材料传输原理复习总结PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料加工冶金传输原理,2003,合肥工业大学材料学院材料成型与控制系,内容回顾,第二章 流体的性质,第三章 流体动力学,第五章 边界层理论,第六章,材料加工中的特殊流体动的流动,第七章 相似理论及量纲分析,第八、九章 热量传输的基本概念、导热,第十章 对流换热,第十一章 辐射换热,第一章 绪论,第四章 层流流动与湍流,流体静力学,质量传输的基本概念,菲克定律,傅立叶导热定律,牛顿粘性定律,一、三种传输的基本规律,第一章 绪论,第一章 绪论,1,、数学表达式相似,2,、扩散系数具有相同的因次，单位均为（,m,2,/s,）,3,、扩散通量为单位时间内通过与传递方向相垂直的单位面积上的动量、热量和质量；通量的传递方向均与该量的浓度梯度的方向相反。因此，通量的表达式中都有一个“,”,二、三种传输现象的类似性,第二章 流体的性质,一、基本概念、知识,流体（,Fluid,）自然界中能流动的物质，统称为流体。,连续介质（,Continuous medium),模型,将流体看成是由无限多个流体质点所组成的、密集而无间隙的连续介质，流体质点是组成流体的最小单位，质点与质点之间没有空隙。,压缩性,：当作用在流体上的压力增加时，流体所占有的体积将缩小，这种特性称为流体的压缩性，通常用等温压缩率,T,来表示。,膨胀性：,当温度变化时，流体的体积也随之变化。温度升高，体积增大，这种现象称为流体的膨胀性，用膨胀,V,系数来表示。,第二章 流体的性质,粘度,/,粘滞性,（动力粘度，绝对粘度），物理意义为速度梯度为,1,个单位时，单位面积上内摩擦力，单位为,Pa,s,。,根据牛顿粘性定律，以切应力对速度梯度作图，若得到一条通过原点的直线，具有这种特性的流体称为牛顿流体。,不具有上述特点的流体则统称为非牛顿流体。,牛顿流体,非牛顿流体,第二章 流体的性质,流体,静力学,欧拉静平衡方程,作用在静止流体上的力：质量力、表面力,流体静压强特性,(,1,),垂直受压面,并沿着,受压面,的内法线方向,。,(2),大小由位置的坐标决定，与作用方向无关。,流体静力学基本方程,流体,静力学,绝对压强、相对压强的概念与计算,条件,压强分布特征,等压面特点,绝对,静止,匀速直,线运动,以加速度,a,直线运动,以角速度,转动,静止流体的压强分布、等压面,流体,静力学,一、基本概念,4,）,有效断面（过水断面,）：即水道（管道、明渠等）中垂直于水流流动方向的横断面，即与流束或总流的流线成正交的横断面。,第三章 流体动力学,1,）,迹线,：流场中流体质点运动的轨迹线；,2,）,流线,：某一瞬时、流场中连续的不同位置质点流动方向线。,是流场中某一瞬时的一条空间曲线，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。,3,）,流束,：充满在流管中的液流称为流束。流束的极限是一条流线。,无数流束就构成总流。,6,）,缓（渐）变流,：水流的流线几乎是平行直线的流动。或者虽有弯曲但曲率半径又很大的流体流动，则可视为渐变流。渐变流的极限是均匀流。渐变流同一过水断面上的动水压强分布规律同静水压强，即,z,1,+p,1,/,=,常数。,第三章 流体动力学,5,）,平均流速,：由通过过水断面的流量,Q,除以过水断面的面积,A,而得的流速称为断面平均流速。,7,）,动能（动量）修正系数,：指按实际流速分布计算的动能（动量）与按断面平均流速计算的动能（动量）的比值。它们的值均大于,1.0,，且取决于总流过水断面的流速分布，分布越均匀，其值越小，越接近于,1.0,。一般工程计算中常取,1.0,。,第三章 流体动力学,二、基本的公式、方程,流体运动的速度、加速度,当地加速度,迁移加速度,二、基本的公式、方程,连续性方程与恒定总流连续性方程,不可压缩流体无分支、无汇集流动时：,1,A,1,=,2,A,2,，即,Q,1,=,Q,2,，,即任意断面间断面平均流速的大小与过水断面面积成反比。,不可压缩流体：,第三章 流体动力学,恒定总流能量方程（伯努利方程）,第三章 流体动力学,伯努利方程的,几何意义,和,物理意义。,水头线,1,）各断面的总水头连线称为总水头线或总能线。,2,）对于理想流动流体的总水头线为水平线；,3,）对于实际流动流体的总水头线恒为下降曲线或直线，其下降值等于两断面的水头损失,h,w,（,h,f,）。,4,）各断面的测压管水头连线称为测压管水头线。测压管水头线与总水头线的间距是流速水头，若是均匀流，则总水头线平行于测 压管水头线。,应用能量方程时的注意事项,（,1,）沿流动方向在渐变流处取过水断面列能量方程；,（,2,）,基准面,原则上可任取，但应尽量使各断面的位置水头为正；,（,3,）在同一问题上必须采用相同的压强标准。一般均采用相对压强，,而当某断面有可能出现真空时，尽量采用绝对压强；,（,4,）由于,z,+,p,/,=,常数，所以计算点在断面上可任取，但对于管道流动,常取断面中心点，对于明渠流动计算点常取在自由液面上；,（,5,）应选取已知量尽量多的断面（其中一个断面应包括待求的未知量），,如大水池表面,v,1=0,，相对压强,p,=0,；管道出口断面相对压强,p,=0,等。,第三章 流体动力学,第四章,层流流动与湍流运动,Re,c,取决于,边界形状,（过水断面形状）、以及,特征尺寸,的选用。,对圆管内流,Re,c,=2320,（,2300,）；非圆管,Re,c,=500,；明渠,Re,c,=300,。,时均化处理紊流。瞬时流速,=,时均流速,+,脉动流速,1.,流体流动的两种形态（层流和紊流）的特点,（运动是否有序？流体微团是否有掺混？）,2.,层流、紊流的判别标准,下临界雷诺数,Re,c,3.,紊流特点：无序性、耗能性、扩散性,第四章,层流流动与湍流运动,4.,不可压缩恒定均匀圆管层流,圆管内层流流速呈,旋转抛物面,分布,圆管层流的水头损失：,即水头损失与流速的一次方成正比，沿程阻力系数,=64/,Re,。,如果流量为,Q,，其沿程损失的功率为,圆管内层流的,最大流速,是平均流速为的,2,倍,6.,紊流沿程阻力系数,的求解,a,）尼古拉兹曲线。,根据,与,Re,的关系，将整个流区分为,5,个区（层流、层流向紊流过渡区、水力光滑区、水力光滑区向水力粗糙区的过渡区、水力粗糙区），查图或利用相应的实验公式 。,首先计算雷诺数判断流动状态（注意流道的形状）。,b,）湍流区通用的经验公式,第四章,层流流动与湍流运动,5.,紊流切应力,7.,非圆形管内流动问题,此时，引入当量直径,d,e,的概念，而且,d,e,=4R,水力,，,沿程损失的计算，只需将圆管表达式中的,d,用,d,e,取代即可：,非圆形截面的特征长度则是水力半径,R,水力,。,第四章,层流流动与湍流运动,8.,求解具体问题时注意,根据对具体情况的分析，往往需要进行必要的简化，,结合,伯努利方程,，有时需要结合,连续性方程,、,静力学,基本方程,。,第四章,层流流动与湍流运动,e.,边界层外可按理想流体对待，边界层内,1.,边界层的概念与特点,a.,边界层厚度为一有限值；,c.,边界层厚度沿程增加；,d.,边界层分层流边界层和紊流边界层；,b.,边界层内速度梯度较大；,第五章 边界层理论,第五章 边界层理论,边界层厚度,速度分布为一无穷级数形式（不作为计算时使用）,2.,流体掠过平板,层流时的边界层微分方程,层流时边界层积分方程（简化后）,边界层厚度,边界层内速度分布关系,第五章 边界层理论,第五章 边界层理论,由微分方程,由积分方程,不可压缩层流，平板绕流摩擦阻力,S,及摩擦阻力系数,C,f,湍流，平板绕流边界层厚度,、摩擦阻力,S,、及摩擦阻力系数,C,f,第五章 边界层理论,2.,几个相似准数：,Re,、,Fr,、,Eu,a.,粘滞力起主要作用时，,b.,重力起主要作用时，,c.,压力起主要作用时，,1,）几何相似,原形和模型两个流场的几何形状相似；,2,）运动相似,原形和模型两个流场的速度场相似；,3,）动力相似,原形和模型两个流场中各相应质点所受的力同名、方向,相同，大小成一固定比例；,4,）初始条件和边界条件相似；,第七章 相似理论与量纲分析,1.,两液流流动相似必须满足,由简单的物理方程通过相似变换导出某些准数,第七章 相似理论与量纲分析,4.,量纲和谐原理,凡是正确反映客观物理现象（过程）的方程，其量纲都必须是一致的。,即只有物理方程两边量纲相同时，物理方程才能成立。,3.,基本量纲,具有独立性的，不能由其他量纲推导出来的量纲。,一般取,L,-,M,-,T,。,导出量纲,由基本量纲导出的量纲。,基本知识和概念,导热,物体各部分之间无相对位移，通过物体内部的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行热量传递的一种方式，称为热传导，简称导热。,对流换热,是指流体流经与其温度不同的固体壁面时发生的热量传输现象。,对流换热发生时，必然伴随着导热，而且导热是制约环节。,温度场,是指所研究对象的温度分布，通常温度的分布是空间、时间的函数。即物体的温度可以表示为,T=f,（,x,，,y,，,z,，,t,）,辐射换热,物体发出辐射与接受辐射对比的结果。,热量传输概述、导热,等温面（线）,某一时刻，物体中各处温度相同的各点组成的面称为等温面，,等温面与任意一个二维截面的交线称为等温线。,习惯上以等温面或等温线来表示温度场。,热量传输概述、导热,热扩散率,热导率,热导率是表征物体导热能力的物性参数。,在数值上等于温度梯度为,1,个单位时，物体内具有的热流密度。,温度梯度,温度场中，任意一点沿等温面法线方向单位距离的温度,变化率称为该点的温度梯度，是一矢量。,是材料自身的热物性。,蓄热系数,惰性时间,非稳态导热时，物体内某处未受表面升温影响,（波及）的时间。,热阻 可以简单地视作热量传输过程中的阻力。不同的传热方式有不同的表示方式，而且与物体表面状态、结构有关。,导热,基本公式,导热,导热,热量传输概述、导热,第十章 对流换热,牛顿冷却公式（对流换热计算表达式）,热流密度：,q=,（,T,W,-,T,f,）；,热流量：,Q,=,A(,T,W,T,f,),。,影响对流换热的因素,固体物的,放置方式,（,水平、铅垂；热面朝上、热面朝下等,）。,流动的,起因,（强制对流、自然对流）,流动的,性质,（层流、湍流）,流体的,物性,（密度、粘度、热导率等）,表面,几何特征及流体流动的空间（外部掠过、内部流过）,换热微分方程式,对流换热时，流体与固体表面之间的对流换热量都必须通过紧贴壁面的速度为零的流体层，穿过此层流体的热量几乎完全依靠导热。将傅立叶导热微分方程应用于该贴壁层，并联立牛顿冷却公式，可以得到局部换热表面传热系数,为：,第十章 对流换热,对流换热准数方程式,1.,对流换热准数,（关键）,第十章 对流换热,Gr,（格拉晓夫数）自然对流时采用的准数，反映自然对流换热过程中,浮升（沉降）力、惯性力与粘性力的相对大小。,(,普朗特数）反映流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小。,（努塞尔数）表征对流换热的相对强弱；可视为导热热阻与对流热阻的比值；,(,雷诺数）表征强制对流时，惯性力和粘性力的相对大小；,2.,对流换热准数方程式,对稳定对流传热一般表示成：,Nu=f,（,Re,，,Pr,，,Gr,）,第十章 对流换热,定性温度,:,外部掠过、内部流过不同,特征尺寸：与物体的几何特征与放置形式有关,自然对流换热问题,自然对流换热的准数方程式一般为：,要查表,10-2,确定自然对流换热中的,C,及,n,值，计算出,Nu,的值,必要时进行修正。,或由表,10-3,给出的简化公式确定,Nu,的值,第十章 对流换热,对流换热系数的求解（步骤、方法）,分析流体在空间上的流动,方式,、,原因,确定定性,温度,、定性,尺度,由定性,温度,查找有关,物理参数,计算,Re,或,GrPr,，判断,流动的状态,，确定系数、指数,根据,相应的表达式,求出,Nu,结合,Nu,的表达式求出相应的对流换热系数,必要时进行一定的修正,1.,热辐射的基本概念,1,）热辐射：因热的原因而产生的电磁波辐射。,2,）辐射换热：物体之间相互辐射和吸收辐射能的总效果。,3,）物体表面的吸收、反射和穿透,吸收率,反射率,透射率,黑体,=1,固体、液体对热辐射不能穿透，,=0,，,+,=1,第十一章 辐射换热,第十一章 辐射换热,2.,热辐射的基本定律,（,1,）斯蒂芬,波尔兹曼定律（四次方定律）,辐射力：单位时间内、单位表面积物体表面向其上半球空间所有方向 发射的全部波长的总辐射能。,斯蒂芬,波尔兹曼定律（四次方定律）,黑体辐射力,E,b,与其热力学温度,T,的四次方 成正比。即,发射率：物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比称为该物体的发射率或黑度，以,表示。即,第十一章 辐射换热,基尔霍夫定律,任何物体的辐射力与它对来自同一温度黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下的黑体的辐射力。即,推论：,1,）温度相同时，黑体的辐射力最大；,2,）辐射力大的物体，其吸收率也大。善于辐射的物体必然善于吸收。,灰体,单色吸收率,为常数的物体（实际物体的,对不同波长的辐射有选择性）,灰体的性质,第十一章 辐射换热,两个黑体表面间的辐射换热量为,式中，,A,1,为,黑体表面积，,X,12,为表面,1,对表面,2,的角系数，,1/,（,A,1,X,12,）,称为辐射空间热阻，简称空间热阻。,3.,黑体间的辐射换热,第十一章 辐射换热,角系数,角系数的性质,1,）相对性,2,）完整性,3,）可分,(,加）性,表面,1,发射的辐射能落到表面,2,上的量与表面,1,发射的辐射能的比值，称为表面,1,对表面,2,的角系数,X,12,。,从,表面,1,发出而落到,表面,2,（,2a+2b,）上的总辐射能等于落到表面,2,上各组成部分的辐射能之和，于是有：,角系数的性质,角系数的性质,从,表面,2,发出落到,表面,1,上的总辐射能，等于从表面,2,的各个组成部分发出而落到表面,1,上的辐射能之和。即,第十一章 辐射换热,灰体表面间的辐射换热,（,1,）,有效辐射,单位时间内离开单位面积的总辐射能称为该表面的有效辐射，计为,J,。,（,2,）,投入辐射,单位时间内投射到单位面积上的总辐射能称为该表面的投入辐射，计为,G,。,第十一章 辐射换热,（,3,）,表面热阻,表面,1,以辐射方式损失的净热量为,第十一章 辐射换热,（,4,）两灰体表面组成的封闭系统的辐射换热,两个灰体间的辐射换热网络则表示为,第十一章 辐射换热,若,A,1,/A,2,0,面积相近的两非凹表面相距很近,辐射换热网络图,2,个灰体,表面,3,为黑体,2,个灰体,表面,3,为重辐射面,重辐射面,与黑体表面的区别,四个表面组成的封闭系统辐射网络图,E,b1,E,b2,E,b3,E,b4,J,1,J,2,J,3,J,4,第十一章 辐射换热,气体的发射率（气体的黑度）,气体的辐射换热,气体与黑体包壳,气体与灰体（发射率为,w,）包壳,第十一章 辐射换热,对于,w,0.7,的灰体包壳，,值得强调的是：气体辐射有选择性，不能作为灰体对待，即,w,w,。,如水蒸气和二氧化碳气共存的混合气体对黑体外壳辐射的吸收率表示为,希望,认真复习、积极准备,预祝,各位同学取得优异成绩,