是物理过程都是物理过程 动量传输：垂直于流线方向，由高速度区向低动量传输：垂直于流线方向，由高速度区向低 速度区转移；速度区转移；热量传输：高温区向低温区（平行于传递方向）；热量传输：高温区向低温区（平行于传递方向）；质量传输：高浓度区向低浓度区（平行于传递方向）。质量传输：高浓度区向低浓度区（平行于传递方向）。2第2页，本讲稿共35页“三传三传”具有类似的表述方程和定律。具有类似的表述方程和定律。牛顿粘性定律 傅里叶定律 菲克定律 A为组分分A在
2、在B中中的的质量量浓度度第3页，本讲稿共35页各量的传递方向均与其各量的传递方向均与其“浓度浓度”方向相反方向相反第4页，本讲稿共35页传输过程研究方法1 理论研究：建立物理模型 建立数学模型 求解2 实验研究3 有限元分析及仿真模拟 第5页，本讲稿共35页 学习冶金传输原理有两个最基本的目的：学习冶金传输原理有两个最基本的目的：第一第一第一第一 理解各种传输现象的机理，及相应数学模型建立理解各种传输现象的机理，及相应数学模型建立理解各种传输现象的机理，及相应数学模型建立理解各种传输现象的机理，及相应数学模型建立方法；方法；方法；方法；第二第二第二第二 为将来所要研究的相关成型过程提供基础数学
3、模为将来所要研究的相关成型过程提供基础数学模为将来所要研究的相关成型过程提供基础数学模为将来所要研究的相关成型过程提供基础数学模型，以此为基础，可以对成型过程进行模拟研究，加型，以此为基础，可以对成型过程进行模拟研究，加型，以此为基础，可以对成型过程进行模拟研究，加型，以此为基础，可以对成型过程进行模拟研究，加速研发过程，降低研发成本。速研发过程，降低研发成本。速研发过程，降低研发成本。速研发过程，降低研发成本。6第6页，本讲稿共35页第一章第一章流体的性质流体的性质 1.11.11.11.1 流体的定义和特征流体的定义和特征1.21.21.21.2 流体作为连续介质的假设流体作为连续介质的假
4、设1.31.31.31.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 表面力表面力 质量力质量力1.41.41.41.4 流体的密度流体的密度1.51.51.51.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性1.61.61.61.6 流体的粘性流体的粘性1.71.7 粘性动量通量粘性动量通量7第7页，本讲稿共35页1.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要形态：自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态固态、液态和气态一、流体的定义一、流体的定义一、流体的定义一、流体的定义具有具有流动性流动性的物体（即能够流动的物体）的物体
5、（即能够流动的物体）。流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。流体包括液体和气体流体包括液体和气体CDBAdbadydudtABFF8第8页，本讲稿共35页1.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征一、流体的定义一、流体的定义一、流体的定义一、流体的定义液体与气体的区别液体与气体的区别 液体的流动性小于气体；液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取容器的形状；液体具有一定的体积，并取容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积气体充满任何容器，而无一定体积。二、流体的特征二、流体的特征二、流体的特征二、流体的特征流动性流动性9第
6、9页，本讲稿共35页1.2 1.2 1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设 微观：微观：微观：微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。存有空隙，在空间是不连续的。宏观：宏观：宏观：宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。距离大得多。问题的引出：问题的引出：10第10页，本讲稿共35页1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设 定义：不考虑流体分子间的间隙，把定义：不考虑流体分子间的间隙，把定义：不考虑流体分子间的间隙，把定义：
7、不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无流体视为由无 数连续分布的数连续分布的流体微团流体微团组成的连续介质。组成的连续介质。流体流体微团微团必须具备的两个条件：必须具备的两个条件：必须包含足够多的分子；必须包含足够多的分子；体积必须很小。体积必须很小。一、流体的一、流体的连续介质假设连续介质假设流体微团又叫流体质点。流体微团又叫流体质点。11第11页，本讲稿共35页选择选择按连续介质的概念，流体质点是指（按连续介质的概念，流体质点是指（）A 流体的分子；流体的分子；B 流体内的固体颗粒；流体内的固体颗粒；C 几何的点；几何的点；D 几何尺寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体。几何尺
8、寸同流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体。12第12页，本讲稿共35页1.2 1.2 流体的连续介质假设流体的连续介质假设1.1.避免了流体分子运动的复杂性避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏，只需研究流体的宏 观运动。观运动。2.可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。二、二、采用采用流体流体连续介质假设的优点连续介质假设的优点（满足微积分上连续性的需要，可求极限。）（满足微积分上连续性的需要，可求极限。）13第13页，本讲稿共35页1.3 1.3 1.3 1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力作用在流体上的力作用在流体上的力
9、两类作用在流体上的力：两类作用在流体上的力：表面力和质量力表面力和质量力一、表面力一、表面力1.应力：单位面积上的表面力。应力：单位面积上的表面力。分离体（研究对象，如流体质点或流体微团）以外的流体分离体（研究对象，如流体质点或流体微团）以外的流体或物体通过或物体通过分离体的表面作用在其上的力，分离体的表面作用在其上的力，大小与作用面积成比例。大小与作用面积成比例。14第14页，本讲稿共35页1.3 1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力一、表面力一、表面力2.法向法向应力和切向应力应力和切向应力 例如：摩擦力（切向应力）、压强（法向应力）例如：摩擦力（切向应力）、压强（法向应力）单位单位:
10、Pa15第15页，本讲稿共35页1.3 1.3 作用在流体上的力作用在流体上的力二、质量力二、质量力 作用在每个流体微团上的力，作用在每个流体微团上的力，大小与流体质量成正比。大小与流体质量成正比。例如：重力、电磁力、惯性力例如：重力、电磁力、惯性力静止液体所受的质量力：X=0，Y=0，Z=-mg16第16页，本讲稿共35页1.4 1.4 流体的密度流体的密度一、流体的密度一、流体的密度单位体积流体所具有的质量。单位体积流体所具有的质量。单位：单位：kg/mkg/m3 3 常见流体的密度：常见流体的密度：水水1.010103 3 kg/m3 （4度）空气空气1.293 kg/m3 水银水银13
11、.610103 3 kg/m3均匀流体：均匀流体：流体重度：流体重度：单位单位：N/m317第17页，本讲稿共35页1.4 1.4 流体的密度流体的密度二、流体的相对密度二、流体的相对密度(比重）比重）流体的密度与流体的密度与4 4o oC C时水的密度的比值。时水的密度的比值。式中，式中，f f 流体的密度（流体的密度（kg/mkg/m3 3）w w4 4o oC C时水的密度时水的密度（kg/mkg/m3 3）18第18页，本讲稿共35页1.4 1.4 流体的密度流体的密度三、流体的比容三、流体的比容单位质量的流体所占有的体积，是流体密度的倒数。单位质量的流体所占有的体积，是流体密度的倒数
12、。单位：单位：m m3 3/kgkg19第19页，本讲稿共35页一、流体的压缩性一、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数压缩系数 单位压力增加所引起的体积单位压力增加所引起的体积相对变化量相对变化量1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性注意单位！20第20页，本讲稿共35页1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性流体体积随着温度的增大而增大的性质。流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.体胀系数体胀系数 单位温度增加所引起的体积单位温度增加所引起的体积相对变化量相对变化
13、量注意单位！21第21页，本讲稿共35页三、可压缩性流体和不可压缩性流体三、可压缩性流体和不可压缩性流体 可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体 可压缩流体：考虑可压缩性的流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体 不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性22第22页，本讲稿共35页1.6 1.6 1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性1.1.粘性的定义粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力
14、）的性质。摩擦力（即粘性力）的性质。(1)(1)库仑实验库仑实验(1784)(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。CDBAdbadydudtF法国物理学家法国物理学家 (1736-1806)23第23页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)1 1.粘性的定义粘性的定义(续续)(2)(2)流体粘性表现在：流体粘性表现在：流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性力，流体运动时，内部各流体微团之间会产生粘性力，由此在流体中产生速度梯度；由此在流体中产生速度梯度；流体运动时，流体附着
15、在壁面上，此处速度为零（无滑流体运动时，流体附着在壁面上，此处速度为零（无滑移边界条件）。移边界条件）。24第24页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)2.2.牛顿内摩擦定律（或粘性定律）牛顿内摩擦定律（或粘性定律）(1)(1)牛顿平板实验牛顿平板实验板受到的摩擦力近似为板受到的摩擦力近似为“每层每层”流体间的流体间的内摩擦力内摩擦力。现象：自上而下一层带动一层，现象：自上而下一层带动一层，运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动，运动快的流动层带动着运动慢的流动层向前运动，运动慢的流动层阻碍着运动快的流动层，运动慢的流动层阻碍着运动快的流
16、动层，说明层间存在有摩擦力。说明层间存在有摩擦力。当当h和和U不是很大时，不是很大时，因为该力存在于流体内部，故称为因为该力存在于流体内部，故称为内摩擦力内摩擦力。25第25页，本讲稿共35页当当h h和和U U不是很大时不是很大时，两平板间沿，两平板间沿y y方向的方向的流速流速呈线性分布，呈线性分布，板受到的摩擦力近似为板受到的摩擦力近似为“每层每层”流体间的内摩擦力流体间的内摩擦力F。当当h和和U不是很大时，不是很大时，26第26页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(或粘性定律或粘性定律)()(续续
17、)实验表明，对于实验表明，对于大多数大多数流体，存在内摩擦力流体，存在内摩擦力引入比例系数引入比例系数，得：，得：粘性剪切应力粘性剪切应力A为两个流体层接触面的面积。为两个流体层接触面的面积。N/m227第27页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(续续)(2)(2)牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律(续续)说明：说明：粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正比；(2)(2)比例系数称比例系数称动力粘度动力粘度，简称粘度。，简称粘度。牛顿内摩擦定律：流动产生的牛顿内摩擦定律：流动产生的内摩擦切应力内摩
18、擦切应力与接触面法线方与接触面法线方向的向的速度梯度成正比。速度梯度成正比。28第28页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)流体粘性大小的度量流体粘性大小的度量,由流体流动的由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。内聚力和分子的动量交换引起。(1)(1)动力粘度动力粘度(2)(2)运动粘度运动粘度3.3.粘度粘度(动量扩散系数）动量扩散系数）注意单位注意单位会换算会换算29第29页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性(续续)3.3.粘度（续）粘度（续）粘度（续）粘度（续）(3)(
19、3)粘度的影响因素粘度的影响因素温度温度对流体粘度的影响很大对流体粘度的影响很大温度压力压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：液体：液体：液体：分子分子分子分子内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度气体：气体：气体：气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大3
20、0第30页，本讲稿共35页若某流体的动力粘度,粘性切应力则该流体的流速梯度()31第31页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性二、粘性流体和理想流体二、粘性流体和理想流体1.1.粘性流体粘性流体粘性流体粘性流体 具有粘性的流体（具有粘性的流体（00）。实际流体都是粘性流体。）。实际流体都是粘性流体。2.2.理想理想流体流体流体流体 忽略粘性的流体（忽略粘性的流体（=0 0）。一种理想的流体模型。）。一种理想的流体模型。举例举例：（1）静止流体；静止流体；（2）惯性力和粘性力相比很大时，可以忽略粘性的存在，）惯性力和粘性力相比很大时，可以忽略粘性的存在，认为是理想流体，简化计算。
21、认为是理想流体，简化计算。32第32页，本讲稿共35页1.6 1.6 流体的粘性流体的粘性三、牛顿流体和非牛顿流体三、牛顿流体和非牛顿流体1.1.牛顿牛顿流体流体流体流体 2.2.非牛顿非牛顿流体流体流体流体 符合牛顿内摩擦定律的流体。符合牛顿内摩擦定律的流体。如水、空气、汽油和水银等如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体。不符合牛顿内摩擦定律的流体。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。33第33页，本讲稿共35页1.7 1.7 1.7 1.7 粘性动量通量粘性动量通量单位单位：单位时间通过单位面积的单位时间通过单位面积的动量动量，称为，称为动量通量动量通量。粘性切应力动量通量34第34页，本讲稿共35页 谢谢！谢谢！第35页，本讲稿共35页