1、簡稱“三傳”動(dòng)力過程 簡稱“三傳”動(dòng)力過程 、 傳熱過程 的統(tǒng)稱。物質(zhì)傳遞過程動(dòng)量動(dòng)量傳輸熱量的傳遞與輸送n熱量傳輸質(zhì)量質(zhì)量傳輸類似統(tǒng)一,性_I （基本概念、運(yùn)動(dòng)冶金三傳原理及相似性第一章 概述1 冶金的分類 冶金：鋼鐵冶金、有色金屬冶金。共同特點(diǎn)：發(fā)生物態(tài)變化固T液態(tài)物理化學(xué)變化 原料與產(chǎn)品的性質(zhì)、化學(xué)成分截然不同鋼鐵冶金原料是礦石 產(chǎn)品是鋼鐵 鋼鐵工藝流程：長流程 高爐轉(zhuǎn)爐軋機(jī) 短流程 直接還原或熔融還 原電爐軋機(jī)（1）高爐煉鐵：燒結(jié)礦或球團(tuán)礦（鐵礦石造塊）、焦炭（煤煉焦）、熔劑一冶I 鐵水面臨主要問題：能源和環(huán)保。（2）非高爐煉鐵：天然塊礦、粉礦或造塊、塊煤或氣體還原劑、熔劑一宀 海綿鐵

2、（3）轉(zhuǎn)爐煉鋼：鐵水、廢鋼、鐵合金、氧氣、造渣劑一次精煉 鋼水（4）電爐煉鋼：廢鋼（海綿鐵）、鐵水、鐵合金、造渣劑 一次精煉 鋼水有色金屬冶金 原料是礦石 產(chǎn)品是有色金屬（1）重金屬：銅（造锍熔煉）、鉛（還原熔煉）、鋅（濕法冶煉）、錫（火法 精煉）（ 2 ）輕金屬：鋁冶金、鎂冶金（ 3）稀貴金屬：鋰冶煉、鈹冶煉、鈣鍶鋇制取、金銀提煉傳輸原理 傳輸原理（動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸）傳輸是指流體的（輸送、轉(zhuǎn)移、傳遞）規(guī)律、解析方法類似）傳輸原理從 20 世紀(jì)中葉以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳輸理論已成為一門獨(dú)立 學(xué)科，并廣泛應(yīng)用于冶金、材料、機(jī)械、化工、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。冶煉過程：高溫、多相條件下進(jìn)行的復(fù)

3、雜物理化學(xué)過程。傳輸過程n冶煉過程中的物理過程（動(dòng)力學(xué)），不涉及化學(xué)反應(yīng)I 冶金原理n動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞的過程。所以，冶金傳輸原理即為冶金 中的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳輸理論，它已成為現(xiàn)代冶金過程理論的基礎(chǔ)。第二章 動(dòng)量傳輸流體的概念物質(zhì)不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以無限的變形，這種變形稱 為流動(dòng)，這類物質(zhì)稱為流體，其變形的速度即流動(dòng)速度與切向力的大小有關(guān)， 氣體和液體都屬于流體連續(xù)介質(zhì)流體是在空間上和時(shí)間上連續(xù)分布的物質(zhì)。流體的主要物理性質(zhì)密度；比容；相對(duì)密度；重度流體的粘性粘性在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩流體層的接觸面上，存在一對(duì)等值而反向的作用 力來阻礙兩相鄰流體層作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體的這種性質(zhì)叫做流

4、體的粘性，由粘 性產(chǎn)生的作用力叫做粘性力或內(nèi)摩擦力。由于分子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，各流體層之間互有分子遷移摻混，快層分子 進(jìn)入慢層時(shí)給慢層以向前的碰撞，交換能量，使慢層加速，慢層分子遷移到 快層時(shí)，給快層以向后碰撞，形成阻力而使快層減速。這就是分子不規(guī)則運(yùn) 動(dòng)的動(dòng)量交換形成的粘性阻力。當(dāng)相鄰流體層有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層分子的引 力拖動(dòng)慢層，而慢層分子的引力阻滯快層，這就是兩層流體之間吸引力所形 成的阻力。牛頓粘性定律單位面積上的粘性力（粘性切應(yīng)力、內(nèi)摩擦應(yīng)力）為F dvT = R xyx A dyt yx說明動(dòng)量傳輸?shù)姆较颍▂向）和所討論的速度分量（x向）。符號(hào)表示動(dòng) 量是從流體的高速流層傳向低速流層。

5、粘度是流體的重要屬性，它是流體溫 度和壓強(qiáng)的函數(shù)。在工程常用溫度和壓強(qiáng)范圍內(nèi)， 溫度對(duì)流體的粘度影響很大，粘度主要依溫度而定，壓強(qiáng)對(duì)粘性的影響不大。當(dāng)溫度升高時(shí)，一般液體的粘度隨之降低；但是，氣體則與其相反，當(dāng) 溫度升高時(shí)粘度增大。這是因?yàn)橐后w的粘性主要是由分子間的吸引力造成 的，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子間的吸引力減小，“值就要降低；而造成氣體粘性 的主要原因是氣體內(nèi)部分子的雜亂運(yùn)動(dòng)，它使得速度不同的相鄰氣體層之間 發(fā)生質(zhì)量和動(dòng)量的交換，當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體分子雜亂運(yùn)動(dòng)的速度加大，速 度不同的相鄰氣體層之間的質(zhì)量和動(dòng)量交換隨之加劇，所以值將增大。凡是切應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系服從牛頓粘性定律的流體，均稱為

6、牛頓流 體。常見的牛頓流體有水、空氣等，非牛頓流體有泥漿、紙漿、油漆、瀝青 等。對(duì)于不符合牛頓粘性定律的流體，稱之為非牛頓流體。作用在流體上的力從流體中任意取出一流體塊，其體積為V,界面為S （圖1-5）,作用在 這一流體塊上的力可分為兩大類：表面力、質(zhì)量力或者體積力?？刂企w 所 謂控制體，就是流體在空間中通過其流動(dòng)的一個(gè)區(qū)域。第三章 質(zhì)量傳輸概念質(zhì)量傳輸簡稱傳質(zhì)，是以物質(zhì)傳遞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為研究對(duì)象的。所謂 質(zhì)量傳輸過程，即物質(zhì)從物體或空間的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分的過程叫傳 質(zhì)。當(dāng)一個(gè)體系內(nèi)部的一種或幾種物質(zhì)組分的濃度不均勻時(shí)，各組分就會(huì)從 濃度高的地方向濃度低的地方轉(zhuǎn)移，故其推動(dòng)力是濃度差。冶

7、金過程中的傳質(zhì)發(fā)生在不同的物質(zhì)和不同的濃度之間，而大多數(shù)則發(fā) 生在二相物質(zhì)之間。如：氧化、還原、燃燒、汽化、滲碳等是：氣固相 間發(fā)生吸收、吹煉：氣液相間 溶解、浸出、置換：液固相間分子擴(kuò)散傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì)1擴(kuò)散傳質(zhì)由于濃度差存在，依靠分子運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)量傳輸，稱為擴(kuò)散傳質(zhì)，它的 機(jī)理類似于粘性動(dòng)量傳輸和傳導(dǎo)傳熱過程。2對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)是在流體流動(dòng)體系中，由流體質(zhì)量點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的物質(zhì) 傳遞過程。對(duì)流傳質(zhì)機(jī)理與對(duì)流換熱相類似。分子擴(kuò)散傳質(zhì)典型的分子擴(kuò)散傳質(zhì)發(fā)生在流體介質(zhì)和固體介質(zhì)中，亦發(fā)生在流動(dòng)的流 體作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)。從本質(zhì)上說，它是依賴微觀粒子的隨機(jī)的分子運(yùn)動(dòng)所引起的。當(dāng)體系存 在濃度差時(shí)，濃度

8、大的分子破壞了均衡態(tài)而導(dǎo)致了定向的分子運(yùn)動(dòng)，促使?jié)?度大的區(qū)域的分子趨向濃度小的區(qū)域，而達(dá)到濃度一致，從而完成宏觀的質(zhì) 量傳輸。通常情況下，分子擴(kuò)散傳質(zhì)是很緩慢的，傳遞的質(zhì)量亦是很少的。對(duì)流傳質(zhì)。主要發(fā)生在流動(dòng)介質(zhì)不同濃度之間或相際的不同濃度之間，即發(fā)生在流 體內(nèi)部，流體與流體的分界面或流體與壁面間，此時(shí)，質(zhì)量傳遞與動(dòng)量傳遞 密切相關(guān)。由于對(duì)流傳質(zhì)是非?；钴S的，往往可將分子擴(kuò)散傳質(zhì)忽略不計(jì)。對(duì)流傳質(zhì)N =k (C C )mol/m? secA cAf AwK ：對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)cC ： A 在流體中的摩爾濃度AfC ： A 在固體中的摩爾濃度Aw第四章 熱量傳輸概念熱量傳輸是自然界的普遍現(xiàn)象。根據(jù)

9、物理化學(xué)的觀點(diǎn)，宏觀上體系和環(huán) 境之間通過做功傳遞熱量，而從微觀角度來說，由于溫度差的存在，體系和 環(huán)境之間能通過分子的互動(dòng)傳遞能量，這種能量的傳遞即熱傳遞。體系和環(huán) 境均不具有熱量而只具有能量，熱是能量的傳遞。即，熱和功一樣均為過程 函數(shù)而非狀態(tài)函數(shù)，與其路徑有關(guān)，熱量也不是物質(zhì)的一種性質(zhì)。傳熱，根 本驅(qū)動(dòng)力在于溫度差，或者溫度梯度的存在，正如動(dòng)量傳輸中的速度梯度。傳熱的基本方式有傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱、輻射傳熱。其中傳導(dǎo)傳熱是最 基本的傳熱方式，針對(duì)接觸而言，發(fā)生在彼此接觸的兩物體之間或者同一物 體溫度不同的兩個(gè)部分之間。從微觀角度講，傳導(dǎo)傳熱是依靠分子的熱運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行的。對(duì)流傳熱是流體流過表面

10、時(shí)與該表面之間所發(fā)生的熱量傳輸過程，即有 流體存在，并有流體宏觀運(yùn)動(dòng)情況下所發(fā)生的傳熱。根本驅(qū)動(dòng)力是溫度梯度 的存在，前提條件是有流體流動(dòng)發(fā)生。當(dāng)流體流過一熱表面時(shí)，熱量首先通 過導(dǎo)熱方式從壁面?zhèn)鬟f給臨近的流體，然后由于流動(dòng)作用將受熱流體帶到低 溫區(qū)域并與其他流體混合，從而把熱量傳給了低溫流體部分。對(duì)流傳熱分為 強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流。輻射傳熱是由于物體的溫度原因產(chǎn)生的熱效應(yīng)。輻射是依靠電磁波的發(fā) 射與吸收傳遞能量的過程，除了和物體自身的性質(zhì)、表面狀況和溫度有關(guān)外， 還和物體的空間幾何關(guān)系密切相關(guān)。輻射機(jī)理與對(duì)流完全不同，因此基本規(guī) 律也不同。傳導(dǎo)與對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力在于溫度梯度，而具有溫度的物體都向外

11、熱 輻射，以電磁波的形式向外發(fā)射能量，物體溫度越高，發(fā)射的能量越多。熱 輻射是自然界中一切物體的固有屬性。溫度高的物體在發(fā)生熱輻射，溫度低 的物體也在發(fā)生熱輻射，熱河物體在發(fā)生熱輻射的同時(shí)，也在不斷吸收其他 物體的熱輻射，并將其轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能。兩個(gè)互不接觸物體表面間互相輻 射與吸收，就形成輻射傳熱過程。若兩物體輻射和吸收相抵，交換量為零， 這時(shí)動(dòng)態(tài)平衡。輻射傳熱的最基本定律是斯蒂芬波爾茲曼定律即E =b T4bb式中 E 黑體輻射的能力bb 黑體輻射常數(shù), bT 溫度。第五章 三傳的相似性三傳的相似性指傳遞過程中的動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三者之間 定量的類比關(guān)系。這三種傳遞過程有相同的傳

12、遞機(jī)理,相同的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。 在類比關(guān)系的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)已知的一類傳遞規(guī)律,類推其他兩種傳遞的 規(guī)律。從微觀成因看,物質(zhì)傳遞、熱量傳遞和動(dòng)量傳遞都是由于分子的無規(guī) 則熱運(yùn)動(dòng)引起的,是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均行為。動(dòng)量傳遞機(jī)理牛頓粘度定律流體的宏觀性質(zhì)主要為易流動(dòng)性、粘性及壓縮性。真實(shí)流體都有粘性, 當(dāng)相鄰兩層流體作相對(duì)滑動(dòng)即發(fā)生剪切變形時(shí),在相反方向產(chǎn)生一切應(yīng)力, 阻止變形的發(fā)生。因此,切向應(yīng)力與剪切變形速度之間存在著一定的關(guān)系, 流體的這種性質(zhì)稱為粘性。牛頓粘度定律為：Tyxdv ( y)Tyx5-1)x5-1)d服從這一定律的流體稱為牛頓流體。由式（ 5-1）可見，流場中速度分 布不均時(shí)

13、會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量傳遞，方向是速度梯度的負(fù)方向，即動(dòng)量從高速區(qū)傳向T低速區(qū)。溫度梯度可以看作是動(dòng)量傳遞的推動(dòng)力。 yx 是面力，稱為剪應(yīng)力 或粘性力，這是一種內(nèi)摩擦力。又稱為動(dòng)量通量，即單位時(shí)間通過單位面積 的動(dòng)量。定義運(yùn)動(dòng)粘度U如下5-2)P為流體的密度。若記 L 為長度量綱， M 為質(zhì)量量綱， T 為時(shí)間量綱，則 T 的量綱為2L)2L),的量綱為M（TL）,U的量綱為LT。熱量傳遞機(jī)理傅里葉導(dǎo)熱定律 即：5-3)q dT(z)5-3)y dyqy是熱量通量（單位時(shí)間通過單位面積的熱量），K是導(dǎo)熱系數(shù)，是 流體的物性系數(shù)。由式可見，當(dāng)溫度場不均勻時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量傳遞，熱量通量 的指向是溫度梯度的負(fù)方向

14、，即從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。溫度梯度可以看作是 熱量傳遞的推動(dòng)力。定義擴(kuò)散系數(shù)a如下K5-4)a 5-4)pcp為定壓熱容，及單位質(zhì)量流體的等壓熱容。若記0為溫度量綱，則q的量綱為M/T3 , K的量綱為ML（門0），舄的量綱為?（T20），的量綱為？T，與U 一樣。5.1.3質(zhì)量傳遞機(jī)理一菲克擴(kuò)散定律 二元系菲克定律即dw （ y）j = p DaAyAB dyj 稱為質(zhì)量通量（即單位時(shí)間通過單位面積的質(zhì)量）， D 稱為二元擴(kuò) Ay AB 散系數(shù)，由式可知當(dāng)濃度分布不均勻時(shí)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量傳遞，質(zhì)量通量的指向是 濃度梯度的負(fù)方向，即質(zhì)量從高濃度區(qū)傳向低濃度區(qū)。濃度梯度可以看作是 質(zhì)量傳遞的推動(dòng)力。DA

15、B的量綱為L2t，與和a 一樣。在層流中，動(dòng)量、熱量和質(zhì)量這三種物理量的傳遞機(jī)理有相似性，尤其 是在簡單的一維傳遞過程中這種相似性表現(xiàn)的更為明顯。從三傳的基本定律 看，T yx qy jAy都是通量的概念，即單位時(shí)間單位面積傳遞的量（動(dòng)量、 熱量、質(zhì)量），從各自的單位能夠明顯體現(xiàn)出三傳概念的一致性。三傳中動(dòng) 量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸具有傳遞機(jī)理的相似性和物性系數(shù)的可比性。三維傳遞機(jī)理在一維情況下，所有的物理量均以標(biāo)量的形式出現(xiàn)，而在三維的情況下， 溫度和濃度是標(biāo)量，而速度則是矢量，相應(yīng)的，能量通量和質(zhì)量通量是矢量， 動(dòng)量通量則是二階張量。三維傅里葉定律在各向同性介質(zhì)中，導(dǎo)熱系數(shù)K在三個(gè)方向上

16、的值相同，流體和多數(shù) 均勻固體基本如此。如果溫度在三個(gè)方向上有變化，則在直角坐標(biāo)系中，對(duì) 每一個(gè)坐標(biāo)方向都可以寫出式子： TOC o 1-5 h z dTdTdT八 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document q = -Kq = -kq = -K（5-6）x dxy dyx dz這三個(gè)關(guān)系式是下面單一矢量式的分量式5-7)(5-8)q = K V T5-7)(5-8)向量VT意指“T的梯度”三維菲克定律類似的，三維菲克定律也是一個(gè)矢量式j(luò) = pD VA AB A三維牛頓粘度定律三維牛頓粘度定律是一個(gè)張量式。由于三維傳熱和傳質(zhì)機(jī)理相似，傅里 葉定律和菲克

17、定律都是矢量方程，且形式相似。而動(dòng)量傳遞的機(jī)理則不同， 牛頓定律是張量方程。因此傳熱問題和傳質(zhì)問題的相似性更強(qiáng)。5.3 湍流時(shí)動(dòng)量傳輸與熱量傳輸?shù)南嗨菩詫?duì)于不可壓縮流體，粘性動(dòng)量通量和湍流動(dòng)量通量分別表示為dvdpv(5-10)(2-11)(5-12)二卩匸二u(5-10)(2-11)(5-12)dy dydpvx dy湍流時(shí)，總動(dòng)量通量為dvdpvT =T +T 二 p(U+ ) a 二(U+ )_l tm dym dy式中，U是運(yùn)動(dòng)粘度，或稱分子動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)；稱湍流運(yùn)動(dòng)粘度，或稱 湍流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)； 紅表示單位體積流體的動(dòng)量在y方向上的梯度。因 dy此式子表示湍流時(shí)在 y 方向上傳遞的動(dòng)量

18、通量。對(duì)湍流時(shí)的對(duì)流換熱做類似分析，分子的導(dǎo)熱和湍流脈動(dòng)附加傳遞的熱通量分別為dtdt(5-13)dy九 pC a (5-13)dyp dy-p-pC pndtdy(5-14)湍流時(shí)，總熱通量為(5-15)q - q + q -pC (a + )巴-(a + )心(5-15)l t p n dyn dy式中，a是導(dǎo)溫系數(shù)，或稱分子熱擴(kuò)散系數(shù)；稱湍流熱擴(kuò)散系數(shù)；ndy表示單位體積流體的熱量在y方向上的梯度。式子表示湍流時(shí)在y方向傳遞 的熱量通量。動(dòng)量傳輸微分方程為d2ud2udd2ud2ud2uduU (x +x +x ) (Uxdx2dy2dz 2x dx(5-16)熱量傳輸微分方程為d 2

19、t d 2 td 2 tdta (+) (udx2dy2dz2x dxdu+ Uxy dydudu+ u x ) = x z dzdtdt+ u + uy dydt)dtz dzdi1 * ap p dx(5-17)質(zhì)量傳輸微分方程為d 2d 2質(zhì)量傳輸微分方程為d 2d 2d 2、/dodod、doD (+) 一 (u+ u + u )二ABdx 2dy 2dz 2xdxydyz 氓di(5-18)三傳的控制方程可歸納為下面的一般形式d(P) + d(Pu.0) d(J ) + S+ z =dxj + S HYPERLINK l bookmark76 o Current Document d

20、tdxdxjj(5-19)式中，j=i,2,3, “式中，j=i,2,3, “=1，u，t， ； r是擴(kuò)散系數(shù)；S表示源項(xiàng)，r和S對(duì)具體的“有具體的形式。三傳的規(guī)律從本質(zhì)上說，三傳具有一致的規(guī)律，但表現(xiàn)為三種不同的現(xiàn)象。宏觀有相同的規(guī)律：如牛頓粘性定律、傅里葉導(dǎo)熱定律、菲克傳質(zhì)定律， 可以用類似的方程來描述。微觀相同的規(guī)律：傳輸過程都是因?yàn)榉肿訑U(kuò)散運(yùn)動(dòng)和微團(tuán)脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起 的。可以用同一機(jī)理來闡明。三傳具有相同的數(shù)學(xué)模型和處理方法，如殼體平衡法，微元平衡法，整 體平衡法，量綱分析法。傳相似性類比應(yīng)用動(dòng)量、熱量和質(zhì)量三種傳遞過程之間存在許多類似之處，根據(jù)三傳的類 似性，對(duì)三種傳遞過程進(jìn)行類比和分析

21、，建立一些物理量間的定量關(guān)系，該 過程即為三傳類比。探討三傳類比，不僅在理論上有意義，而且具有一定的 實(shí)有價(jià)值。一方面將有利于進(jìn)一步了解三傳的機(jī)理；另一方面在缺乏傳質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)，只要滿足一定的條件，可以用流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)來代替?zhèn)鳠峄騻髻|(zhì)實(shí)驗(yàn) 也可由一已知傳遞過程的系數(shù)求其他傳遞過程的系數(shù)。三傳類比方法具有局限性，一般需要滿足以下幾個(gè)條件：物性參數(shù)可以視為常數(shù)或取平均值。無內(nèi)熱源。無輻射傳熱。無邊界層分離，無形體阻力。傳質(zhì)速率很低，速率場不受傳質(zhì)的影響。面是幾種類比方法雷諾類比在熱量傳輸中，已經(jīng)推導(dǎo)出換熱系數(shù)a和阻力系數(shù)Cf的關(guān)系，當(dāng)Pr=1時(shí)，有C=匚=St23-1)根據(jù)傳輸現(xiàn)象的相似性，將雷諾類比用到質(zhì)量傳輸過程中去。當(dāng)流體沿平板做層流流動(dòng)時(shí)，如果Sc=l，邊界層內(nèi)濃度分布與速度分布的關(guān)系為y Ag As)l y Ag As)l y=0(佇)1uy=0yg3-2)緊貼壁面有y