冶金传输原理 课件汇编
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关于冶金传输原理质量传输课件
关于冶金传输原理质量传输
第3篇 质量传输
质量传输： 物质从物体或空间的某一部分转移到另
一部分的现象，简称传质。 研究对象： 物质传递的规律及特点。 传质推动力： 浓度差或浓度梯度。 传质有两种基本方式：
物性传质 由分子运动即扩散性引起，亦称扩散传质。 对流传质 由流体流动引起。
研究方法： 借用研究传热的方法来研究传质。
C i v x C x i v y C y i v z C z i D i 2 x C 2 i 2 y C 2 i 2 z C 2 i
固体一维不稳定扩散传质
Ci
Di
2Ci x2
菲克第二定律
固体一维稳定扩散传质
d 2Ci 0 dx 2
d r dCi 0 dr dr
第13章 扩散传质与对流传质
第13章 扩散传质与对流传质
13.1 稳态扩散传质
稳定扩散传质的特点： 无质量蓄积，通过物体的扩散传质量为常数。
研究目的：
结合一定的实验方法确定物质的互扩散系数。
研究方法：
借用稳定导热类似的求解方法。
第13章 扩散传质与对流传质
13.1 稳态扩散传质
1．气体通过平壁的扩散
固体薄层
ni
Di
Ci y
mol/m2.s
任意方向
ni
Di
Ci n
mol/m2.s
ni—单位时间通过单位面积的扩散传质量，即扩散传质通量；
C i n
—浓度梯度，
mol m3
/m
负号—质量传递方向与浓度梯度方向相反。
12.2 质量传输的基本定律
菲克第一定律：
某组分的扩散传质通量与浓度梯度成正比
ni
Di
d 2Ci 0
第3篇 质量传输
质量传输： 物质从物体或空间的某一部分转移到另
一部分的现象，简称传质。 研究对象： 物质传递的规律及特点。 传质推动力： 浓度差或浓度梯度。 传质有两种基本方式：
物性传质 由分子运动即扩散性引起，亦称扩散传质。 对流传质 由流体流动引起。
研究方法： 借用研究传热的方法来研究传质。
C i v x C x i v y C y i v z C z i D i 2 x C 2 i 2 y C 2 i 2 z C 2 i
固体一维不稳定扩散传质
Ci
Di
2Ci x2
菲克第二定律
固体一维稳定扩散传质
d 2Ci 0 dx 2
d r dCi 0 dr dr
第13章 扩散传质与对流传质
第13章 扩散传质与对流传质
13.1 稳态扩散传质
稳定扩散传质的特点： 无质量蓄积，通过物体的扩散传质量为常数。
研究目的：
结合一定的实验方法确定物质的互扩散系数。
研究方法：
借用稳定导热类似的求解方法。
第13章 扩散传质与对流传质
13.1 稳态扩散传质
1．气体通过平壁的扩散
固体薄层
ni
Di
Ci y
mol/m2.s
任意方向
ni
Di
Ci n
mol/m2.s
ni—单位时间通过单位面积的扩散传质量，即扩散传质通量；
C i n
—浓度梯度，
mol m3
/m
负号—质量传递方向与浓度梯度方向相反。
12.2 质量传输的基本定律
菲克第一定律：
某组分的扩散传质通量与浓度梯度成正比
ni
Di
d 2Ci 0
材料加工冶金传输原理完整(吴树森)ppt课件
即
vx y
y0 0 .3 3 2 0 6 v
v x
即
0
vx y
y 0 0 . 3 3 2 v
v x
总 摩 阻 D : (b为 板 宽 )
L
D 0 d A b 0 d x 0 . 6 6 4 v b R e L
A
0
总 阻 力 系 数 :C d :
Cd
D
0
.5
v
2
A
1 .3 2 8
边界层理论的物理意义：
把绕流物体流动分为两个部分，即边界层的流动和势流流
动，主流区流动未受到固体壁面的影响，不发生切变，
故
这种无切变，不可压缩流体的流动称为势流。
4.1.2 边界层的流yx 态0
层流边界层：开始进入表面的一段距离，δ较 小，
流体的扰动不够发展，粘性力起主导作用。
17.05.2020 .
vy
vx y
1
P x
2vx y 2
平板表面边界层
Q
P y
0
又 势 流 区 vx
v,无 压 力 降 ,依
流 体 柏 努 利 方 程 ,故 有 平 板 表 面 P 0 x
17.05.2020 .
6
4.2.2 微分方程的解:
vx
vx x
vy
vx y
2v x y 2
vx vy 0 x y 布 拉 修 斯 对 上 方 程 组 引 入 流 函 数 ( x, y ),将 偏 微 分 方程化为可解的常微分方程
3
过渡区：随x的增大， δ也增大，惯性力作用 上升，层→湍转变为过渡区
湍流边界层：靠近平板表面，粘性力仍处于主导地位 （y=0,vx=0)有一定厚度的层流表层在湍流边界层内，距 离面板远处的流体，虽流速略小于vx,但已变得较大，并 为湍流，称其为湍流核心区。
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。
材料加工冶金传输原理课件(吴树森)
用翼栅及高温，化学， 用翼栅及高温，化学，多相流动理论成功设 计制造大型气轮机，水轮机， 计制造大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力 机械， 机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力 。
气轮机叶片
大型水利枢纽工程，超高层建筑， 大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥 梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。 梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。
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。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优 良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良 的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
虽然生活在流体环境中， 虽然生活在流体环境中，人们对一些 流体运动却缺乏认识，比如： 流体运动却缺乏认识，比如：
1. 高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？ 表面光滑还是粗糙？ 2. 汽车阻力： 来自前部还是后部？ 汽车阻力： 来自前部还是后部？ 3. 机翼升力 ：来自下部还是上部？ 来自下部还是上部？
高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。
现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 飞行距离为光滑球的5倍 飞行距离为光滑球的 倍。
光滑的球和非光滑球对比
汽车发明于19世纪末 世纪末。 汽车阻力 汽车发明于 世纪末。
当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部 对空气的撞击。 对空气的撞击。
此后， 此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：
１.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的解析方法， 所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运 动的规律奠定了理论基础， 动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形 成了一门属于数学的古典“水动力学” 成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古 流体力学” 典“流体力学”）。
材料加工冶金传输原理课件(吴树森概要
Pa
2018/10/14
4
第一章 动量传输的基本概念
1、 1 流体及连续介质模型 在剪切应力的作用下会发生 连续的变形的物质。
1、流体的定义:
流体的密度
m lin v 0 V
ΔV 从宏观上看应足够小， 而从微观上看应足够大。
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5
1.1 流体的概念及连续介质模型
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27
Fn Fτ
F
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22
流体的静压力及其特点： 2. 流体中任意点上的静压力在各方向上均相等而 与方向无关。 证明：在静止的流体中取一无限小的三角形，(如 图所示）它包含有P点。三角体的厚度取单位厚 度，现分析其受力的情况，先考虑X方向的力： dz=1 y
dy
Pθ dx 2 dy 2
P2 2 1 P1
2 1
P1 P2
2、 等压时（P1=P2）
2
T1 1 T2
T0 0 t 0 Tt 1 t
β=1/273
11
2 1
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T2 T1
流体的基本性质 当气体的压力不太高（<10kPa) ,或速度不太高 (<70m/s)时，可认为是不可压缩的。 3、绝热时 当气体没有摩擦，又没有热交换时， 可认为是绝热可逆过程 ：
第一篇
动量的传输
概述 冶金过程：是物理化学过程、动量、热量、质 量传输过程的组合过程。 传输理论的基础：质量守恒定律；动量守恒定 律；能量守恒定律。 研究的目的：研究速率过程（动量、热量、质 量） 本学科的现状与发展
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2
工程单位制 ； 基本单位：长度，时间，力 一 单位制： 国际单位制；基本单位：长度，时间，质量 工程单位制规定：质量为1kg的物体在标准重力加速度处所 受的引力为1kg力。 缺点g 随地点的不同而异，力不能作为基本单位，且kg Kgf是不同的概念。 国际单位制： 基本单位： 米（m） 公斤（kg）秒（s）度（℃）（K） 导出单位：力—牛顿（1N=1kg×m/S） 能量——焦耳（1J=1kg· ㎡/S² ） 压力（强）——帕斯卡（Pa=N/㎡） 功率——瓦（W=J/s）
材料加工冶金传输原理绪论PPT课件
的转移； 质量传输：物质体系中一个或几个组分
由高浓度区向低浓度区的转移；
第27页/共29页
动量、热量、质量传输的相似性
牛顿粘性定律(N： d v d v
dy dy
dy
傅里叶定律（Fourier’s law）:
q dT d CpT d CpT
“三传”的联系： 动量、热量、质量三种传输过程有其内在的联系，
三者之间有许多相似之处，在连续介质中发生 的 “三传” 现象有共同的传递机理。在实际工 程中，三种传输现象常常是同时发生的。
第7页/共29页
为什么把“三传”放在一起作为一个整体： ① “三传”具有共同的物理本质：都是物理过程。 ② “三传”具有类似的表述方程和定律。 ③ 在实际金属热态成形过程中往往包括有两种或两 种以上传输现象，它们同时存在，又相互影响，是 一个有机的整体。
数值计算
简单问题 复杂问题
第16页/共29页
六：几点说明
1、内容深要求学生课前预习。 2、课上认真听讲。 3、课后 复习、总结。 4、多练习，多作习题。
第17页/共29页
•动量、热量与质量传输的类似性
第18页/共29页
0.1 牛顿粘性定律
0.1 牛顿粘性定律
y
v v
快层
V+dv
dv τ
τ
v 慢层
第8页/共29页
第9页/共29页
传输过程的本质：
传输过程是物质或能量从非平衡态到平衡 态转移的物理过程。是某物质体系内描述体系的 物理量（如温度、速度、组分浓度等）从不平衡 状态向平衡状态转移的过程。
平衡态概念——是指体系内物理量不存在梯度。例如 热平衡是体系内的温度各处均匀一致。
不平衡态概念——是体系内物理量存在梯度，这时物 系内的物理量不均匀，就会发生物理量的传输。
由高浓度区向低浓度区的转移；
第27页/共29页
动量、热量、质量传输的相似性
牛顿粘性定律(N： d v d v
dy dy
dy
傅里叶定律（Fourier’s law）:
q dT d CpT d CpT
“三传”的联系： 动量、热量、质量三种传输过程有其内在的联系，
三者之间有许多相似之处，在连续介质中发生 的 “三传” 现象有共同的传递机理。在实际工 程中，三种传输现象常常是同时发生的。
第7页/共29页
为什么把“三传”放在一起作为一个整体： ① “三传”具有共同的物理本质：都是物理过程。 ② “三传”具有类似的表述方程和定律。 ③ 在实际金属热态成形过程中往往包括有两种或两 种以上传输现象，它们同时存在，又相互影响，是 一个有机的整体。
数值计算
简单问题 复杂问题
第16页/共29页
六：几点说明
1、内容深要求学生课前预习。 2、课上认真听讲。 3、课后 复习、总结。 4、多练习，多作习题。
第17页/共29页
•动量、热量与质量传输的类似性
第18页/共29页
0.1 牛顿粘性定律
0.1 牛顿粘性定律
y
v v
快层
V+dv
dv τ
τ
v 慢层
第8页/共29页
第9页/共29页
传输过程的本质：
传输过程是物质或能量从非平衡态到平衡 态转移的物理过程。是某物质体系内描述体系的 物理量（如温度、速度、组分浓度等）从不平衡 状态向平衡状态转移的过程。
平衡态概念——是指体系内物理量不存在梯度。例如 热平衡是体系内的温度各处均匀一致。
不平衡态概念——是体系内物理量存在梯度，这时物 系内的物理量不均匀，就会发生物理量的传输。
冶金传输原理-第7章 对流换热ppt课件
该定律指明，实验时，必须测量出相似准数所包含的一切量。
2、相似第二定律——现象相似的条件
判断相似的充分必要 条件
凡是同一现象，如果定解条件相似，而且由定解条件的物 理量所组成的相似准数在数值上相等，则这些现象必定相似。
该定律指明，实验时，为了保证模型与实物现象相似，必须使 定解条件相似，而且，由定解条件组成的决定性准数在数值上要相 等。
7.3 热边界层概念
对流换热时，流体与壁面间存在传热温差。用细小的高灵敏的
测温元件测出的温度沿壁面y方向的变化如下图所示。
热边界层——壁面附近形成的
y
温度急剧变化的流体簿层。
y 0处，T TW；
相对过余温度
T-TW 0.99处，热边界层外缘。 T TW
T
热边界层T厚 :热度 边界层外
缘到壁面的距离。
7.4 相似理论基础
三、相似理论求解物理方程
1、粘性流体的动量平衡方程
沿x方向的纳维尔——斯托克斯方程为
ux t
ux
ux x
uy
uy y
uz
uz z
1Px2xu2x
2ux y2
2ux z2
gx
2、相似转换解相似准数
（3.46）
(‘)——实际物体的运动 （“）——实验室模型的运动
u'x t'
u'x
hA T
联立以上两式，得:
T
h
(7.3)
T y
y0
式（7.3）即为对流换热微分方 程式，该式描述了h与流体温度场的 关系。
7.2 对流换热微分方程组 7.2.1 连续性微分方程
（3.27）或（7.4）式
7.2.2 动量微分方程 (3.47)式
冶金传输原理PPT课件
z
dz
dy 0yBiblioteka dx x3.2 连续性方程
单位时间输入微元体的质量-输出的质量＝累积的质量
单位时间内，x方向输入输出的流体质量为：
A点坐标（ x,y,z), 流体质点速u度 x、uy、uz,
kgkg m
kg
mm 32
ss
mm s
密度。
z
输入面（左侧面）：（ux) xdydz
输出面（右侧面）：
ux A
Y
1
1
P x P y
dux dt duy
dt
Z
1
P z
duz dt
(3.38) 欧拉方程
适用范围——可压缩、不可压缩流体，稳定流、非稳定流。
用矢量表示—— W1PDu
Dt
(3.39)
3.3 理想流体动量传输方程——欧拉方程
把 d d x u t u tx u x u x x u y u y x u z u z x a x
对于不可压缩流体ρ=常数，根据连续性方程，上式最后一项为0：
d dxu tX P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 zu 2x
3.4 实际流体动量传输方程——纳维尔-斯托克斯方程
上式两边同除以ρ，且 得：
d dxu tX 1 P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 z u 2 x
将式（b)代入式（a),方程两边同除以ρ，得：
1d d t u xx u yy u zz 0 (c)
3.2 连续性方程
引入哈密顿算子：i jk x y z
所以： U x i y j k k u x i u y j u z k u x x u y y u z z
在流场中取一微元体dxdydz，顶点A处的运动参数为：
dz
dy 0yBiblioteka dx x3.2 连续性方程
单位时间输入微元体的质量-输出的质量＝累积的质量
单位时间内，x方向输入输出的流体质量为：
A点坐标（ x,y,z), 流体质点速u度 x、uy、uz,
kgkg m
kg
mm 32
ss
mm s
密度。
z
输入面（左侧面）：（ux) xdydz
输出面（右侧面）：
ux A
Y
1
1
P x P y
dux dt duy
dt
Z
1
P z
duz dt
(3.38) 欧拉方程
适用范围——可压缩、不可压缩流体，稳定流、非稳定流。
用矢量表示—— W1PDu
Dt
(3.39)
3.3 理想流体动量传输方程——欧拉方程
把 d d x u t u tx u x u x x u y u y x u z u z x a x
对于不可压缩流体ρ=常数，根据连续性方程，上式最后一项为0：
d dxu tX P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 zu 2x
3.4 实际流体动量传输方程——纳维尔-斯托克斯方程
上式两边同除以ρ，且 得：
d dxu tX 1 P x 2 x u 2 x 2 y u 2 x 2 z u 2 x
将式（b)代入式（a),方程两边同除以ρ，得：
1d d t u xx u yy u zz 0 (c)
3.2 连续性方程
引入哈密顿算子：i jk x y z
所以： U x i y j k k u x i u y j u z k u x x u y y u z z
在流场中取一微元体dxdydz，顶点A处的运动参数为：
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Vacuum
Coke oven gas
Coke oven Bottom gas Torpedo car
Degasser er
Tundish
Water cooling
Water cooling Copper mould
C.C. machine Hot strip mill Product (Hot coil) 2018/10/28 Slab
教材及参考书目：
1、冶金传输原理， 张先棹主编 冶金工业出版社 1995 2、冶金传输原理基础， 沈颐身 李保卫·吴懋林 著 冶金工业出版社 2000 3、传递现象， R. B. 博德 等著， 戴干策等译 化学工业出版社 2004 4、（工程）流体力学， 多种版本 5、传热学，周筠清编，冶金工业出版社 6、传热学，杨世铭 （及其他多种版本）等。
Fluid
Fixed plate
2018/10/28
x u=0
14
§1.1 流体的定义和特征
一、流体的定义：
液体与气体的区别
液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状；
气体充满任何容器，而无一定体积。二、流体的特征流来自性2018/10/28
15
§1.2 流体连续介质的假设
Water cooling
4
2018/10/28
5
高炉生产设备
2018/10/28 6
转炉炉口装料
转炉车间
2018/10/28 7
钢铁工业是一个涉及物理化学过程的复杂流程（高温化学工业）。
特点：高温传热过程、多相反应、流体流动、物质扩散
冶金过程必然会涉及到以下现象： 1) 物料的加热过程，物料的冷却过程 2) 流体的流动状态、速度和流动动力 3) 物料扩散、搅拌及其均匀性
§1.6
§1.7
流体的粘性
粘性动量通量
2018/10/28
13
§1.1 流体的定义和特征
一、流体的定义
自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态 具有流动性的物体（即能够流动的物体）。
流动性 y ：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。
流体包括液体和气体
Moving plate
u=V
t0
t1 t2
2018/10/28
1
冶金传输原理导论
（所有老师用统一课件PPT) 1、什么是传输现象？ （横向学科及其作用） 本课程的历史与地位：基础课、专业基础课（主干 课）、专业课 三传：传热 传质 传动量----物理过程
传热学 传质学 流体力学 （无静力学） 温度场 浓度场 速度场 （设计，创新，改造，诊断等） 现象 = 三传一反 （物理+化学过程） 为化学反应输送所需。 还有没解决的问题：紊流，多相流等。
2018/10/28 第三，学习研究复杂过程和理论的方法。 10
冶金传输原理－动量传输部分
动量传输的研究对象是什么？ 流动的 流体
何为“动量”？其与“动能”有何区别？
2018/10/28 11
2018/10/28
12
第一章 绪论
§1.1
§1.2 §1.3 §1.4 §1.5
流体的定义和特征
流体作为连续介质的假设 作用在流体上的力 表面力 质量力 流体的密度 流体的压缩性和膨胀性
2、为什么研究传输现象？ 提高化学反应速度和过程效率。
科学研究不断深入的需要。 问题：*如何搅拌高温钢水？（加料均匀分布和温度均匀） *转炉内钢水如何流动？动力何来？ *两船高速并行与两纸片间吹气的后果？ *等温室内条件下，为何冬天和夏天人的感觉不一？
3、冶金工业和生活中哪些是传输现象吗？
2018/10/28
2
冶金传输原理课程的内容
冶金传输原理主要是研究和分析冶金过程 传输规律、机理和研究方法。主要内容包括冶金 过程动量的传递（流体流动行为）、热量传递和
质量传递三大部分。
怎么学习“传输原理”？学什么？方法等。 多看，多练，多想，多交流。
2018/10/28 3
钢铁冶金生产流程
B.F. gas Iron ore Oxygen Lime stone Coal Sintering Blast furnace Hot Converter blast Converter gas
问题的引出：
微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间是不连续的。 宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大得多。
2018/10/28
16
Fluid Modeling A fluid can be modeled in one of two ways: as a collection of individual, interacting molecules (Molecular Model) or as a continuum in which properties are defined to be continuous throughout space (Continuum Model). • Macroscale fluid mechanics is based on continuum model. But if the molecules are sparsely distributed relative to the length scale of the flow, assuming continuity of fluid and flow properties may lead to wrong results. • Consider measuring the density of a fluid for a certain sampling volume of space.
动量传输、热量传输、质量传输 （流体力学）（传热） （传质）
2018/10/28
8
为什么把“三传”放在一起讲
①“三传”具有共同的物理本质——都是物理过程。
②“三传”具有类似的表述方程和定律。 ③在实际冶金过程中往往包括有两种或两种 以上传输现象，它们同时存在，又相互影响。
2018/10/28
9
学习冶金传输原理的基本目的： 第一，深入理解各种传输现象的机理，为理解冶金 工艺过程奠定理论基础，对改进和优化各种冶金过 程和设备的设计、操作及控制提供理论依据； 第二，为将来所要研究和开发的冶金过程 提供基础数学模型，以此为基础，可以对冶金过程 进行模拟研究和控制，加速研发过程，降低研发成 本。