冶金傳輸原理冶金傳輸原理與冶金物理化學(xué)和金屬材料學(xué)被稱為鋼鐵冶金的三大重要的專業(yè)基礎(chǔ)課；冶金傳輸原理包括動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三部分組成；物理學(xué)科的體系：普通物理學(xué)→力學(xué)→流體力學(xué)(動(dòng)量傳遞)、傳熱學(xué)(熱量傳遞)、傳質(zhì)(質(zhì)量傳遞);進(jìn)一步發(fā)展是不可逆過(guò)程熱力學(xué)。冶金生產(chǎn)中會(huì)涉及復(fù)雜的傳輸過(guò)程冶金生產(chǎn)過(guò)程必然會(huì)涉及到以下現(xiàn)象：流體的流動(dòng)狀態(tài)、速度和阻力(動(dòng)量傳輸)物料的加熱過(guò)程和產(chǎn)品的冷卻過(guò)程(傳熱傳輸)渣、鐵中物質(zhì)擴(kuò)散和遷移(傳質(zhì)傳輸)

在冶金生產(chǎn)中形成動(dòng)量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸?shù)脑瓌?dòng)力是什么？

分別是速度差、溫度差和濃度差為什么把“三傳”放在一起講“三傳”具有共同的物理本質(zhì)——都是物理過(guò)程；“三傳”具有類似的表述方程和定律，它們討論與時(shí)間變化的規(guī)律；在實(shí)際冶金過(guò)程中往往包括有兩種或兩種以上傳輸現(xiàn)象，它們會(huì)相互影響。研究相互之間的影響是采用不可逆過(guò)程熱力學(xué)中“耦合”的原理來(lái)分析和討論，而“三傳”主要討論單一的傳遞過(guò)程。高爐煉鐵學(xué)爐內(nèi)的氣體流動(dòng)和分布；爐缸溫度分布的計(jì)算；爐渣脫硫效率；含鉄爐料的還原機(jī)理；煤氣和煤粉的利用率；球團(tuán)的干燥過(guò)程；豎爐內(nèi)熱量分布。煉鋼學(xué)頂吹氧的射流及對(duì)轉(zhuǎn)爐熱量分布的影響煉鋼過(guò)程有害元素的脫出和有益元素的保護(hù)煉鋼和精煉過(guò)程鋼水的流動(dòng)場(chǎng)連鑄過(guò)程二冷段的最佳冷卻速度和溫度分布連鑄過(guò)程鋼水溫度與澆鑄速度的匹配有色冶金學(xué)不同電解槽內(nèi)物質(zhì)的擴(kuò)散熔煉爐熔锍的溫度對(duì)泡沫渣的影響金屬及其化合物浸出或萃取的條件和浸出液、萃取劑的選擇有價(jià)元素提取、分離的限度，有毒、有害元素去除過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理傳輸原理課堂講授內(nèi)容的學(xué)時(shí)分配前言傳輸原理和流體力學(xué)概論 2學(xué)時(shí)第一篇?jiǎng)恿康膫鬏? 28學(xué)時(shí)習(xí)題課 4學(xué)時(shí)第二篇傳熱學(xué)概論和熱量的傳輸 22學(xué)時(shí)習(xí)題課 4學(xué)時(shí)第三篇傳質(zhì)學(xué)概論和質(zhì)量的傳輸 10學(xué)時(shí)習(xí)題課 4學(xué)時(shí)第四篇傳輸現(xiàn)象的類比 2學(xué)時(shí)總結(jié) 2學(xué)時(shí)

總計(jì)64學(xué)時(shí)課本和參考書(shū)

冶金傳輸原理，吳鏗編冶金工業(yè)出版社2010冶金傳輸原理，張先棹主編,冶金工業(yè)出版社1995傳遞現(xiàn)象，R.B.博德，W.E.斯圖沃特，E.N.萊特富特著，化學(xué)工業(yè)出版社2004

冶金傳輸原理基礎(chǔ)，沈頤身，李保衛(wèi)，吳懋林，著冶金工業(yè)出版社2000傳熱和傳質(zhì)基本原理，弗蘭克P英克魯佩勒，大衛(wèi)P德維特等著化學(xué)工業(yè)出版社2007流體力學(xué)，張亮，李云波編，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社2001傳熱學(xué)，周筠清編，冶金工業(yè)出版社1999學(xué)習(xí)的目的和方法

－學(xué)習(xí)目的擴(kuò)大知識(shí)面，打好專業(yè)基礎(chǔ)；培養(yǎng)獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力；掌握傳輸原理的計(jì)算和分析問(wèn)題的方法－學(xué)習(xí)方法抓住每章重點(diǎn)(骨架和輪廓)，主次分明，條理清楚；對(duì)公式要注重使用條件和物理意義，了解數(shù)學(xué)的推導(dǎo)過(guò)程，重在理解公式的意義和應(yīng)用；注意章節(jié)的聯(lián)系，知道來(lái)龍去脈，把新學(xué)到的概念、公式和已經(jīng)掌握的知識(shí)有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)；重視習(xí)題，記好筆記；注重思想方法、解決問(wèn)題的手段和邏輯推理。第一章流體力學(xué)緒論

1.1流體力學(xué)研究的對(duì)象和意義1.2流體及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)1.3流體的物理性質(zhì)1.4流體的壓縮性和膨脹性1.5流體的粘性1.6作用在流體上的力1.7體系和控制容積及單位和量綱

1.1流體力學(xué)研究的對(duì)象和意義流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，屬于宏觀力學(xué)。它的主要任務(wù)是研究流體所遵循的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及流體和周?chē)矬w之間的相互作用。以水為主要研究對(duì)象的力學(xué)稱為水動(dòng)力學(xué)(Hydrodynamics)，以空氣為主要研究對(duì)象的力學(xué)稱為空氣動(dòng)力學(xué)(Aerodynamics)；水動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)兩者結(jié)合起來(lái)統(tǒng)稱為流體力學(xué)(FluidMechanics)

1.1流體力學(xué)研究的對(duì)象和意義流體力學(xué)的發(fā)展演變過(guò)程經(jīng)歷了四個(gè)階段。(1)靜力學(xué)(Hydrostatics)：這一階段以公元兩千多年前阿基米德(Archimedes)和帕斯卡(Pascal)關(guān)于浮力和靜水壓力的研究為代表；(2)理想流體力學(xué)(IdealFluidMechanics)：從17世紀(jì)開(kāi)始一些卓越的數(shù)學(xué)家從數(shù)學(xué)角度出發(fā)不計(jì)流體的粘性、壓縮性和表面張力研究流體的運(yùn)動(dòng)，形成了流體力學(xué)學(xué)科的雛形—理想流體力學(xué)(Hydrodylics)，以柏努利(Bernoulli)、歐拉(Euler)和拉格朗日(Largrange)的工作最具代表性，但忽略粘性；1.1流體力學(xué)研究的對(duì)象和意義(3)流體動(dòng)力學(xué)(FluidDynamics)：這一階段研究的特征是理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。18世紀(jì)突出的成就是由Navier、Hargen、Poiseuille、Stokes等人創(chuàng)立了粘性流體力學(xué)。進(jìn)入19世紀(jì)主要依賴于實(shí)驗(yàn)，由Reynolds、Froude、Rayleigh等人創(chuàng)立了相似理論，奠定了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的基礎(chǔ)。自20世紀(jì)初Plandtl創(chuàng)立了邊界層理論以及隨著湍流理論的出現(xiàn)。Plandtl和VonKarmann也成為了近代流體力學(xué)的奠基人。我國(guó)著名的力學(xué)家周培源、錢(qián)學(xué)森和郭永懷等也先后在近代流體力學(xué)的發(fā)展中做出過(guò)重要的貢獻(xiàn)。1.1流體力學(xué)研究的對(duì)象和意義(4)計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics)：進(jìn)入20世紀(jì)60年代，流體力學(xué)的一個(gè)新的分支——計(jì)算流體力學(xué)，簡(jiǎn)稱CFD。解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力和取得的巨大成果，求解各類工程問(wèn)題CFD商用計(jì)算軟件，較流行的有Fluent、CFX-4，Task-Flow，Phoenics。流體力學(xué)這一學(xué)科發(fā)展至今，不斷派生出新的分支，但從研究手段上可劃分為理論流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)。這三大分支構(gòu)成了流體力學(xué)的完整體系，他們相輔相成，推動(dòng)著這一學(xué)科不斷向前進(jìn)步。1.2流體及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)一、流體的定義和特點(diǎn)自然界物質(zhì)存在的形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)；具有流動(dòng)性的物體(即能夠流動(dòng)的物體)；流動(dòng)性：在微小剪切力作用下在足夠大的時(shí)間內(nèi)，流體的變形都不會(huì)停止，即會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的特性；流體包括液體和氣體，液體流動(dòng)性小于氣體；液體具有一定的體積，并取容器的形狀；氣體充滿任何容器，而無(wú)一定體積。1.2流體及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)1.2流體及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)二、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)微觀：流體是由大量做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子距離大得多。定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無(wú)數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。流體微團(tuán)(又稱流體質(zhì)點(diǎn))必須具備的兩個(gè)條件：必須包含足夠多的分子和體積必須很小。1.2流體及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)1.2流體及連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)三、采用流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的原因避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)?？梢岳脭?shù)學(xué)工具來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。滿足微積分上連續(xù)性的需要，可求極限。選擇題按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點(diǎn)是指(?)A流體的分子；B流體內(nèi)的固體顆粒；C幾何的點(diǎn)；D幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量，又含有大量分子的微元體。1.3流體的物理性質(zhì)一、流體的密度和重度密度：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量ρ，kg/m3

常見(jiàn)流體的密度：水—1.0×103

kg/m3

（4℃）

空氣—1.293kg/m3；水銀—13.6×103kg/m3重度：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的重量γ，N/m3均勻流體和不均勻流體的密度及密度和重度和兩者的關(guān)系如下：1.3流體的物理性質(zhì)二、流體的相對(duì)密度(比重)流體的密度與4℃時(shí)水的密度的比值ρ，

d=

f/

w

f—流體的密度(kg/m3)；

w—4℃時(shí)水的密度(kg/m3)三、流體的比容單位質(zhì)量的流體所占有的體積，是流體密度的倒數(shù)，單位m3/kg，表達(dá)式如下：1.3流體的物理性質(zhì)庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)(1784)(即庫(kù)侖用液體內(nèi)懸吊圓盤(pán)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦流體具有流動(dòng)性，在靜止時(shí)不能承受剪切力以抵抗剪切變形，但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗剪切變形，這種性質(zhì)被稱為粘性。內(nèi)摩擦力又稱為粘滯力。1.4流體的壓縮性和膨脹性一、流體的壓縮性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)；壓縮系數(shù)：?jiǎn)挝粔毫υ黾铀鸬捏w積相對(duì)變化量βp。單位為1/Pa，其倒數(shù)為彈性模量Ev。例題3求在常溫下，將水的體積縮小5/1000時(shí)所需增加的壓強(qiáng)。解：由式彈性模量公式可得：

由附錄表查得在一個(gè)大氣壓，溫度為20℃時(shí)水的彈性1.4流體的壓縮性和膨脹性

模數(shù)為2.18×109Pa，依題意-ΔV/V=0.005，將這些值代入上式得：二、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)；體脹系數(shù)：?jiǎn)挝粶囟仍黾铀鸬捏w積相對(duì)變化量αV。一個(gè)大氣壓為1.013×105Pa，所以：顯然，在常溫和常壓下，將水的體積縮小5/1000，需要增加107.6大氣壓才能實(shí)現(xiàn)。1.4流體的壓縮性和膨脹性三、可壓縮流體和不可壓縮流體不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體，及流體的密度為常數(shù)；

ρ＝常數(shù)?？蓧嚎s流體：考慮可壓縮性的流體，即流體的密度不為常數(shù)；ρ≠常數(shù)。1.5流體的粘性一、流體的粘性粘性的定義：流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦力(即粘性力)的性質(zhì)；

流體粘性表現(xiàn)在：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會(huì)產(chǎn)生粘性力，由此在流體中產(chǎn)生速度梯度；流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體附著在壁面上，此處速度為零(無(wú)滑移邊界條件)。1.5流體的粘性牛頓平板實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：自上而下一層帶動(dòng)一層，運(yùn)動(dòng)快的流動(dòng)層帶動(dòng)著運(yùn)動(dòng)慢的流動(dòng)層向前運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)慢的流動(dòng)層阻礙著運(yùn)動(dòng)快的流動(dòng)層，層間有摩擦力，當(dāng)h和υ不大時(shí)，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布該力存在于流體內(nèi)部，故稱為內(nèi)摩擦力當(dāng)h和υ不是很大時(shí)，板受到的摩擦力近似為“每層”流體間的內(nèi)摩擦力。牛頓內(nèi)摩擦定律(或粘性定律)牛頓于1686年提出，后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，對(duì)于大多數(shù)流體內(nèi)摩擦定律可表述為：處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩層流體之間的內(nèi)摩擦力(或切力)F，其大小與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，并與流速梯度d

/dy和流層的接觸面積A成正比，而與接觸面上的壓力無(wú)關(guān)；其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：1.5流體的粘性1.5流體的粘性二、粘度的表達(dá)式公式中比例系數(shù)稱動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度。流體粘性大小的度量，由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起。有動(dòng)力粘度

和運(yùn)動(dòng)粘度

兩種表達(dá)式：

1.5流體的粘性三、影響粘度的因素溫度對(duì)流體粘度的影響很大，當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增大。液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素；溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓。氣體：分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素；溫度↑→分子熱運(yùn)動(dòng)↑→動(dòng)量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑。壓力對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)。1.5流體的粘性四、粘性流體和理想流體粘性流體：具有粘性的流體(μ≠0)。實(shí)際流體都是粘性流體理想流體：忽略粘性的流體(μ=0)。一種理想的流體模型舉例：(1)靜止流體；(2)慣性力和粘性力相比很大時(shí)，可以忽略粘性的存在，認(rèn)為是理想流體，簡(jiǎn)化計(jì)算。1.5流體的粘性五、牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體：符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。水、空氣、汽油和水銀等；非牛頓流體：不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等。1-牛頓流體；2-假塑性流體；3-膨脹性流體；4-賓漢姆流體；5-塑性假塑性流體；6-塑性膨脹性流體。1.5流體的粘性例題1一塊可動(dòng)平板與另一塊不動(dòng)平板間充滿某種液體，兩板間的距離為0.5mm，可動(dòng)平板以0.25m/s的速度運(yùn)動(dòng)。為了維持這一速度，需在可動(dòng)平板上施加2N/m2的切應(yīng)力。求此間隙中的液體粘性系數(shù)。

解：由式粘度公式可知：1.5流體的粘性例題2設(shè)有粘性系數(shù)=0.05Pa·s的流體，沿壁面流動(dòng)，其速度分布為拋物線型，在y=60mm處，

xmax=1.08m/s如下圖。求y=20mm、40mm、60mm處的切應(yīng)力。1.5流體的粘性

將y=0、0.02、0.04、0.06分別代入式(a)、(b)、(c)，即可求出各點(diǎn)處的vx、dvx/dy、τ值。其結(jié)果列表如下：

解：根據(jù)已知邊界條件，即：y=0處

x=0；y=60mm處

max=1.08m/s，由此得出拋物線方程為：1.6作用在流體上的力一、表面力它是作用在所取出流體表面上的力，并與其作用的表面積成比例。又分為法向力(通常為壓力)和切向力(全面提到的粘性力)兩種。單位面積上表面力，分為法應(yīng)力(如壓強(qiáng)p)即單位面積的法向力和切應(yīng)力(如粘性切應(yīng)力)即單位面積的切向力。1.6作用在流體上的力

靜止流體內(nèi)部不存在剪切應(yīng)力，而法向應(yīng)力與方向無(wú)關(guān)，故法向壓力是標(biāo)量。通常情況下，黏性流體內(nèi)部一點(diǎn)處的應(yīng)力是一個(gè)二階張量，應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)張量場(chǎng)。圖為正方體的流體微團(tuán)。

1.6作用在流體上的力

前圖上表示出作用該流體微團(tuán)表面上的九個(gè)應(yīng)力分量，根據(jù)習(xí)慣，雙下標(biāo)的涵義是：第一個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力作用面的法線方向，而第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力的方向。σxx、σyy、σzz表示法應(yīng)力，而τxy、τxz、τyx、τyz、τzx、τzy表示切應(yīng)力。九個(gè)應(yīng)力分量可以表示為應(yīng)力張量，且為對(duì)稱張量，即：τxy=τyx，τyz=τzy，τzx=τxz。

1.6作用在流體上的力二、質(zhì)量力作用在每個(gè)流體微團(tuán)上的力，大小與流體質(zhì)量成正比。