1.传输原理绪论
- 格式：doc
- 大小：34.00 KB
- 文档页数：3
1 第一章 绪论
金属的高温成形的工艺主要有四种：
（1）把金属加热熔化成液态或固液态，注入具有一定形状内腔的模型中，金属在模型内降温、凝固，获得常温下的一定形状。这种制取金属件的工艺方法称为铸造。
（2）把金属加热至塑性变形抗力小，但仍为固体的状态，用锻打、加压等措施，使其获得一定的形状。这种工艺方法称为锻造。
（3）在不同金属件的连接处，用熔化的金属，或采用在金属连接部位加热熔化、加压的措施，使金属件被连接成所要求的整体形状。这种工艺方法称为焊接。
（4）将金属件全部或局部加热至一定温度，使其发生一定的物理、化学过程，改变金属件全部或某一部位的性能；或将金属件用不同的加热和冷却过程，改变金属件内部的组织结构，以获得一定力学性能或其它物理性能的金属件。这种工艺方法称为热处理。
金属在上述的热态成形中，常伴随有金属液的流动（如铸造浇注时金属液对铸型型腔空间的充填）、气体的流动（如砂型中气体的逸出，金属加热炉、熔化炉中炉气的运动等）、金属件内部和它与周围介质间热量交换和物质转移现象（如热处理中金属件加热过程中的热交换和渗碳、渗氮、均匀化过程中元素的再分布）。这些这是所谓的“传输现象”。
传输现象不仅存在于材料及材料加工过程中，在其它工程技术领域也是普遍存在的，如制冷工程、机械工程、生化工程及环境工程等领域。
课程内容：本课程包括流体力学、传热学、传质学三方面内容。系统而全面地从动量(Momentum)、热量(heat)以及质量(mass)传输的观点，阐述流体流动过程、传热过程，以及传质过程的基本理论，三种传输的相互关联、相互制约以及相互影响，是材料成形及控制工程专业的重要技术基础课。
其中动量传输是指在垂直于实际流体流动方向上，动量由高速度区向低速度区的转移；
热量传输是指热量由高温度区向低温度区的转移；
质量传输是指物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。
动量、热量和质量传输的原因是由于系统内部存在速度、温度和浓度梯度。
课程要求：掌握流体力学、传热学及传质学的基本内容，掌握三种传输相似性，熟悉它们的研究方法及应用。
第一节 动量、热量与质量传输的类似性
传输过程是物理量从非平衡状态朝平衡状态转移的过程。动量、热量和质量传输的原因是由于系统内部存在速度、温度和浓度梯度，而自然界的一切物质都有一种向平衡（均匀）状态转变的趋势。
平衡状态(Equilibrium state)通常是指在物理系统内具有强度性质的物理量(如温度、组分浓度等)不存在梯度变化。例如，热平衡是指物系内的各处温度均匀一致。反之，如果物系处于非平衡状态，即具有强度性质的物理量在系统内不均匀时，就会发生物理量的传输。例如，冷热两物体互相接触，热量会由热物体流向冷物体，最后使两物体的温度趋于一致。
动量、热量和质量的传递，可由分子的微观运动引起的分子扩散传递，也可由旋涡混合造成的流体微团的宏观运动引起的湍流传递。
1．以分子传递为例，说明动量、热量、质量传输的类似性。
冶金溶液或按气体等流体的粘性、热传导性和质量扩散性，统称为流体的分子传输性质。微观上，这些性质分别是非均匀流场中分子不规则运动在同一过程所引起的动量、热量和质量传输的结果。
A． 当流场中速度分布不均匀时，分子所传递的结果产生切应力；表示这种分子传输性质的数学关系为牛顿粘性定律。
B． 温度分布不均匀时，分子传递的结果是产生热传导；表示这种分子传输性质的数学关系为傅里叶定律。
C． 在多组分的混合流体中，如果某种组分的浓度分布不均匀，分子传递的结果便引起该组分的质量扩散，表示这种分子传输性质的数学关系为菲克定律。
2．牛顿粘性定律(Newton’s law of viscosity)——属于流体力学的范畴 2 两个作直线运动的流体层之间的切应力正比于垂直于运动方向的速度变化率，即
dydv (η伊塔) （1-1）
对均质不可压缩流体，上式可改写为
dyvddyvd)()( （ν纽） （1-2）
式中： y——垂直于运动方向的坐标（m）；
τ——切应力，或称动量通量（Pa）；
η——流体的动力粘度或动力粘性系数（Pa·s）；
ν——流体的运动粘度（㎡/s），v=η/ρ；
ρ——密度（kg/m3）；
d(ρv)/dy——动量浓度变化率，表示单位体积内流体的动量在y方向的变化率（N·s/m4或kg·m-3·s-1）。
式中的负号表示动量通量的方向与速度梯度的方向相反，即动量朝着速度降低的方向传递。
3．傅里叶定律(Fourier’s law)——热力学定律
在均匀的各向同性材料内的一维温度场中，通过导热方式传递的热流密度为
dydTq （1-3）
对于恒定ρcp的流体，上式可改写为
dyTcdadyTcdcqppp)()( （1-4）
式中： y——温度发生变化方向的坐标（m）；
q——热流密度，或称热量通量，表示单位时间内通过单位面积传递的热量（W/㎡）；
λ——热导率（W/(m·K)）；
a——热扩散率（㎡/s）；
d(ρcpT)/dy——焓浓度变化率或热量浓度变化率（J·m-3·m-1）；
cp——比定压热容（J·kg-1·K-1）。
式中的负号表示热量通量的方向与温度梯度的方向相反，即热量是朝着温度降低的方向传递的。
4．菲克定律(Fick’s law)——传质学定律
在混合物中若各组分存在浓度梯度时，则发生分子扩散。对于两组分系统，通过分子扩散传递的组分A的质量能量密度为
dydDjAABA （1-5）
式中： y——组分A的密度发生变化方向的坐标（m）；
jA——组分A的质量通量密度，表示单位时间内通过单位面积传递的组分A的质量（kg·m-2·s-1）；
DAB——组分A在组分B中的扩散系数（㎡/s）；
dρA/dy——组分A的质量浓度(密度)梯度（kg·m-3·m-1）；
式中的负号表示质量通量的方向与浓度梯度的方向相反，即组分A朝着浓度降低的方向传递。
5．三种传输现象的类比 3 从以上三个公式可看出许多类似性：
（1）动量、热量和质量传输通量，均等于各自量的扩散系数与各自量的浓度梯度乘积的负值，三种分子传递过程可用一个通式来表达，即
（通量）=－（扩散系数）×（浓度梯度）
（2）动量、热量和质量扩散系数v、a、DAB具有相同的因次，其单位均为㎡/s。
（3）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、热量或质量，各量的传递方向均与该量的浓度梯度方向相反，故通量的通式中有一“负”号。
通常将通量等于扩散系数乘以浓度梯度的方程称为现象方程，它是一种关联所观察现象的经验方程。
第二节 传输过程的研究方法
和物理学中其它领域的研究方法一样，主要有理论研究、实验研究和数值计算三种方法。
一、理论研究方法
传输理论以物理学的三个基本定律（质量守恒定律、牛顿第二定律、热力学第一定律）为依据。
理论研究方法一般分为三个阶段：
（1）确定简化的物理模型：
（2）建立数学模型：针对物理模型建立。
（3）数学求解：
二、实验研究方法
实验为简化物理提供依据；检验计算结果；数学模型不易建立时，可通过实验来进行研究。
三、数值计算方法
随着计算机技术的发展而得到普通应用。
