传输原理

绪论

一：传输过程是 动量传输、热量传输、质量传输过程的总称，简称 “三传” 或者 “传递现象”。

动量传输：垂直于流体流动的方向上，动量由高速度区向低速度区的转移。

热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移。

质量传输：物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。

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

传输原理主要研究传输过程的传递速率大小与传递推动力及阻力之间的关系。

二：金属加工成形的分类：

热态成形——金属的成形过程，是在较高温度状态下，通过高温手段，使金属成形。

冷态成形——金属在常温下，使金属成形。如：切削、冲压、拔丝。

三：金属热态成形的四种工艺 （ “三传” 现象广泛存在）

1. 铸造：液态(或固液态)金属——注入模具中——降温、凝固。

2. 锻压：金属加热至塑性变形抗力小、但是仍然为固体的状态，采用锻打、加压手段，而获得一定的形状的工艺方法。

3. 焊接：焊接是通过加热、加压，或两者并用，用或者不用填充材料，使两工件产生原子间结合的加工工艺和连接方式。

4. 热处理：热处理就是将工件通过热处理（高温加热，冷却速度不同）达到调整材

质（如基体组织发生变化，硬度发生变化），以及削除应力。

 流体力学（Hydrodynamics）研究动量传输

主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态；以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。

 传热学（Heat Transfer ）：研究热量传输

主要研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递的规律。

 传质学（Mass Transfer ）：研究质量传输

主要研究质量传递的有关理论 。

四：热态成形过程中的传输现象举例：

（1）. 金属液体的流动（铸液填充型腔）

（2）. 气体的流动（砂型气体溢出，炉加热，炉气运动等）

（3）. 金属件内部之间、金属件与周围介质之间热量交换和物质转移现象（加热过程，热交换，渗炭，渗氮，元素再分布）

五：研究动量、热量、质量传输现象的意义：

以上的现象都属于动量、热量、质量传输现象。 不同的传输情况对金属热态成形过程和最后得到的金属件质量有很大影响。研究意义就在于此。

第一篇 动量传输

第一章 流体及其流动

一：动量传输起因，以及对热量、质量传输的影响：

（1）流体内部不同部位的质点或集团的流动速度不一致。

（2）流动速度的不一致，必然导致动量分布不均匀。属于不平衡态，必然发生动量的交换或传递过程。

（3）这样的动量传递，就会影响到热量和质量的传输过程

二：流体的特性

（1）流体（Fluid）概念：能够流动的物体（一般指气体或液体）。是一种质点间联系很小，质点在空间的相互位置很容易改变（即变形或流动）的物体。

（2）流体包括：液体和气体；另外带有固相颗粒、液相颗粒的气体；含有固相颗粒、液相颗粒、微小气泡的液体（如悬浊液、乳浊液等）。

（3）流体的力学性质（与固体比较）：

 （A）不能传递拉力，

 （B）可承受压力，传递压力和切力，并且在压力和切力下出现流动。（流动可持续）

 （C）流体流动时，流速不同的相邻质点间出现位移，导致产生内摩擦力。静止流体没有内摩擦力。

三：气体和液体的区别：

 微观：分子间距不同：气体分子间距离约是分子直径的10倍，除相互碰撞或与器壁碰撞外，气体分子不受力的作用，在空间自由移动。液体分子间距比较小。

运动自由程不同：运动自由程 是流体运动的微观现象尺度，是指流体（液体、气体、等离子体、粒子）在与其它粒子发生碰撞前的平均行程。

（动量、能量、质量的传递、耗散和输运本质上都是分子运动的结果。）

 宏观：液体有一定体积，有自由表面，

气体充满容器，无自由表面。

气体可压缩性较大。

四：连续介质模型（总结）

 事实上，流体分子间是有间隙的，流体物理量是不连续的。

 流体连续性基本假设—假设流体质点之间没有空隙。

即把流体看成占有一定空间的无限多个流体微团（质点）组成的密集无间隙的连续介质。

 反映宏观流体的物理量也是空间坐标的连续函数。

（密度、压力、粘度、流速等等……）

五：流体的压缩性和热胀性

流体的压缩性：是指流体四周受压时，其体积变小的特性。用 “体积压缩系数” k 表示

流体的热胀性 ：是指流体在其本身温度提高时，其体积增大的特性。用 “温度膨胀系数”β表示

六：流体出现粘性的原因分析：

（1）分子间内聚力（引力）所引起。

（2）流体分子的垂直流动方向热运动（出现动量交换）所引起。

（3）液态流体出现粘性以分子间内聚力为主，而且液体粘度随温度升高而减小。因为温度升高导致分子间距增大，分子间引力减小。

（4）气态流体出现粘性以 “垂直流动方向热运动” 为主，且气体粘度随温度升高而增大。因为温度升高导致分子热运动增强。

七：牛顿粘性定律过程描述：

① 两无限大平行板间距很小，两板间有流体。下板静止，上板在x方向以速度Vx移动。

② 由粘性力引起的上、下板间流体的质点只产生x方向运动。流体各个平行层运动速度在 y

方向上有速度梯度dVx/dy 。

③ 流层两面上切向粘性力（切应力）可以表示为：

η是动力粘度系数：流层间出现相对流速时的内摩擦特性。

例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的动力粘度系数 μ =0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。

七：理想流体、牛顿流体、非牛顿流体

理想流体：是一种理想化的模型，无摩擦力，没有粘滞性，不可压缩的的流体称为理想流体

牛顿流体：剪应力（粘性力）与速度梯度关系完全符合牛顿粘性定律之流体称为牛顿型流体。

非牛顿流体：凡不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体。

八：.毛细现象：液固接触

液固间附着力大于液体的内聚力（上升）

液固间附着力小于液体的内聚力（下降） A:活塞接触面积, n: 距离

VF

0 x V=0 y Y

dVx dy

板间的流体速度分布与粘性力（切应力）平板间的流体速度分布

层流概念：液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂，质点没有径向的运动，都保持各自的流线运动。这种流动状态，称为 “层流运动”。

紊流概念：管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则有色液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。这种运动状态，称为 “紊流运动”。

层流与紊流的形成，是由流体质点流动时的惯性力和所受粘性力的比值决定的。

惯性力相对较大时，流体趋向于作紊流式的流动，而粘性力则起限制流体质点作纵向脉动的作用，遏制紊流的出现。

层流与紊流可以用雷诺数来判别：圆管雷诺数=惯性力 / 粘性力（Re的物理意义）

第二章 流体静力学

一：流体静力学专门研究流体在静止状态下，或者流体在外力作用下处于平衡状态时的力学规律及其应用。流体静力学在本质上是研究静止流体中的压力和质量力两者平衡的问题。

二：静止流体包括：

A. 绝对静止（流体相对于地球坐标不运动）

B. 相对静止（参考坐标相对于地球运动，但流体各部分对该参考坐标不运动）

流体静力学的基础是欧拉方程。

三：等压面概念：

静止流体中，压力相等的各连续点所组成的面，在此面上任何两点间的压力差总是等于零。

等压面的微分方程式：

成立的条件是

四：静压力计算公式推导：

若表面上一点高度 z0 , 压力p0，

则 C = p0 /ρg+z0

代入流体静力学基本方程式 p /ρg ＋z ＝ C 中，

得：p =p0＋ ρg(z0－z)

设 z0－z＝h， 则 p =p0＋ ρgh

五、压力水头，位置水头，静水头概念：

1、压力水头：p /ρg是压力所做的功，称压力水头（压力高度）

2、位置水头：z是流体质点距离某基准面的高度，代表势能，称位置水头。

3、静水头：p /ρg + z是单位重量流体的总势能，称静水头。

五、流体静压力基本方程的物理意义：

在静止的不可压缩、密度均匀的流体中，任意点的单位重量流体的总势能保持不变，或者说，静水头的连线是一条水平线。

六：压力的测量基准及单位：

(1) 绝对压力P: 以绝对真空为测量基准（即以压力值为零作基准）测得的压力。

(2) 计示压力Pe: 是由压力表、测量计表示的压力称为计示压力。它是以大气压力为基准测得的，所以也称为相对压力、表压力。

(3) 真空度Pv：是指小于大气压力的绝对压力值。

(4) 绝对压力、计示压力的关系如下：绝对压力P = 计示压力Pe + 大气压力Pa

七：绝对压力、计示压力（相对压力；表压力）、真空度的关系如图所示

八：压力的单位有下列三种表示形式：

(1) 应力单位:用单位面积上的力表示。单位为Pa或kPa

(2) 液柱高度:常用水柱(mH2O)和水银高度(mmHg)表示压力的大小。

(3) 大气压力:标准大气压(atm)是在北纬45º海平面上、温度为15º时测定的大气压数值。

1标准大气压(atm)=101337 Pa=10.33mH2O=760mmHg

1工程大气压(at)=98100 Pa=10mH2O=735mmHg

例：有一加热炉炉膛高H=1.2m，炉内充满1350 ℃的气体（该气体在1atm, 0 ℃ 时的密度为1.29kg/m3），炉体外面大气温度为20℃ ，密度为ρa=1.20kg/m3，炉底部炉气表压为零，求炉顶部、炉膛内的表压？

解： 1350 ℃时的炉气密度为： ρ =1.29× 273/（273+1350）=0.219kg/m3,

根据流体静力学基本方程： ( p/ ρ g) +z = C……(2-6),

在重力场中任意点的( p/ ρg) +z 都相等。

所以，炉膛内炉底处气体压力（P底）与炉顶处气体压力（P顶）关系如下：

（P顶）= （P底）- ρ gH………………(1)

在大气中，相当于炉底高度处的大气压（P’底）与相当于炉顶高度处的大气压（P’顶）关系如下： 绝对压力分两种情况：

（左：绝对压力大于大气压）

（右：绝对压力小于大气压）