冶金原理 动量传输的基本概念
1 动量传输基本概念
1. 动量传输的基本概念
• 物质连续地分布于其所占有的整个空间， 物质宏观运动的物理参数是空间及时间 的可微连续函数。对于连续介质模型， 微积分等现代数学工具可以加予应用。
1. 动量传输的基本概念
1.1 流体及连续介质模型
• 流体的密度
1.2.1 惯性
9
m lim v 0 V
• ΔV 从宏观上看应足够小， 而从微观上看应足够大。 • 对于均质流体
1. 动量传输的基本概念
27
1.5 体系与控制体
• 体系（系统）：一些具有特性固定不变的物质的集合 • 控制体：大小、形状、位置不随时间而变化的流动区域 三大守恒定律在在研究区域内描述 • 质量守恒定律： 体系：体系内质量随时间的增加率=0 控制体：控制体内质量随时间的增加率=单位时间流入 控制体质量的速率 - 单位时间流出控制体质量的速率 或表为：控制体内质量随时间的增加率 +单位时间净输出控制体质量的速率 =0 1. 动量传输的基本概念
m V
1. 动量传输的基本概念
1.2 流体的主要物理性质
流体的密度
10
• 只有当流体是连续介质时，流体的一切物理属性 均可以看作是坐标和时间的连续函数。可以用微 积分来处理问题。
流体的比容
• 即密度的倒数。
V m 1 m3 kg
流体的重度
• γ=ρg
1. 动量传输的基本概念
1.2.1 流体的惯性
P • 对于气体可以当作理 P v RT 想气体来处理，即气 R0 体满足理想气体状态 R M 方程。 • R0：气体常数， kgf m • 工程单位制中： R0 848
kmol K
11
• 国际单位制
第一章 动量传输基本概念
⎞ ⎟ ⎟ ⎠T
1.1 流体的概念及连续介质模型
连续介质模型
流体是由无数连续分布的不存在空隙的质点所组成的连 续介质。 流体力学所研究的不是个别分子的微观运动,而是流体 在外力作用下的宏观特性,即大量分子的统计平均特性,把 流体看作是充满其所占空间,由大量没有间隙存在的连续 质点所组成的. 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。 连续性假设意味着流体介质在宏观上是连续的,故其质 点运动也是连续的。引入这一假设以后可以对流体的平衡 及运动进行简化,利用连续函数进行数学处理。
表示气体在标准状态下的压强、体积和绝对温度，气体 的质量为m，分子量为M。R＝8.314J/mol·K 为通用气体常 数，即单位量的气体温度升高1K时对外所做的膨胀功。
1.2 流体的主要物理性质
气体的可压缩性
对于气体，在压力变化不太大（压力变化小于10千帕） 或流速不太高（v〈70米/秒〉条件下（如流速较低的通风管 道），气体压缩程度很小，可忽略气体密度变化而作为不可 压缩流体来处理。实际流体都是可压缩的,不可压缩流体是 为了便于处理当密度变化较小时的某些流体所作的假设。
dy
粘性动量通量与在y方向上的动量浓度梯度成正比。负号表 示动量通量方向和动量浓度梯度方向相反，即动量从高速到 低速的方向传输，这和热量从高温向低温传输一样。
1.4 作用在流体上的力
流体静力学是研究流体在外力作用下处于相对静止状 态下的平衡规律。在重力场中，由于重力是不变的，静止 时变化的仅仅是压力，因此其实质是讨论静止流体内部压 力(压力)分布的规律。流体静力学主要研究重力场的作用 下流体处于静止状态时各种物理量的变化规律，处于静止 状态的流体,粘性将不再起作用，所以可按理想流体平衡 时的规律对其进行研究求解。 在流场中任取一空间体积，以A表示表面积，V表示体 积，则作用在此体积上的外力包括表面力和质量力（体积 力）。
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算（原创实用版）目录一、材料加工冶金传输原理1.动量传输2.热量传输3.质量传输二、自然对流传热的计算1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算三、材料加工冶金传输原理在实践中的应用1.材料加工中的应用2.冶金工程中的应用正文一、材料加工冶金传输原理材料加工冶金传输原理涵盖了流体力学、传热学及传质学课程的内容。
从动量、热量及质量传输的角度，阐述了流体流动过程、传热过程以及传质过程的基本理论。
1.动量传输：动量传输是指流体在运动过程中，流体微团之间及流体与固体壁面之间的相互作用。
动量传输的基本方程是牛顿运动定律在流体力学中的推广，即动量守恒定律。
2.热量传输：热量传输是指流体中温度不同的各部分之间由于温差而引起的热量流动。
热量传输的基本方程是热力学第一定律在流体力学中的推广，即能量守恒定律。
3.质量传输：质量传输是指流体中浓度不同的各部分之间由于浓度差而引起的质量流动。
质量传输的基本方程是质量守恒定律在流体力学中的推广。
二、自然对流传热的计算自然对流传热是指流体在自然对流条件下的传热过程。
对于小型冷藏柜和家用电冰箱等制冷装置中的自然对流空气冷却式冷凝器，可以采用一种比较简单的近似传热计算方法。
1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算：自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算主要包括冷凝器的热负荷、传热系数和传热面积等参数的确定。
通过这些参数的计算，可以得到冷凝器的传热效果。
2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算：强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算需要考虑强制通风对传热效果的影响。
通过对强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算，可以优化制冷装置的性能。
三、材料加工冶金传输原理在实践中的应用材料加工冶金传输原理在材料加工和冶金工程实践中具有广泛的应用。
1.材料加工中的应用：在材料加工过程中，需要对金属进行熔化、铸造、轧制等操作。
在这些过程中，需要对流体流动、传热和传质等过程进行精确控制，以保证材料的性能和加工质量。
冶金传输原理(三传
一、动量传输层流：流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和掺混，这种流线呈平等状态的流动称为层流表面力：作用于流体微元界面（而非质点）上的力，该力与作用面的大小成比例流体的流动型态分为层流和紊流作用于流体上的力是表面力和质量力两种不同流体的分界面一定是等压面动量传输方式有物性动量传输和对流动量传输黏性系数：表征流体变形的能力，由牛顿粘性定律所定义的系数，速度梯度为1时，单位面积上摩擦力的大小不可压缩流体：流体密度不会随压强改变而改变或该变化可忽略的流体速度边界层：在靠近边壁处速度存在明显差异的一层流体，即从速度为0到0.99倍的地方成为速度边界层理想流体：不存在黏性力或者其作用可以忽略的流体牛顿流体：符合牛顿粘性定律，流体剪切应力与速度梯度的一次方成正比的流体动量通量：单位时间通过单位面积的动量变化N/m2等压面：1等压面就是等势面2作用在静止流体中任一点的质量力必然垂直于通过该点的等压面3两种不同流体间的分界面一定是等压面流体流动的起因：自然流动、强制流动连续介质：将流体视为由连续不断的质点群构成;内部不存在间隙的介质流体微团（微元体法（精确解））：由质点组成的微小的流体单元控制体（控制体法（近似解））:流场中某一确定的空间区域，其周界称为控制面场：在空间中每点处都对应着某个物理量的精确值，在该空间存在该物理量的场附面层（边界层）：具有黏性的流体，流过固体表面时，由于流体的黏性作用在固体表面附近会形成具有速度梯度的一个薄层区域，此区域叫做附面层梯度：垂直于等值面，指向方向导数最大的方向流体动量传输的阻力损失：摩擦阻力和局部阻力流体流动的基本能量：动能、热能动量传输的实质：力和能量的传递相似理论：具有相同运动规律的同类物理现象作类似现象中，表征过程的同类各物理量之间彼此相似相似条件：1几何相似：两类现象各部分比例为常数2物理相似：物理过程相同，数学描述相同3初始条件和边界条件相似(包括几何和物理)相似的充要条件：相似常数存在，相似准数相等因次（量纲）：物理量单位的种类因此和谐原理：物理方程中各项的因此必须相等Π定理：Π=n-m n：物理量个数，m：基本因次个数Π：独立相似准数个数公式：二、热量传输薄材与厚材：不是指几何性质，而是物体内外温差较小或者趋近于0的是薄材，否则就是厚材热量传输的基本方式：导热、对流、辐射等温面：温度场中，同一瞬间相同温度各点构成的面傅克方程物理意义：包括导热和对流的一般性传热规律平壁和曲壁导热异同：平壁：单位面积热量不变。
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算
材料加工冶金传输原理自然对流传热的计算（原创实用版）目录一、材料加工冶金传输原理1.动量传输2.热量传输3.质量传输二、自然对流传热的计算1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算正文一、材料加工冶金传输原理在材料加工和冶金工程中，流体流动、传热和传质过程是重要的环节，它们对整个工艺过程的产生和影响不容忽视。
为了更好地理解和掌握这些过程，我们需要从动量、热量和质量传输的角度进行深入研究。
1.动量传输动量传输是指流体在运动过程中，由于流速和压力的变化导致动量的传递。
在材料加工和冶金工程中，动量传输通常涉及到流体的输送和混合过程，以及流体与固体颗粒之间的作用力。
2.热量传输热量传输是指热量从高温区域向低温区域传递的过程。
在材料加工和冶金工程中，热量传输主要包括热传导、热对流和热辐射三种方式。
其中，热对流是指由于流体的流动导致热量的传递过程。
3.质量传输质量传输是指物质在流体中传递的过程。
在材料加工和冶金工程中，质量传输通常涉及到溶质、悬浮颗粒和气泡等在流体中的传递和分离过程。
二、自然对流传热的计算在制冷装置中，自然对流空气冷却式冷凝器和强制通风空气冷却式冷凝器是两种常见的传热设备。
下面分别介绍它们的传热计算方法。
1.自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算自然对流空气冷却式冷凝器的传热计算通常采用牛顿冷却定律和热传导定律相结合的方法。
首先，需要确定冷凝器的热负荷和传热系数；其次，根据冷凝器的结构和材料，计算出冷凝器的热传导阻力和热容；最后，利用牛顿冷却定律计算出冷凝器的传热速率。
2.强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算强制通风空气冷却式冷凝器的传热计算通常采用对流传热公式进行计算。
首先，需要确定冷凝器的热负荷和传热系数；其次，根据冷凝器的结构和材料，计算出冷凝器的对流换热系数；最后，利用对流传热公式计算出冷凝器的传热速率。
1、动量传输的基本概念
在学习和掌握了“三传”的基本原理与方法之后，对—些具体的单元操作就 比较容易理解和掌握。
另外，当前工程技术向整体化、综合化与自动控制的方向发展，各专业知识 间的传统界限正渐趋消失，很多专业都表现出对传输理论的共同兴趣，因此 ，“传输原理”被称为现代工程科学的支柱之一。
M<0.3），其密度的变化也很小，这时气体也可作为不可压缩 流体来处理。
30
第1章 动量传输的基本概念 §1.1 流体的概念及连续介质模型 §1.2 流体的主要物理性质 §1.3 流体的粘性 §1.4 作用在流体上的力 §1.5 体系与控制体 §1.6 衡算方程
31
§1.3 流体的粘性
动量传递
冶金过程离不开气体、液体（统称为流体），它们的流动状况（如速度、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。
热量传递
冶金过程一般是高温过程，这就要求我们调整和保持冶金容器（反应器）内温 度，从而有必要对热量传递和温度分布进行研究。
27
流体的膨胀性
1）膨胀系数
定义：在一定的压力下，流体的体积随温度升高而增大的性质称为流体的膨 胀性，它的大小用体积膨胀系数来表示，单位是1/K或1/℃。流体的体积膨胀 系数又称为温度膨胀系数。
定义式：
T
dV /V dT
1 V
dV dT
d
dT
式中： T -流体的体积膨胀系数 （1/K）
dT-流体的温度变化量（K）
考查方式
平时成绩（30%）+考试成绩（70%） 平时成绩 考勤 课堂讨论 作业 考试 期末考试：闭卷考试
冶金传输原理
《冶金传输原理》动量传输的发展历程❖大约公元前250年，阿基米德提出浮力定律推动了造船和航海的发展；❖17至18世纪牛顿提出了粘性内摩擦公式，伯努利得到不可压缩流体的伯努利方程，欧拉建立理想流体微分方程；❖19世纪末期，雷诺的层、湍流实验；❖20世纪普朗特提出边界层理论为飞机制造和航空业的发展铺平了道路；❖19世纪气体动力学研究才开始，黎曼和马赫观测到了激波。
动量传输应用领域❖航空航天、造船、水力等行业与流体力学同步发展起来的；❖热能、动力设备的运行靠其内部的流体流动；❖化学工业的生产是在伴有化学反应、传热、传质的流动过程中完成的；❖建筑工业中的给排水与暖通、机械工业中的润滑与液压传动；❖电子产品的生产和计算机运行所需的冷却。
1、动量传输基本概念❖1。
动量传输：是以流体为研究对象去研究流体的运动和平衡规律的基本规律，以及流体与固体之间相互作用的一门学科。
❖2．内容❖⑴流体的重要特性、平衡规律（第一章）❖流体流动基本方程、运动规律（第二章）❖实际流体的运动规律（一维的管内流动）（第三章）❖气体动力学理论（第四章）❖相似原理与模型研究（第五章）❖⑵掌握压力、流速、流量等测量仪表结构、原理。
❖⑶解决实际工程问题：如管路设计、计算流场P、v分布及改进混合均匀程度1、1 流体1.1.1 流体的定义：❖1定义：流体是一种受任何微小剪切应力作用都能连续变形的物质。
❖如压力：是与物体表面想垂直的力，不属剪切力。
❖2与固体的区别：❖⑴固体只能以静变形抵抗剪切力存在（只要作用力不变，固体变形不再变化）❖⑵流体受任何微小剪切应力则连续变形。
除非外力停止作用以密度为例：说明连续介质的概念。
1、流体质点从几何上讲，宏观上看仅是一个点，无尺度、无表面积、无体积，从微观上流体质点中又包含很多流体分子。
从物理上讲，具有流体诸物理属性。
2、流体微团流体微团虽很微小，但它有尺度、有表面积、有体积，可作为一阶、二阶、三阶微量处理。
流体微团中包含很多很多个流体分子，也包含很多个流体质点。
(2020年7月整理)冶金传输原理总复习.doc
第一章动量传输的基本概念 1．流体的概念物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限地变形，这种变形称为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切向力的大小有关，气体和液体都属于流体。
2 连续介质流体是在空间上和时间上连续分布的物质。
3流体的主要物理性质密度；比容（比体积）；相对密度；重度（会换算） 4.流体的粘性在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性，由粘性产生的作用力叫做粘性力或内摩擦力。
1) 由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。
这就是分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力。
2) 当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层流体之间吸引力所形成的阻力。
5.牛顿粘性定律在稳定状态下，单位面积上的粘性力（粘性切应力、内摩擦应力）为dydv x yx μτ±==A Fτyx 说明动量传输的方向（y 向）和所讨论的速度分量（x 向）。
符号表示动量是从流体的高速流层传向低速流层。
动力粘度μ，单位Pa·s 运动粘度η，单位m 2/s 。
ρμη=例题1-16.温度对粘度的影响粘度是流体的重要属性，它是流体温度和压强的函数。
在工程常用温度和压强范围内，温度对流体的粘度影响很大，粘度主要依温度而定，压强对粘性的影响不大。
当温度升高时，一般液体的粘度随之降低；但是，气体则与其相反，当温度升高时粘度增大。
这是因为液体的粘性主要是由分子间的吸引力造成的，当温度升高时，分子间的吸引力减小，μ值就要降低；而造成气体粘性的主要原因是气体内部分子的杂乱运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的交换，当温度升高时，气体分子杂乱运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以μ值将增大。
冶金 ——传输原理总复习.
第一章动量传输的基本概念 1．流体的概念物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限地变形，这种变形称为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切向力的大小有关，气体和液体都属于流体。
2 连续介质流体是在空间上和时间上连续分布的物质。
3流体的主要物理性质密度；比容（比体积）；相对密度；重度（会换算） 4.流体的粘性在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性，由粘性产生的作用力叫做粘性力或内摩擦力。
1) 由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。
这就是分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力。
2) 当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层流体之间吸引力所形成的阻力。
5.牛顿粘性定律在稳定状态下，单位面积上的粘性力（粘性切应力、内摩擦应力）为dydv x yx μτ±==A Fτyx 说明动量传输的方向（y 向）和所讨论的速度分量（x 向）。
符号表示动量是从流体的高速流层传向低速流层。
动力粘度μ，单位Pa·s 运动粘度η，单位m 2/s 。
ρμη=例题1-16.温度对粘度的影响粘度是流体的重要属性，它是流体温度和压强的函数。
在工程常用温度和压强范围内，温度对流体的粘度影响很大，粘度主要依温度而定，压强对粘性的影响不大。
当温度升高时，一般液体的粘度随之降低；但是，气体则与其相反，当温度升高时粘度增大。
这是因为液体的粘性主要是由分子间的吸引力造成的，当温度升高时，分子间的吸引力减小，μ值就要降低；而造成气体粘性的主要原因是气体内部分子的杂乱运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的交换，当温度升高时，气体分子杂乱运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以μ值将增大。
冶金传输原理总复习教学内容
冶金传输原理总复习第一章动量传输的基本概念1．流体的概念物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限地变形，这种变形称为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切向力的大小有关，气体和液体都属于流体。
2 连续介质流体是在空间上和时间上连续分布的物质。
3流体的主要物理性质密度；比容（比体积）；相对密度；重度（会换算）4.流体的粘性在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性，由粘性产生的作用力叫做粘性力或内摩擦力。
1) 由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。
这就是分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力。
2) 当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层流体之间吸引力所形成的阻力。
5.牛顿粘性定律在稳定状态下，单位面积上的粘性力（粘性切应力、内摩擦应力）为dydv x yx μτ±==A Fτyx 说明动量传输的方向（y 向）和所讨论的速度分量（x 向）。
符号表示动量是从流体的高速流层传向低速流层。
动力粘度μ，单位Pa·s 运动粘度η，单位m 2/s 。
ρμη= 例题1-16.温度对粘度的影响粘度是流体的重要属性，它是流体温度和压强的函数。
在工程常用温度和压强范围内，温度对流体的粘度影响很大，粘度主要依温度而定，压强对粘性的影响不大。
当温度升高时，一般液体的粘度随之降低；但是，气体则与其相反，当温度升高时粘度增大。
这是因为液体的粘性主要是由分子间的吸引力造成的，当温度升高时，分子间的吸引力减小，μ值就要降低；而造成气体粘性的主要原因是气体内部分子的杂乱运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的交换，当温度升高时，气体分子杂乱运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以μ值将增大。
1 动量传输基本概念解析
K=Cp/Cv
绝热指数仅与气体的分子结构 有关
单原子气体 双原子气体 多原子气体 干饱和蒸汽
k=1.6； k=1.4（如氧气、空气）； k=1.3(如过热蒸汽）； k=1.135
15
1. 动量传输基本概念
1.3 流体的粘性
• 实验一
1.3.1 粘性的概念
两平行平板，中间充满流体，平板的面积为A，其间的 流体均匀，高为H。，且H ≪A½ 叫无限大平板
kmol K
• 国际单位制
R0 8314
N m kmol K
12
1. 动量传输基本概念
1.2.2
流体的压缩性
注意压缩性是一相对的 概念
• 流体的压缩性
• 1、液体的压缩性 • 体积压缩系数 1 dV p 等温压缩 • 对于液体而言， • 由于βp很小， • 一般不记其压缩性。
• 能量: 1kJ=0.239kcal 1kcal=4.187kJ 1w=1J/s=0.86kcal/h 1kcal/h=1.163w
6
1. 动量传输基本概念
1.1 流体及连续介质模型
• 1、流体的定义: • 在切向力的作用下会发
生连续的变形的物质。 • 从物质受力和运动的特征来分： 流体 切向力
5
1. 动量传输基本概念
二 单位换算：
• 力 : 1kgf=9.807 N 1N=0.102kgf • 压力（强）:1atm=1.01325×105 Pa • 1atm=760mmHg=10332mmH2O 1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807×104 Pa • 1mmH2O=1kgf/㎡=9.8Pa
18
1. 动量传输基本概念
动量传输的基本概念
工程上将只能抵抗压力而在一定的切应力 作用下会产生连续不断变形（即流动）的物质 统称为流体。 流体包括：气体和液体
与固体相比，流体不能传递拉力，但可承受压力，传递压力和 切力，并在压力和切力作用下流动。这种流动一直可持续下去， 直到撤去压力或切力为止。
流体的连续性
将上式改变形式，并引入系数 ，可得到如下微分形式的牛顿流体 粘性定律表达式：
式中：
F du A dy
—表示单位面积上的内摩擦力或称粘性力[N/m2][pa];
du/dy —为流动速度在垂直方向上的变化率，即速度梯度。
—比例常数，称作动力粘度(dynamic viscosity)
[Pa.s] [Ns/m2]
要学习流体的动量传输的问题，首先就要 了解流体的基本性质及其流动特点和有关的定 义。
第一章 动量传输的基本概念
Contents
1. 流体的概念 2. 流体的主要物理性质
密度 比容 流体的压缩性
3. 流体粘性
牛顿粘性定律 流体的粘度 理想流体与粘性流体
4. 流体的压强
1. 流体的概念
一般情况下，流体的密度是可变的 （受T, P影响） 将上式改变形式，并引入系数 ，可得到如下微分形式的牛顿流体粘性定律表达式：
式中μ1，μ2，…，μn为各组分的粘度，x1，x2，…，xn为液体各组分的摩尔分数。
在某些情况下，密度的变化会对流动状态产生很大的影 而运动粘度ν则不然，因为它和密度ρ有关，压力的变化会引起可压缩性流体密度变化，所以对可压缩流体更多是采用μ而不是ν。
4. 流体的压强
Pressure Intensity of Fluids
压强：垂直作用于单位面积流体上的压 力。
冶金传输原理---名词解释
动量传输:研究流体在外界作用下运动规律的一门科学。
可流动性：流体在任意小的切应力作用下都会发生明显的变形，区别于固体可压缩性：在压力的作用下，流体的体积会发生明显的变化。
－－分子间隙变化粘性：流体在运动时表现出的抵抗剪切变形的能力。
连续介质模型: 把流体视为由大量的宏观上的微小单元无间隙的布满的模型梯度: 场量在空间变化快慢程度的一种度量，来源于等值面的方向导数散度: 描述矢量场源（汇）及矢量场体积膨胀速度的一个概念表征物理量是否有源及源的强度流线：流场中不同质点在同一时刻构成的曲线。
迹线：流场中同一质点在不同时刻运动留下的轨迹。
流函数：流线的空间变量函数表达式。
一般存在于不可压缩流体的二维流动中。
涡量：流场中速度场的涡旋强度。
散度:描述了流场中流体单位体积的体膨胀速率层流:规则的层状流动，流体层与层之间互不相混，质点轨迹为平滑的随时间变化较慢的曲线。
湍流:无规则的运动方式，质点轨迹杂乱无章而且迅速变化，流体微团在向流向运动的同时，还作横向、垂向及局部逆向运动，与周围流体混掺，随机、非定常、三维有旋流。
爬流：低速或非常低的雷诺数下流体绕球体的流动，如粒子在流体中沉降。
脉动: 湍流最主要的特征是脉动，即使在宏观稳定的湍流中，湍流的主要参数，如速度、压力、密度、温度等，也总要产生脉动，从本质上这是一种非稳定现象。
旋涡: 湍流的另一个特征是旋涡，即流体中存在着的局部迅速旋转的流体微元，并且这些流体微元处于不断的形成、变化与被破坏过程中。
边界层: 流体在绕过固体壁面流动时，紧靠固体壁面形成速度梯度较大的流体薄层称为流动边界层热量传输(传热): 由于温度差引起的热量传递过程统称为热量传输导热（热传导）: 指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时, 不发生宏观运动，仅依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象.热辐射:物体由于自身温度引起的发射辐射能的现象，通过电磁波或光子来传递热量。
冶金传输原理-第一篇动量传输
原有的体积。 黏性：流体抵抗变形运动的性质。
6
15.12.2020
冶金与能源学院
College of Metallurgy and Energy
1.1 流体的概念及连续介质模型
连续介质模型
连续介质：把流体视为由大量宏观上的连续分布的质点组成的， 质点是组成流体的最小单元，质点间无间隙。也就是说，把流体看作 在空间和时间上是连续的。（注：稀薄气体分子间距大，不适用）
即动量是由高速流层向低速流层方向传输。
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（2）牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体：切应力与速度梯度的关系服从牛顿黏性定律的流体
✓ 当速度梯度为零时，黏性力为零； ✓ 黏性力与速度梯度呈线性关系。
代表：水、空气等。 非牛顿流体：凡不满足牛顿黏性定律的流体
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1.2 流体的主要物理性质
（1）流体的密度 ρ：
定义：单位体积内所具有流体的质量，kg/m3
对于均质流体 对于非均质流体
m
V
limm
V0 V
注：这里数学上的V0，在物理上理解为体 积 V 缩小到足够小体积 V * 的流体质点，该质点 的体积与流体体积相比是完全可忽略的小量。
定义：当作用流体上的压力增加时，流体所占有的体积将缩小，
(单位：1/Pa)
这种特性称为流体的压缩性。(用体积压缩系数 p 来表示)
p
1 V
dV dP
jx1-2-1冶金工程
1kg气体
3
Pv= RT
v为比体积，m /kg，R(气体常数)= R0/相对分子质量量， J/kg·k
1.3 流体的压缩性及膨胀性 p pv = RT = RT
ρ
密度
P ρ= RT
Байду номын сангаас
kg/m3
式中： P绝对压力，Pa；R气体常数；T热力学温度，K。
Pv1 P2v2 1 = T T 1 2
1.3 流体的压缩性及膨胀性
式中 vtt°C下的比体积；v0标态比体积。
1 β= 273
气体膨胀系数
ρ0 ρt = (1+ β t)
kg/m3
γ0 γt = (1+ β t)
N/m3
1.3 流体的压缩性及膨胀性
G千克气体体积 Vt = V0 (1 + β t )
流量 流速 m3
热气体流动情况下
q v t = q v 0 (1 + β t ) m3/s
ρ
m = V
对于非均质流体
ρ
dm = dV
单位: kg/m3
1.2 流体的密度、重度及比体积
流体的重度
γ = G V = mg V = ρg
单位：N/m3 比体积
v =1 ρ
单位：m3/kg
应用：
密度与重度之间的换算。
1.3 流体的压缩性及膨胀性
压缩性（膨胀性） • 液体
液体分子距离较近，压缩时，排斥力增大，难以压缩； T↑，略有膨胀，膨胀系数<1/1000。 ∴ V受T、P的影响不大，在工程上一般视为不可压 不可压 缩流体
（2）T = const 等温压缩
P P2 1 P v1 = P2v2 ⇒v2 = v1 ⇒ρ2 = ρ1 1 1 P2 P
《冶金传输原理》课程主要内容有动量传输、热量传输和质
绪言《冶金传输原理》课程主要内容有：动量传输、热量传输和质量传输三大部分，并介绍了三者的类似机理、相互关联的关系；同时介绍了利用相似原理来处理试验数据和进行模型试验。
1、地位：冶金工程专业的专业基础必修课。
在冶金、机械、航海、航空等领域中，凡是涉及到流体（气体、液体）的流动，均不可避免的存在在流动过程中流体的动量、热量、质量的传递规律。
2、要求：本课程的先修课程为高等数学、普通物理、计算机语言。
该门课程是以数、理知识为基础，在充分弄懂物理概念后，常用数理解析的方法来解决问题。
要求初学者上课认真听课，做好笔记，课前进行预习，课后进行复习，独立完成作业。
3、参考书：主要参考书：《冶金传输原理》张先棹、冶金工业出版社、1991.11本科其它参考书：《TRANSPORT PHENOMENA》(Second Edition) R.Byron Bird Warren E.Stewart Edwin N.Lightfoot 、化学工业出版社、2002.8《动量、热量、质量传递原理》[美]J.R.威尔特等北京：科学科学出版社，1984《计算流体力学》吴子牛，北京：科学出版社，2001第一篇 动量的传输第一章动量传输的基本概念什么是动量传输？从所学的物理概念中知道：当速度不同的两个小球相互碰撞时，有动量的传递发生。
即小球的动量mv发生了变化。
而当流体的速度发生变化时，是否他们的动量也发生变化呢？是！固体的动量变化与流体的动量传输也各有特点。
此处我们研究的动量传输是：流体（即液体、气体）在流动过程中动量传输的规律。
第一节连续介质模型1、流场：流体运动的全部范围。
2、流体：液体、气体。
流体的性质：1）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。
2）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。
冶金热工基础——第1章 动量传输
第一章 动量传输
r0 rt = (1 + b t )
kg/m3
0 t = (1 + b t )
m3 m3/s
N/m3
G千克气体体积 ： Vt = V0 (1 + b t )
流量： Vt = V0 (1 + b t )
（热气体流动情况下）
流速： w t = w 0 (1 + b t )
m/s
V = wA
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第一章 动量传输
三、课程特点 难学：物理概念多；数学推导、计算复杂；(物理概念为主，数学为辅)重 点掌握基本概念、基本计算方法。 讲授方法：重点—讲授+作业，辅以习题课；难点—讲授+思考题，辅以 讨论课。 学习方法：上课认真听讲，课后认真复习，认真完成作业，不懂的即时解 决，“勤学苦炼”。
三、教参及教具:
⒈ 《加热炉》蔡乔方主编 冶金工业出版社 ⒉ 《冶金炉热工与构造》陈鸿复主编 冶金工 业出版社 教材《冶金炉热工基础》蒋光羲编
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重庆大学出版社
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第一章 动量传输 0
§0.1 冶金炉及其分类
冶金炉：冶金生产中各种冶炼和加热设备的统称。 分类：熔炼炉和加热炉两大类。 ⒈ 熔炼炉：完成物料的加热和熔炼。 特点：发生物态变化 固液态物理化学变化 原料与产品的性质、
x = r c o sq x = r sin j cos q y = r sin q
wx
wy
wz
wr wr
wq wj
wz wq
轴对称 (管流 ) 球体绕流
y = r sin j sin q
z = z z = r cos j
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第一章动量传输的基本概念1．流体的概念物质不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限的变形，这种变形称为流动，这类物质称为流体，其变形的速度即流动速度与切向力的大小有关，气体和液体都属于流体 2 连续介质流体是在空间上和时间上连续分布的物质。
3流体的主要物理性质 密度；比容（比体积）；相对密度；重度（会换算） 1.3流体的粘性 1粘性在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质叫做流体的粘性，由粘性产生的作用力叫做粘性力或内摩擦力。
1) 由于分子作不规则运动时，各流体层之间互有分子迁移掺混，快层分子进入慢层时给慢层以向前的碰撞，交换能量，使慢层加速，慢层分子迁移到快层时，给快层以向后碰撞，形成阻力而使快层减速。
这就是分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力。
2) 当相邻流体层有相对运动时，快层分子的引力拖动慢层，而慢层分子的引力阻滞快层，这就是两层流体之间吸引力所形成的阻力 牛顿粘性定律单位面积上的粘性力（粘性切应力、内摩擦应力）为dydv x yx μτ==A Fτyx 说明动量传输的方向（y 向）和所讨论的速度分量（x 向）。
符号表示动量是从流体的高速流层传向低速流层。
粘度是流体的重要属性，它是流体温度和压强的函数。
在工程常用温度和压强范围内， 例题1-1温度对流体的粘度影响很大，粘度主要依温度而定，压强对粘性的影响不大。
当温度升高时，一般液体的粘度随之降低；但是，气体则与其相反，当温度升高时粘度增大。
这是因为液体的粘性主要是由分子间的吸引力造成的，当温度升高时，分子间的吸引力减小，μ值就要降低；而造成气体粘性的主要原因是气体内部分子的杂乱运动，它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的交换，当温度升高时，气体分子杂乱运动的速度加大，速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧，所以μ值将增大凡是切应力与速度梯度的关系服从牛顿粘性定律的流体，均称为牛顿流体（Newtonianfluids ）。
常见的牛顿流体有水、空气等，非牛顿流体有泥浆、纸浆、油漆、沥青等。
对于不符合牛顿粘性定律的流体，称之为非牛顿流体（Non-Newtonian fluids ） 1.4 作用在流体上的力从流体中任意取出一流体块，其体积为V ，界面为S （图1-5），作用在这一流体块上的 力可分为两大类：表面力、质量力或者体积力。
控制体。
所谓控制体，就是流体在空间中通过其流动的一个区域 1.6 衡算方程 IP -OP + R = S 第二章动量传输的基本方程2.1 流体运动的描述研究流体运动的方法在流体力学中根据出发点不同，采用两种分析方法，即拉格朗日(Lagrange)法及欧拉法。
拉格朗日法的出发点是流体质点，即研究流体各个质点的运动参数随时间的变化规律，综合所有流体质点运动参数的变化，便得到了整个流体的运动规律。
在研究流体的波动和振荡问题时常用此法。
欧拉法的出发点在于流场中的空间点，即研究流体质点通过空间固定点时的运动参数随时间的变化规律，综合流场中所有点的运动参数变化情况，就得到整个流体的运动规律。
2.1.2 稳定流动与非稳定流动如果流场的运动参数不仅随位置改变，又随时间不同而变化，这种流动就称为非稳定流动；如果运动参数只随位置改变而与时间无关，这种流动就称为稳定流动。
2.1.3 迹线和流线、流束和流管迹线就是流体质点运动的轨迹线。
迹线的特点是：对于每一个质点都有一个运动轨迹，所以迹线是一族曲线，而且迹线只随质点不同而异，与时间无关。
(二) 流线流线和迹线不同，它不是某一质点经过一段时间所走过的轨迹，而是在同一瞬时流场中连续的不同位置质点的流动方向线：流场中某一瞬间的一条空间曲线，在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。
流线有以下三个特征：1）非稳定流时，经过同一点的流线其空间方位和形状是随时间改变的。
2) 稳定流动时，由于流场中各点流速不随时间改变，所以同一点处的流线始终保持不变，且流线上质点的迹线与流线相重合3) 流线不能相交也不能转折。
(二) 流束和流管流线只能表示流场中质点的流动参量，但不能表明流过的流体数量，因此需引入流管和流束的概念。
在流场内取任意封闭曲线l（图2-5），通过曲线l 上每一点连续地作流线，则流线族构成一个管状表面，叫流管。
非稳定流动时流管形状随时间而改变，稳定流动时流管形状不随时间而改变。
因为流管是由流线组成的，所以流管上各点的流速沿着其切线方向，而不穿过流管表面（否则就要有流线相交）。
所以流体不能穿出或穿人流管表面。
这样，流管就像刚体管壁一样，把流体运动局限在流管之内或流管之外。
在流管内取一微小曲面dA，通过dA上每个点作流线，这族流线叫做流束。
如2.2 连续性方程这就是流体的连续性方程。
其物理意义是：流体在单位时间内流经单位体积空间输出与输入的质量差与其内部质量变化的代数和为零。
对于不可压缩流体，ρ=常数即为不可压缩流体流动的空间连续性方程。
它说明单位时间单位空间内的流体体积保持不变。
2.2.2 一维总流的连续性方程ρ1v1dA1 = ρ2v2dA2对于不可压缩流体，即ρ=常数，则式（2-22）成为v1A1 = v2 A2为一维总流不可压缩流体稳定流动的连续性方程。
它确立了一维总流在稳定流动条件下：沿流程体积流量保持不变为一常值；各有效断面平均流速与有效断面面积成反比，即断面大流速小，断面小流速大。
这是不可压缩流体运动的一个基本规律。
例2-1,2-22.3 理想流体动量传输微分方程——欧拉方程2.4 实际流体动量传输方程—纳维尔-斯托克斯方程2.5 伯努利方程2.5.1 理想流体的伯努利方程2.5.2 实际流体的伯努利方程式（2-54）即实际流体流动沿流线的伯努利方程。
式中^ h'失1 2表示单位质量粘性流体自位置1 运动到位置2的过程中内摩擦力所作的摩擦阻力功（或摩擦阻力损失）。
2.5.3 伯努利方程的几何意义和物理意义(一) 几何意义z是指流体质点流经给定点时所具有的位置高度，对水平圆管取其平均高度，即轴线处所具有的高度。
p 是指流体质点在给定点的压力（流体的压强）；22rv表示流体质点流经给定点时，流体所具有的动能。
伯努利方程中静压能、动能、位能项的单位均为（Pa）.(二) 物理意义从前述几何意义的讨论可以看出，方程中的每一项都具有相应的能量意义。
rgz可看成是单位质量流体流经该点时所具有的位置势能；p 看成是单位质量流体流经该点时所具有的压力能；22rv是单位质量流体流经给定点时的动能；h失是单位质量流体在流动过程中所损耗的机械能称能量损失。
对于理想流体，2 21 21 2 1 2 2 2P v gz P v gzr r+ + r = + + r 表明单位质量无粘性流体沿流线自位置1 流到位置2时，其各项能量可以相互转化，但它们的总和却是不变的。
对于粘性流体，式（2-54）的物理意义为，表明单位质量粘性流体沿流线自位置l 流到位置2 时，不但各项能量可以相互转化，而且它的总机械能也是有损失的。
2.5.4 实际流体总流的伯努利方程式中，1^2 h失为通过流道截面1 与2 之间的距离时单位质量流体的平均能量损失。
式（2-58）就是描述实际流体经流道流动的伯努利方程式。
利用式（2-58），可以在取得p1和p2的实际测量数据和流量数据后推算出流道中的阻力损失h失。
也可用经验公式求出流道阻力损失h失后再来决定流道中的某些参量，如p、v等。
式（2-58）中的动能修正系数α 在层流流动是为2，在湍流流动时约等于1。
若流道中的流速越均匀，a 值越趋近于1。
在一般工程中，大多数情况下流速都比较均匀，a 在1.05～1.10 之间，所以在工程计算中可取a = l。
流道的伯努利方程是个很重要的公式，它与连续性方程和后面将要讨论的动量方程一起用于解决许多工程实际问题。
2.5.5 热气体管道流动的伯努利方程式（2-60）就是相对于大气的热气体管道流动的伯努利方程。
由式可见，热气体的相对位能随高度的减小而增大，这是因为热气体的自发运动方向朝上所至。
例题2-3；2-5第三章 层流流动与湍流流动 3.1 流体的流动状态流体运动的两种状态：层流和湍流μρηvdvd==Re 对光滑圆管的Rec=2300即流体在圆管内流动： Re<2300 为层流；Re>2300为湍流。
当量直径d s（2）雷诺准数的物理意义 雷诺数（Re = rvL / m ）通常是惯性力的典型大小与粘性力的典型大小的一种量度。
雷诺数大，说明流体的惯性力大于流体的粘性力，愈易形成湍流；雷诺数小，说明流体的惯性力小于流体的粘性力，愈易形成层流。
例3-1确定流动状态及求流速 3.1.2 层流流动 3.1.3 湍流流动 3.2 管道中的流动3.2.1 管道中的层流流动 3.2.1.3 流速、流量和压降 例3-2题，求摩擦压力损失 3.2.2 管道中的湍流流动 3.3 流动阻力与能量损失 3.3.1 流动阻力的分类流体运动时，由于外部条件不同，其流动阻力与能量损失可分为沿程阻力损失摩h 和局部阻力损失局h 两种形式。
(一) 沿程阻力损失 它是沿流动路程上由于各流体层之间的内摩擦而产生的流动阻力，因此也叫做摩擦阻力。
在层流状态下，沿程阻力完全是由粘性摩擦产生的。
在湍流状态下，沿程阻力的一小部分由边界层内的粘性摩擦产生，主要还是由流体微团的迁移和脉动造成。
克服沿程阻力引起的能量损失称为沿程阻力损失亦称摩擦阻力损失，用h 摩表示。
沿程阻力损失，例3-2(二)局部阻力损失在边壁尺寸急剧变化的流动区域，由于尾流区、旋涡区等分离现象的出现，使局部流动区域出现较集中的阻力，这种阻力称为局部阻力。
克服局部阻力引起的能量损失称为局部阻损。
如管道中的弯头、阀门、突然扩张、突然收缩等局部突然变化区域存在局部阻力损失。
局部阻力损失3.3.2 沿程阻力损失（一）沿程阻力系数的影响因素层流流动时雷诺数较小，粘性力起着主导作用。
层流的阻力也就是粘性阻力，仅仅取决于Re ，而与管壁粗糙度无关。
湍流流动时雷诺数较大，其阻力由粘性阻力和惯性阻力两部分组成。
粘性阻力仍然取决于雷诺数，而惯性阻力受壁面粗糙度的影响较大。
粗糙度对沿程阻力损失的影响不完全取决于管壁表面粗糙突起的绝对高度∆，而是取决于它的相对高度，即粗糙突起的绝对高度∆与管径D 的比值， D∆∆ = 称为相对粗糙度， （二）尼古拉兹曲线 （三）莫迪图沿程阻力损失系数λ的确定 层流：湍流：3.3.3 局部阻力损失实际的流体通道，除了在各直管段产生沿程阻力损失外，流体流过各个接头、阀门等局部障碍时都会产生一定的能量损失，即局部阻力损失。
3.4 管路计算 简单管路的计算串联管路计算22ρνλd l h=摩22ρνζ=局hRe64=λAv q q v m ρρ==22v d l h ρξλ⎪⎭⎫ ⎝⎛∑+=失并联管路的计算第四章 边界层理论4.1 边界层概念4.1.1 边界层的定义 在实际的粘性流体流动中，无论Re 数多大，在物体表面上流体的速度为零（称为无滑移边界条件），而在离开壁面仅一小距离处，流体速度就变到与远方来流大体相等的速度。