冶金传输原理2
《冶金传输原理》教学大纲.pdf
《冶金传输原理》教学大纲一课程简介课程编号：01014007-08课程名称：冶金传输原理（1-2）Principles of Transfer in Metallurgy课程类型：专业基础课（必修）学时：80 （12学时试验、6学时上机）学分： 5开课学期：4~5开课对象：冶金工程专业本科先修课程：高等数学、普通物理、计算机语言参考教材：《冶金传输原理》张先棹、冶金工业出版社、1991.11二课程性质、目的与任务《冶金传输原理》是冶金工程专业的一门重要的专业基础必修课程。
该课程的教学目的是要求学生掌握冶金传输过程的基础概念、基本理论。
本课程的任务是通过该课程的教学，使学生运用基本知识分析冶金过程，深入了解复杂的冶金反应过程中各因素的影响机理，从而为改进冶金工艺操作和设备、提高控制和设计水平打下基础，同时为冶金反应过程提供物理模型和数学模型，学习计算机求解的基本方法。
三教学基本内容与基本要求《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。
通过本课程学习，要求学生掌握冶金传输过程的基本理论，为“钢铁冶金学”专业课的学习打下较坚实的基础，培养学生分析冶金过程的问题和解决冶金过程问题的能力。
四教学内容及学时分配课程内容教学要求重点(☆)难点(Δ)学时安排备注第一章动量的传输基本概念4第4学期1.1 流体及连续介质 A1.2 流体的性质 A1.3 粘性动量通量、粘性力 A ☆Δ1.4 分析作用在流体上的力 C第二章第二章流场运动的描述 42.1流场运动描述的两种方法 C2.2 流线与迹线 B课程内容教学要求重点(☆)难点(Δ)学时安排备注2.3梯度、散度、旋度 B2.4 流函数、势函数 B2.5流体微团运动分析 B第三章第三章动量传输的基本方程6 2.1 连续性方程 A ☆2.2 实际流体的动量传输方程(N-S方程) A ☆Δ2.3 理想流体的欧拉方程 A2.4 伯努利方程 A ☆第四章第四章管道中的流动及孔口的流出 5 3.1管道中的流动 A3.2不可压缩流体的管流摩擦阻力 A ☆Δ3.3不可压缩流体的管流局部压力损失 B3.4管路计算 B3.5经过孔口的流出 C第五章边界层流动 4 5.1边界层的概念 A ☆5.2平板绕流摩擦阻力 A ☆Δ5.3绕流阻力和颗粒沉降速度 C第六章可压缩气体的流动 5 6.1 可压缩气体的概念 A ☆6.2 可压缩气体（理想气体）一元稳定等熵流动的基本方程A Δ6.3 一元稳定等熵流动的基本方程特性 A ☆6.4 变截面喷管中气流的变化特征 B6.5 渐缩喷管与拉瓦尔喷管 B6.6 激波 C第七章相似原理与模型研究方法 4 7.1相似的概念 A7.2对现象的一般数学描述及单值条件 B7.3相似定理——相似三定理 A ☆7.4相似准数 A Δ课程内容教学要求重点(☆)难点(Δ)学时安排备注7.5相似模型法 C第八章传热的基本方程 6 第5学期8.1基本概念 A8.2 热量传输的基本方式和基本定律 A ☆8.3 热量传输的微分方程 A ☆Δ8.4 初始条件和边界条件 A第九章导热89.1 稳态导热 A Δ9.2 不稳态导热 A ☆Δ9.3 导热的数值解法 A ☆第十章对流 610.1 对流给热的一般分析 A10.2平板层流给热的分析解法 A ☆Δ10.3层流边界层的近似积分解 B Δ10.4动量传输和热量传输的类比方法 B10.5相似理论指导下的实验方法 B第十一章辐射换热 611.1 基本概念 A11.2 黑体辐射的基本定律 A ☆Δ11.3 实际物体的辐射 A ☆11.4角系数 A ☆Δ11.5 两表面间的辐射换热 A11.6 辐射的网格方法 A11.7气体辐射 C第十二章质量传输 412.1质量传输的基本定律 A ☆Δ12.2 扩散传质 A ☆12.3 对流传质 A ☆Δ12.4 三传的类比 B（教学要求：A—熟练掌握；B—掌握；C—了解）五实习、实验项目及学时分配实验：（12学时）1．流体流速及流量测定，2学时2．流体动量平衡-伯努利方程的应用，2学时3．边界层特性实验，2学时4．空气纵掠平板时局部换热系数的测定，2学时5．空气纵掠平板时流动边界层和热边界层的测量，2学时6．法向辐射率εn的测量，2学时上机内容：（6学时）1．二维稳态导热的数值计算（第一类边界条件），2学时2．二维稳态导热的数值计算（第二类、第三类边界条件），2学时3．一维不稳态导热的数值计算（第二类、第三类边界条件），2学时六教学方法与手段理论教学、上机实习、实验教学、多媒体教学七参考书目1.《TRANSPORT PHENOMENA》(Second Edition) R.Byron Bird Warren E.StewartEdwin N.Lightfoot 、化学工业出版社、2002.82 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，19843 计算流体力学吴子牛，北京：科学出版社，2001八大纲编写的依据与说明本课程教学大纲，是根据冶金工程专业本科生培养目标与要求，结合本课程的性质、教学的基本任务和基本要求，经过院教学委员会审定后编写的。
冶传1～5章
（m2/s）
四、温度和压力对粘度的影响
液体：随温度的升高，粘度下降； 温度： 气体：随温度的升高，粘度上升；
?
•水的粘度系数：
1.775 106 1 0.0387 T 0.000221 T
2
0℃以上的气体粘度系数：
C
273 C T 0 ( ) T C 273
3 2
只能承受压力，不能承受拉力和切力 对缓慢变形不显示阻力,故不存在静摩擦力
区 别
液体：具有一定的体积；有自由表面；不可压缩(分子间 距与分子有效直径几乎相等)。 气体：体积不定；无自由表面；可以压缩(分子间距与分 子有效直径相差很大) 。
f
二、连续介质模型(宏观流体模型)
欧拉1753年首先提出
模型的含义: 忽视流体微观结构的分散性, 将流体看成是由无限多个 流体质点或微团组成的密集而无间隙的连续介质。 ------------------------假定了流体的稠密性和连续性 提出该模型的目的: 将反映宏观流体的各种物理量视为空间坐标的连续函 数,可引用连续函数的解析方法来研究流体处于平衡和运动 状态下的各物理参数间的数量关系。
常见流体的密度和重度
流体 名称 蒸馏水 水 银 酒 精 石 油 液态铁 液态铝 空 气 温度 重度 密度 （℃） （kg/m3） （N/m3） 4 0 15 15 1200 720~810 0 1000 13600 9810 133400 流体 名称 氧 氮 氢 温度 重度 密度 （℃） （kg/m3） （N/m3） 0 0 0 0 0 0 0 1.429 1.251 0.0899 1.250 1.976 2.027 0.716 14.02 12.28 0.881 12.27 19.40 29.10 7.02
材料冶金传输原理课件
3
纳米材料制备和应用
我们将介绍一些常用的纳米材料制备和应用技术，例如溶胶-凝胶法、共沉淀法 和溶液法等。
新型传输材料的开发
量子点传输材料
我们将介绍一种新型的传输材 料——量子点，以及它们在半 导体和光学传输中的应用。
石墨烯传输材料
我们将探讨石墨烯这种新型的 传输材料，以及它在电子器件 和能源传输中的应用。
传热基础和传热过程
1
传热的基本概念
我们将了解什么是传热，以及传热过程中的重要参数，例如导热系数和温差。
2
传热方式
我们将讨论材料中传热的三种基本方式：对流、辐射和传导。
3
传热计算方法
我们将介绍不同的传热计算方法，例如法向和径向传热、边界层和相似性理论。
传质基础和传质过程
溶质在溶液中的传输
我们将了解溶质在溶液中传输 的基本过程和影响因素，例如 浓度梯度和扩散系数。
超材料传输材料
我们将了解一种新型的传输材 料——超材料，以及它们在光 学和声学传输中的应用。
材料传输领域的前沿研究
1 生物材料的传输
我们将介绍生物材料中 的传输现象，以及它们 在生物医学和医疗器械 领域中的应用。
2 低维材料的传输
我们将探讨低维材料中 的传输现象，例如纳米 线和量子阱，并讨论它 们在电子器件和能量传 输中的应用。
2 工业革命时期的材
料传输
我们将探讨工业革命时 期的材料传输方式，例 如蒸汽机和轮船。
3 现代科技时代的材
料传输
我们将介绍现代材料传 输方式的演变，例如飞 机和高铁的发展历程。
材料传输技术的未来展望
材料传输技术的革命性突破
我们将展望未来材料传输技术的革命性突破，例如分子传输和纳米制造等。
冶金传输原理期末试卷2
上海应用技术学院—学年第学期《冶金传输原理》考试（2）试卷课程代码:学分: 考试时间:分钟课程序号:班级：学号：姓名:我已阅读了有关的考试规定和纪律要求，愿意在考试中遵守《考场规则》，如有违反将愿接受相应的处理。
试卷共4 页，请先查看试卷有无缺页，然后答题。
一.选择题（每题1分，共15分）1. 动量、热量和质量传输过程中，他们的传输系数的量纲为：（1）Pa.s (2)N.s/m2 (3) 泊 (4)m2/s2．流体单位重量的静压能、位能和动能的表示形式为：（1）P/ρ, gz, u2/2 (2)P, ρgz, ρu2/2(3) P/r, z, u2/2g (4)PV, mgz, mu2/23．非圆形管道的当量直径定义式为：（1）D当=4S/A (2) D当=D(3) D当=4A/S (4) D当=A/4S（A：管道的截面积；S：管道的断面周长）4．不可压缩流体绕球体流动时（Re<1），其阻力系数为：(1) 64/Re (2) 24/Re (3) 33/Re (4) 28/Re 5．判断流体流动状态的准数是：（1）Eu （2）Fr （3）Re （4）Gr6．激波前后气体状态变化是：（1）等熵过程（2）绝热过程（3）可逆过程（4）机械能守恒过程7．Bi→0时，其物理意义为：（1）物体的内部热阻远大于外部热阻。
（2）物体的外部热阻远小于内部热阻。
（3）物体内部几乎不存在温度梯度。
（4）δ/λ>>1/h。
8．根据四次方定律，一个物体其温度从100℃升到200℃，其辐射能力增加 (1) 16倍 (2) 2.6 倍(3)8 倍 (4)前三个答案都不对9．表面温度为常数时半无限大平板的加热属于：（1）导热的第一类边界条件（2）导热的第二类边界条件（3）导热的第三类边界条件（4）是属于稳态导热10．强制对流传热准数方程正确的是：（1）Nu=f(Gr) （2）Nu=f(Re)(3) Nu=f(Re,Pr) (4) Eu=f(Gr,Re)11．下面哪个有关角度系数性质的描述是正确：（1）ψ1,2=ψ2,1 (2) ψ1+2,3=ψ1,3 +ψ2,3(3) ψ1,1=0 (4) ψ1,2 F1=ψ2,1 F212．绝对黑体是指：（1）它的黑度等于1。
冶金传输原理 吴铿编(动量传输部分)习题参考答案
1.d2.c3.a （题目改成单位质量力的国际单位）4.b5.b6.a7.c8.a9.c （不能承受拉力） 10.a 11.d 12.b(d 为表现形式)13. 解：由体积压缩系数的定义，可得：()()69669951000101d 15101/Pa d 1000102110p V V p β----⨯=-=-⨯=⨯⨯-⨯14. 解：由牛顿内摩擦定律可知，d d xv F Ayμ= 式中 A dl π= 由此得 d 8.57d x v vF Adl N y μμπδ==≈1.a2.c3.b4.c5. 解：112a a p p gh gh gh p ρρρ=++=+汞油水12220.4F gh gh d h m gρρπρ++⎛⎫ ⎪⎝⎭==油水（测压计中汞柱上方为标准大气压，若为真空结果为1.16m ）6．解：（测压管中上方都为标准大气压） （1）()()13121a a p p g h h g h h p ρρ=+-=-+油水ρ=833kg/m 3 （2）()()13121a a p p g h h g h h p ρρ=+-=-+油水h 3=1.8m.220.1256m 2D S π==31=Sh 0.12560.50.0628V m =⨯=水 ()331=S 0.1256 1.30.16328V h h m -=⨯=油7．解：设水的液面下降速度为为v ，dz v dt=-单位时间内由液面下降引起的质量减少量为：24d v πρ则有等式：224d v v πρ=，代入各式得：20.50.2744dz d z dt πρ-=整理得： 120.520.2740.2744td zdz dt t πρ--==⎰⎰解得：()2121215180.2744d t s πρ⎛⎫=--= ⎪⎝⎭8. 解：10p p gh ρ=+a20s p p gh ρ=+()12a 248.7Pa s p p p gh ρρ∆=-=-=第三章习题参考答案（仅限参考）1.b2.c3.c4.c5．答：拉格朗日法即流体质点法必须首先找出函数关系x(a,b,c,t)，y(a,b,c,t)，z(a,b,c,t)，ρ(a,b,c,t)等。
传输原理-第2章材料加工冶金传输原理-1
在地球上，物质存在的主要形式有：固体、流体。其中流体包括 液体和气体，相对于固体，它在力学上表现出以下特点： 从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。
固体
液体
固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力，抵抗拉伸 变形。
液体和气体的共同点：
实际上，汽车阻力主要取决于后部形成的尾流。
20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理，改 进了汽车的尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数 下降至0.6。
50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。
80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼 型，阻力系数为0.3。
后来又出现楔型，阻力系数为0.2。
lim
V 0
G V
均质流体内部各点处的容重均相等：
=G/ V =g
水的容重常用值： =9800 N/m3
3、气体的比容 比容：指单位气体质量所具有的体积。
=1/ （ m3/kg）
气体的比容或密度，与气体的工况或过程是密切相关 的，是由状态方程确定，理想气体状态方程 P=P/=RT R为气体常数，空气的R=287N·m/kg·k
（2）压缩系数 压缩系数：流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当 压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值：
dV /V dp
d /
dp
（m2 /N ）
（∵质量m不变，dm=d(v)= dv+vd=0， ∴
dV dp
d
dp
）
（3）体积弹性模量Ｋ 流体的压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示。 体积弹性模量Ｋ是体积压缩系数的倒数。即：
传输原理-第2章材料加工冶金传输原理-2
（1）动量/A = 作用力/A = 能量/V
（2）作用力、能量、动量是同类物理量 的不同表现形式。相互平衡、传递及转换， 流体的动量传输也就是力、能的平衡与转换 过程。
小结
一、本课的基本要求 1．了解流体的黏性及黏性力。 2．掌握牛顿黏性定律及应用；黏性系数的单位、物 理意义、影响因素。 3．掌握黏性动量传输、黏性动量通量及其表达式。 4．理解流体上的作用力、能量、动量之间的关系。 二、本课的重点、难点 重点：牛顿黏性定律及应用。 难点：概念的理解和掌握。 三、作业 习题P15 2-5
1.5 流体上的作用力、能量、动量
能量
位能： mgh
动能：
1 mv 2 2
静压能： PV
重力：mg
作用力 惯性力：ma
总压力：PA
Nm V
NA
N m m3 Pa
N m2 Pa
动量 mv N s A N s m2s Pa
1.5 流体上的作用力、能量、动量
难的。可以先不计粘性的影响，使问题的分析大为 简化，从而有利于掌握流体流动的基本规律。至于 粘性的影响则可通过试验加以修正。
3. 牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体：满足牛顿粘性定律的流体。
与
du dy
呈线性关系
du
0，
0
dy
例如 所有气体、水及油类等。 非牛顿流体：不满足牛顿黏性定律的流体。
材料加工冶金传输原理
牛顿黏性定律
动量通量：单位时间通过单位面积所传递的动量，相当于单位 面积上的作用力。
黏性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的黏性动量，亦 即单位面积上的黏性力（切应力）。
du d( u) d(u)
冶金传输原理课后习题答案
冶金传输原理课后习题答案【篇一：冶金传输原理课后答案(朱光俊版,第一章)】/m3 10001?273prtprtprt1-16 , r=(1) (2)1-21 dvxdy65010.5?0.0012dvx dy=vd1-23,,o=vx=hdy0.181.3?0.001=0.1385?1000 1/sdvx dy=1.011?1030.1385?107.2 pa.s【篇二：《冶金传输原理》吴铿编质量传输习题参考答案】s=txt>1. 解：（1）?ch4?ych4mch4ych4mch4?yc2h6mc2h6?yc3h8mc3h8?yco2mco2?90.27%（2）?ych4mch4?yc2h6mc2h6?yc3h8mc3h8?yco2mco2?16.82 （3）pch4?ych4p?9.62?104pa2. 解：dab?1/3b1/3pva?v?1.56?10?5m2/s3. 解：ch4的扩散体积24.42，h2的扩散体积7.07dab?1/3b1/3pva?v?3.19?10-5m2/s4. 解：（1）v??co2vco2??o2vo2??h2ovh2o??n2vn2?3.91m/s （2）vm?yco2vco2?yo2vo2?yh2ovh2o?yn2vn2?4.07m/s （3）jco2??co2?co2?????mco2pco2rtpco2rt??co2????0.212kg/?m2?s? ?（4）jco2?cco2?co2??m?????co2??m??5.33mol/?m2?s? ?5. 解：（1）21% （2）21%pvm?15.46kg （3）m?nm?rtm（4）?o2??0.117kg/m3vm（5）?n2??0.378kg/m3vm（6）?空气??0.515kg/m3v（7）c空气??空气m?17.4mol/m3（8）29.6g/mol（9）pn2?yn2p?7.9?104pa6. 证明：?a?manamaxama??mnama?nbmbxama?xbmb得证。
冶金传输原理1-8[1].2.
![冶金传输原理1-8[1].2.](https://img.taocdn.com/s3/m/8dea92db900ef12d2af90242a8956bec0975a5df.png)
冶金传输原理1-8[1].2.冶金传输原理(Principles of Transfer in Metallurgy)绪论1、冶金的分类：钢铁冶金、有色冶金共同特点（1）发生物态变化固?液态（2）物理化学变化原料与产品的性质、化学成分截然不同钢铁冶金：原料是矿石产品是钢铁钢铁工艺流程：（1）长流程：高炉、转炉、轧机（2）短流程：直接还原或熔融还原、电炉、轧机（1）高炉炼铁：烧结矿或球团矿（铁矿石造块）、焦炭（煤炼焦）、熔剂铁水（2）非高炉炼铁：天然块矿、粉矿或造块、块煤或气体还原剂、熔剂海绵铁（3）转炉炼钢：铁水、废钢、铁合金、氧气、造渣剂钢水（4）电炉炼钢：废钢（海绵铁）、铁水、铁合金、造渣剂钢水2．有色冶金：原料是矿石产品是有色金属（1）重金属：铜（造锍熔炼）、铅（还原熔炼）、锌（湿法冶炼）、锡（火法精炼）（2）轻金属：铝冶金、镁冶金（3）稀贵金属：锂冶炼、铍冶炼、钙锶钡制取、金银提炼3、课程概况一、课程性质专业基础课，是基础课和专业课之间的桥梁。
二、课程内容传输原理（动量、热量、质量传输）简称“三传”传输是指流体的（输送、转移、传递）动力过程、传热过程、物质传递过程的统称热量、动量、质量的传递与输送，热量传输、质量传输、动量传输（类似统一性）传输原理类似性：基本概念、运动规律、解析方法类似。
冶炼过程：高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程。
传输过程：?冶炼过程中的物理过程，不涉及化学反应。
动量、热量、质量传递的过程。
（TransportPhenomena）举例：高炉炼铁的气固两相流动。
高炉强化冶炼，目的就是改善传输条件。
转炉炼钢的气液两相流动。
转炉底吹，目的也是改善传输条件。
冶金传输原理已成为现代冶金过程理论的基础!研究对象：动量、热量、质量传输（传递）过程的速率。
研究方法：理论研究（简单问题）、实验研究、数值计算（复杂问题）习题与思考题：如何加深对所学传输理论的理解和应用。
三、课程特点物理概念抽象，数学推导繁琐，计算公式多，计算过程复杂。
传输原理-第7章材料加工冶金传输原理-2
P kd m1 lm2 vm3 m4 m5 m6
代入
7.4 量纲分析基础
P kd l u (m2m5m6 ) m2 2m5 1m5 m5 m6
指数相同的合并：
P
v2
k
l d
m2
vd
m5
d
解： 令 P kd l m1 m2 vm3 m4 m5 m6
写出量纲方程：
[ML-1T2 ] [k]0[L]m1[L]m2 [LT1]m3 [ML3 ]m4 [ML1T1]m5 [L]m6
根据量纲和谐原理： [M]：1 m4 m5 [L]： 1 m1 m2 m3 3m4 m5 m6 [T]： 2 m3 m5
二、本课的重点、难点
重点：因次分析法求相似准数。 难点：模型与原型的速度比、流量比、阻损比与比例尺寸的关系。
三、作业
本章小结
主要内容：
相似理论基础，相似转换，因次分析及π定理，相似 模型法及准数方程的确定。
重点：
相似概念，物理现象相似的特点及相似条件，相似常 数与相似准数，模型实验基础。
基本要求：
m6
特征数形式：
Eu
k
l
m2
1
m5
m6
d Re
共有七个物理量，三个基本量纲，四个相似特征数
定理 n m
基本特征数数目；n物理量数目；m基本量纲数目
7.4 量纲分析基础
1.相似特征数方程
代替物理量之间的关系 例如 黏性流体流动 H0、Re、Eu、Fr。
量纲和谐原理
描述物理现象的物理方程中各项量纲都是相同的。
冶金传输原理 (2)[3页]
![冶金传输原理 (2)[3页]](https://img.taocdn.com/s3/m/0bb5410adf80d4d8d15abe23482fb4daa58d1dbf.png)
K——系数 m——指数
⑴层流： cr 时，m=1，h f 与 成正比；
⑵紊流： cr 时，m=1.75～2 ， h f 1.75~2
D
C
lg hf
结论：流体流动状态的质变， 引起沿程能量损失的量变，故 计算粘性流体在管道中的沿程 损失须先判断其流动状态。
A
B
lg vcr
lg
v
' cr
lg v
工程上的管路系统既有直管段又有阀门弯头等局部管件
。在应用总流伯努利方程进行管路水力计算时，所取两断面
之间的能量损失既有沿程损失又有局部损失。应分段计算再
叠加，即
Hale Waihona Puke hw hf hj思考：实际流体在平直等直径管道中流动速度不减？为什么？
3.沿程损失与平均流速的关系（流量）
hf K m lghf=lgk+mlgv
粘性流体流经各种局部障碍装置时，由于过流断面变化
思考：两种阻力产生的原因？如何减小阻力？
流动方向改变，速度重新分布，质点间进行动量交换而产生 的阻力称为局部阻力。流体克服局部阻力所消耗的机械能称 为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失为
v2 hj K 2g
其中：K 为局部阻力系数，是一个由实验确定的无量纲数。
3.1.2 管内流动的两种损失
1、沿程阻力与沿程损失
粘性流体运动时，由于流体的粘性形成阻碍流体运动的 力称为沿程阻力。流体克服沿程阻力所消耗的机械能称为沿 程损失。单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失为
hf
l
d
v2 2g
其中 称为沿程阻力系数，它与雷诺数和管道表面的粗糙度有
关，是一个无量纲数，由实验确定。 2、局部阻力与局部损失
冶传总复习1-2
§2.3
流体的粘性及其内摩擦定律
一、粘性的概念
动板
定板
在做相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值反向的 作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，流体的这种性质称流体 的粘性。由粘性产生的作用力叫做粘性阻力或内摩擦力。原因。
二、牛顿粘性定律
当流体的流层之间存在相对位移时，即存在速度梯度时，由于流体的粘 性作用，在其速度不相等的流层之间以及流体与固体表面之间所产生的粘性 阻力的大小与速度梯度和接触面积成正比，与流体的粘性有关。
粘度或切应力
牛顿流体
触变性流体
时间 触变性流体的特性曲线
例1： 两平行板相距3.2mm，下板不动，而上板以1.52m/s的速度运动。 欲使上板保持运动状态，需要施加2.39N/m2的力。求板间流体的动力 粘度。 解：两板间的距离较小，可以将速度梯度当作线性变化处理。
F/A v0 / Y
例2：某种可压缩液体在圆柱形容器中，当压强为2MN／m2时体 积为995cm3，当压强为1MN／m2时体积为1000 cm3，问它的等 温压缩率kT为多少?
个“负号”。
传输过程的研究方法：
理论研究法、实验研究法、数值计算研究法
第二章
流体的性质
§2.1
流体的概念和连续介质模型
一、流体的概念
能够自由流动的物体，统称流体，如液体和气体。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。 共 同 特 征
分子间距和分子的运动范围 比较大 只能承受压力，不能承受拉力和切力； 分子的移动和转动为其主要运动形式； 没有一定的形状；
“三传”的类似性
流场中速度分布不均的时候 产生了切应力； 分子传递 温度分布不均的时候 产生了热传导； 在多组分的混合流中，某组分 的浓度分布不均的时候 产生了质量的传输； 湍流传递 旋涡混合造成的流体微团的宏观 运动引起。
冶金传输原理2
1、有一水平放置的钢坯，长1.5m ，宽0.5m ，黑度0.6ε=，周围环境温度为20C ︒，试比较钢坯温度在200C ︒和1000C ︒时，钢坯上表面由于辐射和对流造成的单位面积热损失？ 解：钢坯上表面单位面积的辐射热损失200C ︒时：44202002730.6 5.671702.9/100100T E C W m ε+⎛⎫⎛⎫==⨯⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 1000C ︒时：4210002730.6 5.6789340.4/100E W m +⎛⎫=⨯⨯= ⎪⎝⎭钢坯上表面单位面积的对流热损失 定型尺寸0.5 1.512L m +== 1Tβ=200C ︒时：定型温度2002011022w fm t t t C ++===︒()23.2710/24.24/Pr 0.687W m C v m sλ-=⨯⋅︒==()()()3392269.811200200.687Pr Pr 5.41011027324.2410gL Gr t vβ-⨯⨯-⨯⋅=⋅∆⋅==⨯+⨯⨯属于湍流：()()193Pr 0.15 5.410263num m N C G r ∴=⋅=⨯⨯=()22263 3.27108.6/1um N a W m C Lλ-⨯⨯===⋅︒()()28.6200201548/c w f q a t t Wm =-=⨯-=1000C ︒时：定型温度10002051022w fm t t t C ++===︒()25.7510/79.4/Pr 0.688W m C v m s λ-=⨯⋅︒==()()()39269.8111000200.688Pr 1.41051027324.2410Gr -⨯⨯-⨯⋅==⨯+⨯⨯属于湍流：()()193Pr 0.15 1.410165.4num m N C G r ∴=⋅=⨯⨯=()22263 3.27109.5/1a W m C -⨯⨯==⋅︒()28.61000209318.5/c q W m =⨯-=2、试估算350C ︒及82atm 下氢气通过储气瓶的漏损量？已知：气瓶直径为200m m 、长1.8m 、壁厚25m m 。
材料加工冶金传输原理吴树森
M
ABM CD
d
(
dx 0
vxdy)dx
从AC面流出的动量：v
d dx
(
0
vxdy)dx
2024/10/10
11
x方向净输出动量的速率：
0
vx2dy
d dx
(
0
vx2dy)dx
0
vx2dy
v
d dx
(
0
vx dy )dx
d dx
(
0
vx2dy)dx
v
d dx
(
0
vx dy )dx
净输出控制体的动量之速率 作用于控制体的外力之和
即：沿y方向上可分为三个区：层流底层，缓冲区，湍 流关键区。
层流边界层
过渡区 湍流边界层
v∞
v∞
紊流关键区
v∞
vx
缓冲区 vx
层流底层
2024/10/10
4
一般平板 :
实验表明 : 4.1.3 管流边界层:
Le起始段
Rec 3105
1
L Re
层流
湍流
层流：当Re Re c,即层流边
界层在流过一段距离后其（x)
当流体绕物体流动时，常会发生边界层旳脱离，而形成回 流区，以流体绕圆柱体流动为例，来阐明该现象。
当流体流经如图所示旳
圆柱表面时形成如图所示旳 附面层，（图中虚线）A点
C BD
E
旳速度为零叫滞点，从A点
到B点，因为截面旳减小，
则流速增长，压力减小，从B点到C点，截面增长速度减小， 压力增长，因而曲面边界层旳特点是在x方向有压力梯度。 而正是这个压力梯度使得边界层发生脱离和漩涡产生。
第四章
冶金传输原理
冶金三传原理及相似性第一章 概述1 冶金的分类冶金：钢铁冶金、有色金属冶金。
共同特点：发生物态变化 固→液态物理化学变化 原料与产品的性质、化学成分截然不同1.1钢铁冶金原料是矿石 产品是钢铁钢铁工艺流程：长流程 高炉—转炉—轧机 短流程 直接还原或熔融还原—电炉—轧机（1）高炉炼铁：烧结矿或球团矿（铁矿石造块）、焦炭（煤炼焦）、熔剂−−→−冶炼 铁水面临主要问题：能源和环保。
（2）非高炉炼铁：天然块矿、粉矿或造块、块煤或气体还原剂、熔剂−−→−炼制海绵铁（3）转炉炼钢：铁水、废钢、铁合金、氧气、造渣剂−−−→−一次精炼钢水 （4）电炉炼钢：废钢（海绵铁）、铁水、铁合金、造渣剂−−−→−一次精炼 钢水1.2有色金属冶金原料是矿石 产品是有色金属（1）重金属：铜（造锍熔炼）、铅（还原熔炼）、锌（湿法冶炼）、锡（火法精炼）（2）轻金属：铝冶金、镁冶金（3）稀贵金属：锂冶炼、铍冶炼、钙锶钡制取、金银提炼1.3传输原理传输原理（动量、热量、质量传输） 简称“三传”传输是指流体的（输送、转移、传递）⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧物质传递过程传热过程动力过程的统称。
⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧质量热量动量的传递与输送⇒⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧质量传输热量传输动量传输−−−→−类似统一性（基本概念、运动规律、解析方法类似）传输原理从20世纪中叶以来，随着科学技术的发展，传输理论已成为一门独立学科，并广泛应用于冶金、材料、机械、化工、能源、环境等领域。
冶炼过程：高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程。
传输过程⇒冶炼过程中的物理过程（动力学），不涉及化学反应→冶金原理 ⇒动量、热量、质量传递的过程。
所以，冶金传输原理即为冶金 中的动量、热量、质量传输理论，它已成为现代冶金过程理论的基础。
第二章 动量传输2.1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2.2 连续介质流体是在空间上和时间上连续分布的物质。
冶金传输原理在冶金工程的应用
质量传输
物质在相界面或浓度梯度作用下发生迁移，改变浓度分布。
传输原理研究内容
1 2
传输现象的数学描述
建立描述动量、热量和质量传输的数学模型。
传输过程的机理研究
探讨各种传输现象的内在机制和影响因素。
3
传输过程的模拟与优化
利用计算机模拟技术，对传输过程进行模拟分析， 优化工艺参数。
冶金工程中传输原理重要性
01
02
03
提高冶金生产效率
通过优化传输过程，提高 冶金生产效率，降低能耗 和物耗。
改善冶金产品质量
控制传输过程中的各种因 素，提高冶金产品的成分 均匀性、组织结构和力学 性能。
推动冶金技术创新
深入研究传输原理，为冶 金新技术、新工艺的开发 提供理论支持。
02 冶金工程中主要传输现象
热量传
传导传热
在冶金工程中，热量通过物体内部的分子、原子或电子的热运动进行传递，称为传导传热。例如，在 金属熔炼过程中，热量通过炉壁传导至金属熔体，维持其熔融状态。
对流传热
热量通过流体的流动进行传递称为对流传热。在冶金工程中，金属熔体、熔渣和气体的流动都会伴随 对流传热。例如，在连铸过程中，冷却水通过流动将热量从铸坯中带走，实现铸坯的冷却和凝固。
动量传
流体流动
在冶金工程中，动量传输主要涉及流体（如金属熔体、熔渣 、气体等）的流动。流动现象受到流体的物理性质（如密度 、粘度）、流动状态（层流或湍流）以及边界条件（如管道 形状、壁面粗糙度）等因素的影响。
搅拌与混合
动量传输还涉及冶金过程中的搅拌与混合现象。通过搅拌器 或气体搅拌等方式，实现金属熔体、熔渣和添加剂的均匀混 合，以促进化学反应的进行和冶金过程的优化。
冶金传输原理
1传输过程：传输过程是从非平衡状态朝平衡状态转移的过程。
2连续介质模型：将流体看成是由无数多个流体质点所组成的密集而无间隙的连续介质，也叫做流体连续性的基本假设。
3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。
6迹线：迹线就是流体质点运动的轨迹线。
7流线：在同一瞬时流场中的不同位置质点的流动方向线。
8流管：在流场内取任意封闭曲线L，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。
9流束：在流管内取一微小曲面dA，通过dA上每个点作流线，这族流线叫流束。
10层流：流体在运动方向上分层运动，各层互不干扰和渗混，这种流线呈平行状态的流动成为层流。
11紊流：各质点在不同方向上作复杂的无规则运动，互相干扰地向前运动，这种流动成为湍流。
13沿程阻力：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。
14局部阻力：流体在流动中因遇到局部障碍而产生的阻力称为局部阻力。
16数学分析法：数学分析法是从物理概念出发进行数学分析，建立起物理过程的数学方程式来揭示各有关物理参数之间的联系，然后在一定边界条件下求解。
17实验法则：实验法则是对某一具体的物理过程以实验测试为手段，直接对过程的有关物理量进行测定，然后根据测定结果找出各相关物理量之间的联系及变化规律。
18相似准数：在相似系统的对应点上，由不同物理量所组成的量纲为1的综合数群的数值必须相等，这个量纲为1的量往往称为无量纲量，综合数群叫相似准数。
19：量纲：物理量所属于的种类，称为这个物理量的量纲。
20：热量传输：热量传输是研究不同物体之间或者同一物体不同部分之间存在温差时热量的传递规律。
21：导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递称为热传导，简称导热。
22:对流：对流是指流体各部分之间发生的相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递方式。
安工大 冶金传输原理习题2
1 2
v2 bLCD
2
1 2
999 .7 1.22
1.2 3 0.00319
2
16.57 N
10
第五章习题
5-3 飞机以速度在大气中飞行，若视机翼为平板，并认为机翼 前缘开始均为湍流边界层，试计算边界层厚度δ及平板总阻 力。已知机翼长度为，宽度为，空气温度为℃。
习题讲解
第四章习题
4-1 沿直径d=200mm的管道输送润滑油，重量流量为
G=882500N/h，润滑油的 g 8825N / m3 ，运动黏度为v，冬天
v1=1.092 ×10-4m2/s，夏季v2=3.55 ×10-5m2/s，试判断冬夏两季润 滑油在管中的流动状态？
解：
Re ud
V2bL
2
1 1.247 1.52 0.1 0.25 0.01292 2
2
9.063104 N
9
第五章习题
5-2 光滑平板宽1.2m，长3m，潜没在静水中以速度u 1.2m/ s 沿水 平方向拖曳，水温为10℃，求：1）层流边界层的长度 （ Re K 5105 ）；2）平板末端的边界层厚度；3）所需水平拖
z1
P2
g
V22 2g
z2
h损
例（4-2）图
V1 0, P1 P2 Pa , z1 z2 h l
沿程损失为： hw
l d
V22 2g
h
l
1
l d
V22 2g
3
第四章习题
Q
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1、有一水平放置的钢坯，长1.5m ，宽0.5m ，黑度0.6ε=，周围环境温度为20C ︒，试比较钢坯温度在200C ︒和1000C ︒时，钢坯上表面由于辐射和对流造成的单位面积热损失？ 解：钢坯上表面单位面积的辐射热损失200C ︒时：44202002730.6 5.671702.9/100100T E C W m ε+⎛⎫⎛⎫==⨯⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭1000C ︒时：4210002730.6 5.6789340.4/100E W m +⎛⎫=⨯⨯= ⎪⎝⎭钢坯上表面单位面积的对流热损失 定型尺寸0.5 1.512L m +== 1Tβ= 200C ︒时：定型温度2002011022w fm t t t C ++===︒ ()23.2710/24.24/Pr 0.687W m C v m s λ-=⨯⋅︒==()()()3392269.811200200.687Pr Pr 5.41011027324.2410gL Gr t vβ-⨯⨯-⨯⋅=⋅∆⋅==⨯+⨯⨯属于湍流：()()193Pr 0.15 5.410263num m N C Gr ∴=⋅=⨯⨯=()22263 3.27108.6/1um N a W m C L λ-⨯⨯===⋅︒()()28.6200201548/c w f q a t t W m =-=⨯-=1000C ︒时：定型温度10002051022w fm t t t C ++===︒ ()25.7510/79.4/Pr 0.688W m C v m s λ-=⨯⋅︒==()()()39269.8111000200.688Pr 1.41051027324.2410Gr -⨯⨯-⨯⋅==⨯+⨯⨯属于湍流：()()193Pr 0.15 1.410165.4num m N C Gr ∴=⋅=⨯⨯=()22263 3.27109.5/1a W m C -⨯⨯==⋅︒()28.61000209318.5/c q W m =⨯-=2、试估算350C ︒及82atm 下氢气通过储气瓶的漏损量？已知：气瓶直径为200mm 、长1.8m 、壁厚25mm 。
3、计算2CO 在1atm 压强下，温度为293K 空气中的扩散系数？4、有一炉顶隔焰加热熔锌炉，炉顶被煤气燃烧加热到900C ︒，熔池液态锌温度保持600C ︒，炉膛高0.5m ，炉顶为SiC 砌成，设炉顶面积1F 和熔池面积2F 相等，为23.81m ⨯。
知：0.85SiC ε=，0.2Zn ε=（液态锌）不计炉墙散热损失，求炉顶与熔池间的换热量？1-1什么是连续性介质，在流体力学中为什么要建立连续介质这一理论模型？答：连续介质模型：任一时刻流动空间的每点都被相应的流体质点占据这样的模型是连续介质模型。
原因：采用连续介质模型，流体性质和运动特性的物理量和力学量一般为时间和空间的连续函数，就可以用数学中连续函这一有力手段来分析和解决流体力学问题。
1-4什么是动力粘性系数和运动粘性系数，两者的关系如何？答：μ表征了流体抵抗变形的能力，即流体粘性的大小，称为流体的动力黏性系数，或简称动力黏度。
流体的动力黏度与其密度的比值称为运动黏性系数，即μηρ=1-6什么是理想流体，引入这一概念有什么意义？答：没有粘性的流体即不存在内摩擦力的流体是理想流体，例2-3如图所示，设i m 是浇包内金属液的初始质量，c m 是需要浇注的铸件质量。
为简化计算，假设包内的内径D 是不变的。
因浇口的直径d 比浇包的直径小很多，自由液面1的下降速度与浇口处2金属液的流出速度相比可以忽略不计，求金属液浇注的时间。
解：由题意，112120,,0,a v z H z p p p =====设：浇注时间为τ时，金属液的液位高度为h由伯努利方程)21222112p gh v p v ρρ+=+⇒= 由总质量平衡原理，有12220dm m m A v d ρτ=-=-将()1代入上式，得dmA d ρτ=忽略柱塞的体积，有()11d A h m A h A d ρρρτ=⇒-=1τ=根据题意，按下列范围积分：00,;,0h H h τττ====定积分：00001H d τττ==∴=⎰2-1取轴向长度为z d 和径向间隙r d 的两个同心圆柱面所围成的体积作为控制体（单元），试导出流体在圆管内做对称流动时的二维（r 、z 方向）连续方程。
2-3试判断下列平面流场是否连续？22sin cos ,2cos r v r v r θθθθ==2-4设有流场，其欧拉表达式为,,0x y z v x v y v ττ=+=-+=求此流场中的流线微分方程式。
若取流场中的一点：1,2,3x y z ===。
在1τ=及 1.5τ=时通过该点的流线方程式又为如何？ 解：,,01,1,dx dy dzx y x Ae y Be z C d d d τττττττττ-=+=-+=∴=--=+-= 2-11某炉膛如图所示。
已知炉气()031327, 1.30/..g g t C kg m S T P ρ=︒=，炉外空气()0320, 1.293/..a a t C kg m S T P ρ=︒=。
（1）在同一坐标图上绘出两种气体压力随高度变化的示意图。
（2）导出g a p p -随炉膛高度H 的变化关系，并据此计算出炉顶、炉底两处的g a p p -的值。
（3）在本图所示的条件下，若打开炉门，炉内外气体将如何流动？ 3-1流动有那两种形态，各有什么特点，如何判别？ 答：流动有层流和湍流两种形态。
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，流线呈平行状态。
湍流：流体内部充满了可以目测的漩涡，这些漩涡除了在主体流动方向上随流体运动外，还在各个方向上做无规则的随机运动，流体在运动中相互掺混极不规则。
3-2沿程阻力和局部阻力的物理本质是什么？答：由于流体的粘性产生的摩擦力，流体与流体间（沿程阻力），流体与固体壁面间（局部阻力）。
沿程阻力：沿流动路程上由于个流体层之间的内摩擦而产生的流动阻力；局部阻力：在边壁尺寸急剧变化的流动区域，由于尾流区、漩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。
3-9在内径为d 的足够长的圆管内，有一外径为D 的同轴圆管，现有不可压缩黏性流体在套管环隙内沿轴向作定常层流。
试确定环形通道内的速度分布式和流量公式。
3-12计算下面两管道的当量直径：（1）横截面边长为a 的正六边形管道；（2）内、外直径分别为1d 和2d 的同心圆环套管。
3-13判断下列管流条件下流体的流动性质：（1）()331000/, 1.0010/,60/min,0.04kg m kg m s v m d m ρμ-==⨯⋅==；（2）521.56810/,1/,3m s v m s d cm η-=⨯==； （3）521.56810/,2.5/,20m s v m s d mm η-=⨯==。
3-19流体流经如图所示的环状间隙管道，两侧压力分别为1p 和2p ，设间隙摩擦系数为λ，局部阻力系数为ξ，物体密度为ρ，求流体的质量流量。
例3-2设有30.1,850/Pa s kg m μρ=⋅=的液体，经过长为3000L m =，直径300d mm =的铸铁管流动，流量为334110/v q m s -=⨯。
试求摩擦压力损失p ∆。
解：3241108500.580.30.58/,Re 147923000.10.34v q vd v m s A ρπμ-⨯⨯⨯======<⋅属于层流流动。
2232646430008500.580.04330.043361.910/Re 147920.32L v p N m D ρλλ⨯===∴∆==⨯⨯=⨯例3-3长度1000l m =，内径200d mm =的普通镀锌钢管，用来运输运动粘性系数20.335/cm sη=的重油，已测得其流量38/q L s =。
（已知30.39,880/kg m ρ∆==）问其沿程损失是多少？ 解：420.038 1.210.21.21/,Re 681740000.335100.24q d v m s A ρπη-⨯======>⨯⋅ 对于5Re 10<，0.0348λ=== 故沿程阻力损失为220.03481000880 1.21112091.520.22l v h Pa d ρλ⨯⨯⨯===⨯ 4-2流体在圆管中流动时，“流动已经充分发展”的含义是什么？在什么条件下会发生充分发展了的层流，又在什么条件下会发生充分发展了的湍流？4-4流体平行流过平板，试确定距板端不同距离x 处的附面层性质：（1）520120/min, 2.0010/,0.1,2.0,3.0v m m s x m m m η-==⨯= （2）52020/, 1.010/,0.1,2.0,3.0v m s m s x m m m η-==⨯=4-6按下表计算不同x 处平板附面层厚度，并将其绘成图（已知流体的522.0010/m s η-=⨯）。
注：：距板端的距离，；：来流速度，；：附面层厚度，。
例6-1已知某离心式压缩机第一级工作轮出口气流的速度2183/v m s =，出口温度250.8t C =︒，气体常数()288/R J kg K =⋅，绝热系数 1.4k =，试求出口气流的马赫数2Ma 为多大？ 解：因速度2v 已知，求2Ma 只需求的当地音速2c 即可。
2227350.8273323.8T t K =+=+=2222183361/0.506361v c m s Ma c ===∴==≈ 6-4某转炉氧枪的压力631111.0810,313,13.2/p Pa T K kg m ρ=⨯==，炉内压力49.8110e p Pa =⨯，氧气流量 2.7/m q kg s =，试求氧枪的临界直径、出口速度及出口直径。
9-2砖墙的表面积为210m ，厚为300mm ，平均热导率为()1.5/W m C ⋅︒。
设砖墙室内侧的表面温度为20C ︒，室外侧的表面温度为10C -︒，试确定此砖墙向外散失的热量。
解：()()2310,300100.3, 1.5/,201030F m m W m C t C δλ-==⨯==⋅︒∆=--=︒301.51015000.3tF W λδ∆∴Φ==⨯⨯= 例10-1如图所示，一平壁由三层材料组成。
第一层是耐火砖，热导率()1 1.74/W m C λ=⋅︒，允许的最高使用温度为1450C ︒，第二次是绝热砖，热导率为()20.35/W m C λ=⋅︒，允许最高是使用温度为1100C ︒，第三层是铁板，厚度()336,40.7/mm W m C δλ==⋅︒，炉壁内表面温度11350t C =︒，外表面温度4220t C =︒，在稳定状态下，24652/q W m =。