冶金热工基础——第1章 动量传输.ppt

1、第一章 动量传输,同学们好！现在我们学习动量传输,第 1 讲 绪论 第 2 讲 流体及其主要性质 第 3讲 流体及其主要性质 流体运动的基本特性 第 4讲 流体运动的基本特性 第 5讲 流体运动的基本特性 第 6讲 动量传输的基本定律 第 7讲 动量传输的基本定律 第 8讲 动量传输的基本定律（习题课） 第 9讲 动量传输的基本定律 动量传输中的阻力 第 10讲 动量传输的阻力 第 11讲 流体的流出 第 12讲 流体的流出 第 13讲 射流 第 14讲 两相动量传输简介（炼铁方向 炼钢方向） 第 15讲 相似原理及因次分析 第 16讲 相似原理及因次分析,第一章 动量传输,第一讲： 绪论,一

2、、本课的基本要求 了解冶金炉及其热工理论知识。 了解课程的性质、基本要求、主要内容、特点、教材与教参、成绩评定。 了解本教材所采用的单位制及坐标系。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：国际单位制与工程单位制间的换算。难点：课程的总体介绍，能否激发学生的兴趣。,第一章 动量传输,三、教参及教具: 加热炉蔡乔方主编 冶金工业出版社 冶金炉热工与构造陈鸿复主编 冶金工业出版社教材冶金炉热工基础蒋光羲编 重庆大学出版社,0 绪论,0.1 冶金炉及其分类 冶金炉：冶金生产中各种冶炼和加热设备的统称。分类：熔炼炉和加热炉两大类。 熔炼炉：完成物料的加热和熔炼。特点：发生物态变化 固液态物理化学

3、变化 原料与产品的性质、 化学成分截然不同,冶金企业的熔炼炉有：,第一章 动量传输,铸造化铁炉：固 液态 加热炉：完成物料的加热。特点：不发生物态变化，只改变其机械性能或物理化学性能。冶金企业的加热炉有： 均热炉：钢锭开坯前加热。 轧钢加热炉：热轧前钢坯加热。 室状炉、台车式加热炉等：锻造前加热。加热目的：提高可塑性，减少压力加工时的变形抗力。 热处理(淬火、回火、退火、渗碳等)炉.加热目的：改变其结晶组织，获得所需的物理机械性能。,第一章 动量传输,0.2 冶金炉热工理论(冶金热能工程专业) 构成炉子热工理论的几个方面： 热过程的热力学 热力学第一定律热平衡 热力学第二定律火用平衡 工程热力

4、学, 燃料燃烧析热或电-热能转换的规律燃烧学 热能转换与利用 热气体流动规律 工程流体力学 炉内及物料内的复杂传热、传质过程的规律传热学 传输原理 炉子构筑理论：筑炉材料及构件在高温下的损坏原因及其使用性能等。耐火材料 炼铁设备 炼钢设备 以上这些基本规律运用到具体炉子中并和该炉子工艺相结合就构成了该炉 子的热工理论。,第一章 动量传输,举例：高炉炼铁的气固两相流动。高炉强化冶炼，目的就是改善传输条件。转炉炼钢的气液两相流动。转炉底吹，目的也是改善传输条件。总之，传输理论已成为现代冶金炉热工理论的基础。,第二部分：热工计算 (47章),注意：本课程所论及的只是一些基本计算方法，各类炉子的热工计

5、算及设计 在课程设计及有关专业课中解决。,第一章 动量传输,第三部分：耐火材料(种类、性能、选择),作为专业任选课独立设课。 习题与思考题：加深对所学热工理论的理解和应用。 集中实验：培养学生动手能力。 课程设计：培养学生综合应用热工知识的能力，为毕业设计打下良好的基础。热风炉设计（炼铁） 借助于计算机 QB VB CAD氧枪设计（炼钢） 借助于计算机 QB VB CAD,第一章 动量传输,三、课程特点,难学：物理概念多；数学推导、计算复杂；(物理概念为主，数学为辅)重 点掌握基本概念、基本计算方法。 讲授方法：重点讲授+作业，辅以习题课；难点讲授+思考题，辅以 讨论课。 学习方法：上课认真听

6、讲，课后认真复习，认真完成作业，不懂的即时解 决，“勤学苦炼”。,四、参考书目,冶金炉热工基础 刘人达主编 冶金工业出版社 冶金炉热工与构造 陈鸿复主编 冶金工业出版社 动量、热量、质量传输原理 高家锐主编 重庆大学出版社 期刊：冶金能源、工业炉、工业加热、耐火材料,第一章 动量传输,五、教学目的,使学生掌握冶金热工理论的基本概念、基本定律及基本计算方法，理解强化冶金生产过程和改进生产工艺的理论基础，同时使学生具备初步分析和解决冶金生产工艺过程的热工实际问题的能力，并能进行简单炉子的设计，能够根据工艺要求选择主要设备的筑炉材料。,第一章 动量传输,0.3 单位及单位制,换算时注意：, 质量,1

7、kgf = 9.81N,第一章 动量传输, 能量,1 kCal/h = (4.187/3600103) J/s = 1.163W,第一章 动量传输,0.4 坐标及坐标系,第一章 动量传输,作业: 思考题：如何解释教材名称、冶金炉、热工、基础的含义？,返 回,第一章 动量传输,第二讲： 流体及其主要性质,一、本课的基本要求 了解传输的分类；流体的基本特性；气体状态方程。 掌握流体的主要特性、状态方程的应用。 了解流体的粘性及粘性力；理解粘性动量传输及粘性动量通量。 掌握牛顿粘性定律及应用；粘性系数的单位、物理意义、影响因素。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：气体状态方程、牛顿粘性定

8、律。难点：应用、概念的理解和掌握。,第一章 动量传输,第一部分：传输原理 (13章),动量、热量、质量传输同时存在，动量传输是最基本的传输过程-例如：炼铁高炉内气-固两相流动、炼钢转炉内气液两相流动对 冶炼过程有很大的影响。,传输按其产生和存在的条件可分为：,第一章 动量传输,第1章 动量传输,实质：流体流动过程中力、能平衡问题，相互平衡相互转换。,1.1 流体的主要性质,流体：自然界中能够流动的物质，如液体和气体。,基本特性：,粘性(阻滞流动的性质),连续性,第一章 动量传输,流动性(剪切力作用下连续变形),1.1.1 流体的压缩性及膨胀性, 流体的密度、重度及比容,工程单位制中1 kgf

9、= 国际单位制中1 kg,国际单位制中 = 工程单位制中,应用：密度与重度之间的换算。例1-1-1 P5,第一章 动量传输, 液体的压缩性及膨胀性, 气体的压缩性及膨胀性,气体分子间距较大，吸引力较小，V 受T、P的影响较大。,第一章 动量传输,第一章 动量传输, 气体在绝热状态下压缩时,第一章 动量传输,1.1.2 流体的粘性, 流体的粘性及粘性力,粘性：阻滞流动的性质。,产生原因：流体分子 间的内聚引力和分子 的热运动。,粘性力的建立过程：,第一章 动量传输,流体流层间产生切应力的现象流体的粘性；切应力粘性力, 牛顿粘性定律,表述：流体的粘性力F 与速度W0成正比，与两平板间距离H 成反比

10、，与接触面积A 成正比。,第一章 动量传输,式中正负号的出现是为了保证yx为正。,第一章 动量传输,图1-1-1取正：动量传递方向与y 相同 图1-1-2取负：动量传递方向与y 相反,柱坐标系下的F表达式？, 粘性系数,第一章 动量传输,动力粘性系数，动力粘度。, 影响因素, 流体种类, 温度,液体：分子间内聚力为主。温度，间隙，内聚力，。,气体：分子热运动。温度，热运动加剧，。,第一章 动量传输,混合气体： 烟气(CO2、H2O、N2、O2), 粘性动量传输及动量通量,从粘性力的建立过程来看，由于流体粘性作用流体流层间出 现速度差。由于分子热运动、分子内聚力流体流层间产生动 量交换流层间产生

11、切应力(粘性力)。 动量交换过程是由流体的粘性构成的粘性动量传输(物性传输)。 动量通量：单位时间通过单位面积所传递的动量，相当于单位面 积上的作用力。,第一章 动量传输,粘性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的粘性动量，亦即单位面积上 的粘性力(切应力)。,运动粘度：, 影响因素： 流体种类 温度,第一章 动量传输,传递方向,高速流层向低速流层(y)；流体流向(x) 快速流层与流向相反；慢速流层，相同。,粘性动量与粘性力的不同之处？, 牛顿流体及非牛顿流体,牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体；,非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体；例如：水煤浆、石灰等。,第一章 动量传输,第一章 动量传输,

12、例1 混合气体的计算。 天然气燃烧的烟气成分为：CO2=8.8%,H2O=17.4%,N2=72.1%,O2 =1.7%；烟气的密度=1.24 kg/m3。试计算烟气在819时的粘度。 解：（1）按（1-1-18b）式计算各组分在819时的动力粘度：,(,第一章 动量传输,第一章 动量传输,按（1-1-19）式计算烟气的粘度：,第一章 动量传输,烟气的运动粘度为：,第一章 动量传输,例2 牛顿粘性定律的应用。设汽缸内壁直径D=20，活塞外径d=19.96，活塞长度L=25，活塞的运动速度为W=1.2m/s，润滑油的动力粘度=0.12kg/m.s，试计算活塞的作用力。解：汽缸壁上油层的速度为零，

13、活塞表面油的速度为1.2m/s，因间隙很小，设线性分布，则用（1-1-16b）式计算： 单位面积上的粘性力（活塞传给油的动量通量）,活塞的总作用力：接触面积 :,总作用力：,反之，已知 F ,第一章 动量传输,作业思考题： 不同状态方程中R的含义及单位； 牛顿粘性定律符号的取法？P112 1 8 11 与17(选作题) 18,返 回,第一章 动量传输,第三讲：流体及其主要性质 流体运动的基本特性,一、本课的基本要求 理解流体上的作用力、能量、动量之间的关系。 了解流体流动的分类。 掌握层流、紊流、雷诺准数的表达式及物理意义 了解紊流特征。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：流体流动

14、的两种状态。难点：层流、紊流的理解。,第一章 动量传输,1.1.3 流体上的作用力、能量、动量,作用力：表面力(作用在流体表面上，且与表面积成比例的力)和体积力(作用在流体内部质点上，与流体质量成比例的力),第一章 动量传输,由以上分析可知： mw/A = 作用力/A = 能量/V 作用力、能量、动量是同类物理量的不同表现形式。相互平衡、传递 及转换，流体的动量传输也就是力、能的平衡与转换的过程。,第一章 动量传输,1.2 流体运动的基本特征,流体的运动特性，主要是指流体在流动条件下，其所具有的相关物理量在 空间和时间上的变化特性流场特征。,1.2.1 流体流动的分类,1.2.2 流体流动的两

15、种状态, 流动状态 层流：所有流体质点只作沿同一方向的直线运动，无横向运动。如国庆大阅兵。 紊流：流体质点作复杂的无规则运动(湍流)。如自由市场。 从层流到紊流之间，一般称为过渡状态。,第一章 动量传输,实验观察：图1-2-1 P11,第一章 动量传输,在实验的基础上，雷诺提出了确定两种状态相互转变的条件，雷诺准数Re,临界雷诺准数为Rec：流体流动从一种状态转变为另一种状态的雷诺准数Re。,层流紊流Rec上=13800；紊流层流Rec下=2300。,一般取Rec = 2300。,第一章 动量传输, 管流速度分布,层流：抛物线分布。紊流：速度分布与Re有关。, 紊流特征,。,第一章 动量传输,

16、第一章 动量传输,设水及空气分别在内径d=80的管中流过，两者的平均流速相同，均为W=0.3m/s，已知水及空气的动力粘度各为水=0.0015kg/m.s，空气=1710-6 kg/m.s又知水及空气的密度各为水=1000kg/m3 空气=1.293kg/m3，试判断两种流体的流动状态。 解：按（1-2-1）式计算,空气的Re数：,ReRec 紊流,得：水的Re数：,作业:P112 16,第一章 动量传输,返回,第四讲：流体运动的基本特性,一、本课的基本要求 了解连续介质、质点、微团、控制体的概念。 了解流场的分类，掌握欧拉法、拉格朗日法、流线概念。 了解流体流量的表示方法。 掌握梯度、散度、

17、旋度的定义、定义式、物理意义。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：流场的研究方法。难点：梯度、散度、旋度的理解。,第一章 动量传输,1.2.3 连续介质、质点、微团、控制体, 连续介质及质点连续介质：将流体视为整体，内部不存在空隙的介质，由流体密度的定义 加以说明。图1-2-4 P14 流体看成是由质点在空间连续排列而无空隙。,质点：定义流体密度的 最小体积单元，均性特征。,第一章 动量传输, 流体微团及控制体流体微团(元体、微元体)：由质点组成、比质点稍大的流体单元，均性特征。微团：建立微分方程，微分解法。控制体：流场中某一确定的空间区域由微团组成，非均性特征控制体建立积分方程，

18、积分解法或近似积分解法。,第一章 动量传输,1.2.4 流体运动的研究方法, 流场的研究方法, 欧拉法, 拉格朗日法,式中 u速度W、压力P、密度等。,同一瞬间全部流体质点的运动参量来描述，时间推进。,第一章 动量传输, 流场的分类 物理量是否随时间变化, 空间：一维 二维 三维流场, 流线及迹线,迹线：流体质点在空间运动的轨迹。拉格朗日法分析流场。 流线：同一瞬间各流体质点运动方向的总和(速度向量所构成的直线)。 欧拉法分析流场,第一章 动量传输,稳定流动：重合, 观察流体运动的方法流动显示技 术,1.2.5 流体的流量及流速,第一章 动量传输,1.2.6 梯度、散度、旋度, 梯度,定义：表

19、示各物理量随空间位置变化的程度，场中某一物理量在空间上取值 最大的方向导数(单位距离上的变化量，即最大变化率)。, 散度,定义：散度是表示流体体积膨胀或收缩速率，即单位体积流体的体积流量。,式中 f (u)速度、温度、浓度,第一章 动量传输,说明： 散度是标量, 各方向分速度在该方向上的变率之和, 判断流场是否连续（存在）的依据。, 旋度,定义：表示流体旋转强度的一个运动参量，即单位面积上的环量(涡量)。,第一章 动量传输,(角速度),说明：, 旋度是矢量。, 判断流动是否有旋的依据。,例1-2-1 P23,第一章 动量传输,作业:P112 12,第一章 动量传输,返回,第五讲：流体运动的基本

20、特性,一、本课的基本要求 了解流函数及其物理意义。 掌握、的存在条件以及与质点速度的关系。 掌握、的换算。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：、的存在条件以及与质点速度的关系。难点：、的换算。,第一章 动量传输,1.2.7 流函数, 流线微分方程,定义：流线的函数表达式，即流函数。 图1-2-19 P24,流管：由无数根流线所构成的，截面为一封闭曲线的空间，有效截面或过流截面。,特性：, 没有流体通过流管的表面流入或流出。, 质量流量不变(M不变)。,第一章 动量传输, 流函数,第一章 动量传输,图1-2-22 P25,流函数的物理意义：任何一条流线与零值流线之间流体的流量就等于该

21、流线 的流函数。,例1-2-2 P25,流函数-涡量法？,第一章 动量传输,1.2.8 势函数, 势流,定义：没有旋转的流动，,特征：, 势函数,等势线(等速线)：速度相等的点连成的线。,势函数：等势线的函数表达式,全微分：,势函数存在的条件：,连续函数：,第一章 动量传输, 势函数与流函数的正交性,流线及等势线构成的正交网络。,根据正交性原则：已知，求(判断存在否？)已知，求(判断存在否？) 例题1-2-4 P27,第一章 动量传输,作业:P112 13 14,第一章 动量传输,返回,第六讲：动量传输的基本定律,一、本课的基本要求 掌握粘性动量传输、粘性动量通量及其表达式。 掌握对流动量传输

22、、对流动量通量及其表达式。 掌握不同情况下连续性方程的表达式及应用。 掌握N-S方程的物理意义。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：连续性方程的表达式及应用。难点：N-S方程的建立。,第一章 动量传输,动量传输的基本定律是研究流体在动量传输过程中最根本的规律。,第一章 动量传输,1.3 动量传输的基本定律,第一章 动量传输,质量传输过程：物质的传递与转移过程，它是动量传输的基础，质量传输就是质量平衡。质量平衡或物质平衡(质量守恒)的含义：流体流过一定空间时，流体的总质量不变，两种情况： 稳定流动： 物质的流入量 = 物质的流出量 (A) 不稳定流动:物质的流入量 物质的流出量 =

23、物质的蓄积量(B),第一章 动量传输,1.3.1 流体质量平衡方程式连续性方程,建立质量平衡方程的方法：元体平衡法。 在流场中取一平行六面体dxdydz，如图所示。,第一章 动量传输,单位时间内流过A面、B面的流体质量：,x方向：流入量与流出量之差为:,同理y方向：流入量与流出量之差为:,z方向：流入量与流出量之差为:,总的流入量与流出量之差为:(1) + (2) + (3),第一章 动量传输,单位单间内元体质量的蓄积：质量在单位时间内的变化，即,按质量平衡(B)得：,可压缩流体、不稳定流动的连续性方程。,即,可压缩流体、稳定流动的连续性方程,：则,稳定流动,不可压缩流体的连续性方程，流体作为

24、连续介质是否连续分布的条件。,第一章 动量传输,管流：由无数流管组成，根据质量守恒定律，则,稳定流动、不可压缩流体的一维管流连续性方程。,结论：稳定流动的管流流体流过任一截面的体积流量( )或 质量流量不变( )，也就是质量守恒定律在流体流动过程的具 体体现,应用：例题1-3-1 P30 M、V与w、A的换算。,第一章 动量传输,1.3.2 粘性流体动量平衡方程式纳维-斯托克斯方程 （Navier-Stokes equations）,描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。因1821年纳维和 1845年斯托克斯分别导出而得名。简称N-S方程。 动量平衡的定义流体在流动过程中遵守能量守恒定律，称

25、为能量平衡。,根据牛顿第二定律：,作用力的合力 = 单位时间内动量的变化量,第一章 动量传输,对于稳定流动系统：动量传入量 动量传出量 + 系统作用力的总和 = 0 (A)对于不稳定流动系统：动量传入量 动量传出量 +系统作用力的总和 = 动量蓄积量 (B)动量收支差量,第一章 动量传输, 动量传递方式:, 作用力的形式 :,第一章 动量传输, 动量平衡方程的推导在流场中取一微元体，对所取的微元体建立动量平衡，即得N-S方程。图1-3-4 P28,第一章 动量传输,第一章 动量传输,以wx为准：动量通量, 对流动动量收支差量在直角坐标系中由于有三个方向的分速度，所以共有九个动量通量。,动量通量

26、收支差量为:,x方向的速度、x方向的动量通量 对流动量收支差量为 :,第一章 动量传输,以wx为准，元体对流动量收支差量为:,同理，以wy、wz为准，元体对流动量收支差量为 wx wy、wz, 粘性动量收支差量粘性动量通量同样由九个分量组成。以wx为准，C、D面上的粘性动量通量为 :,第一章 动量传输,粘性动量通量收支差量:,粘性动量收支差量:,以wx为准，元体粘性动量收支差量为:,第一章 动量传输,同理，以wy、wz为准的粘性动量收支差量为x y、z牛顿流体：, 作用力的总和 图1-3-6 P35x方向：PA,x方向合压力为:,x方向的总压力为：,第一章 动量传输,同理，y、z方向的总压力为

27、x y、z,第一章 动量传输,重力, 动量平衡方程式:将以上式子代入(B)式，整理得：(1-3-10) N-S方程 P32简化：,牛顿粘性定律,(2) ， 连续性方程 (1-3-11a) P321, 动量平衡方程的讨论 物理意义：,第一章 动量传输,方程的物理意义：运动的流体能量守恒的表现。,全微分,第一章 动量传输,粘性力；,压力；,重力；其单位均为N/m3。,由此可见，流体在运动中以作用力及动量形式表现能量平衡关系是统一的。, 适用条件粘性流体、不稳定流动、不可压缩体(元体范围内)、层流流动。,第一章 动量传输,作业:P113 22 25,返回,第一章 动量传输,第七讲：伯努利方程及应用,

28、一、本课的基本要求 了解伯努利方程 微分式的物理意义及应用。 掌握伯努利方程积分式的形式，适用条件，物理意义。 掌握管流伯努利方程式及应用。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：管流伯努利方程式的应用。难点：管流伯努利方程式的应用。,第一章 动量传输,欧拉方程适用条件：理想流体、稳定流动，不可压缩流体(元体范围内)。,=0 时，N-S方程简化为欧拉方程 (1-3-12a) P36,单位质量流体 (1-3-12c),(1-3-12b),稳定流动，,。,0,=,t,w,1.3.3 理想流体动量平衡方程式欧拉方程（Eular equations）,第一章 动量传输, 伯努利方程式的微分式在

29、流场中，流体质点于流线方向上具有一维流 动的特征，对于理想流体，在稳定流动的条件下， 沿流线方向作一维流动的动量平衡方程式可由欧拉 方程简化处理。处理过程中用到两个概念。,1.3.4 欧拉方程的简化伯努利方程 （Bernoulli equations）,第一章 动量传输, 全微分,根据全微分的定义，在稳定流动下，有：,第一章 动量传输,第一章 动量传输,理想流体、稳定流动、沿流线方向的欧拉方程式，称为伯努利方程式的微分式,第一章 动量传输, 伯努利方程式 方程式的导出由伯努利方程的积分式来确定运动过程中的动量平衡关系：,第一章 动量传输,第一章 动量传输, 方程式的讨论 适用条件：理想流体、稳

30、定流动，不可压缩流体、沿流线方向。 物理意义： 单位：机械能守恒定律的体现。, 各个能量之间可以相互转换，对理想流体而言，其总和不变，粘性流体在流动过程中存在能量损失,包括z项的为位能 包括P项的为静压能 包括W项的为动能,静压能的降低。,第一章 动量传输, 伯努利方程式在管流中的应用一般管流的伯努利方程为：,限制条件：理想流体、稳定流动、 不可压缩流体、沿流线方向。,第一章 动量传输,对于实际流体：,第一章 动量传输, 管道平直、流动为缓变流(流线趋于直线且平行)。反之， 为急变流。,伯努利方程应用于管流时的几点说明：,(3)实际管流的伯努力方程应为：, 关于动能的计算,第一章 动量传输,

31、应用管流伯努利方程应注意： 适用条件：理想流体、稳定流动、不可压缩流体、沿流线方向、缓变流。 工程上大多数都是紊流， 1.0。 P1、P2可以是绝对压力，也可以是表压力。 w1、w2、实际状况下。, z1、z2取决于基准面。,伯努利方程式在工程上的应用极为广泛：流量测量、 喷嘴设计、烟囱设计等。,第一章 动量传输,作业：P113 27 28,返回,第一章 动量传输,第八讲:动量传输的基本定律（习题课）,本课的基本要求 巩固管流伯努利方程式及应用,第一章 动量传输,1例题1-3-2 P42 流体在流动过程中能量的相互转换关系。,第一章 动量传输,提示：管流伯努利方程式:,简化：,（不可逆过程）,

32、第一章 动量传输,0,第一章 动量传输,第一章 动量传输,0 0,=0,能量转换关系？,第一章 动量传输,例题:流量测量原理。,提示：文丘利管 毕托管 孔板 测流量原理,1）文丘利管,第一章 动量传输,2）毕托管,V=?如何测定？,返回,第一章 动量传输,3）孔板,第一章 动量传输,流量系数，取决于孔板结构、取压方式、Re准数。标准孔板。,第一章 动量传输,作业:P113 27、28,返回,第一章 动量传输,返回,第一章 动量传输,返回,第一章 动量传输,返回,第一章 动量传输,3习题 1.9.29 P113,解：环缝D处为水的喷口 PD=1.0132105 Pa,第一章 动量传输,A-D列伯

33、努利方程：,PA=08892105 Pa,A-B列伯努利方程：,PB=0.9873105 Pa,wc=3.906m/s,C-D列伯努利方程：,PC=0.9560105 Pa,第一章 动量传输,PA=0.8892105 Pa PB=0.9873105 Pa PC=0.9560105 Pa PD=1.0132105 Pa,第一章 动量传输,返回,第九讲：动量传输的基本定律 动量传输中的阻力,一、本课的基本要求 1掌握静止流体的压力分布方程及应用。 2掌握等压面特性及应用。 3了解动量附面层概念。 4了解阻力的概念及计算通式。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：等压面特性及应用。难点：动

34、量附面层的理解。,第一章 动量传输,1.3.5 流体静力平衡方程式, 流体静力平衡方程式的微分式,当流体静止时，则wx = 0，wy = 0，wz = 0，且gx = 0，gy = 0，gz = g。,说明：静止流体沿水平方向(x、y方向)上的压力不变，但压力沿高度(z方向) 则有变化。压力沿高度方向(z方向)的分布规律静止流体的压力分布方程。,第一章 动量传输, 静止流体的压力分布方程,将上式分别乘以dx、dy、dz之后相加得：,则,说明：静止流体的能量平衡方程。图1-3-15 P47,z = 0，基准面上的压力。 z，位能，静压能， 静压能与位能相互转换。,第一章 动量传输, 流体的静压力

35、, 静压力的特性,压力：单位面积上的作用力，方向与作用面垂直并指向作用面； 任一点上的压力在各个方向上是相同的，压力是标量，但总压是矢量。, 静压力的表示方法,在国际单位制中，压力的单位为Pa：, 等压面,等压面：静压力相等的各点所组成的面。 两互不相容的静止流体的分界面，等压面必为一水平面。,第一章 动量传输, 分类,附面层,由Re准数来判断,第一章 动量传输,第一章 动量传输, 管内流动时的附面层,汇合前:,汇合后：充分发展了的管流速度分布不变。,1.4 流体动量传输中的阻力,阻力：粘性流体在流动过程中的阻力产生的能量损失叫阻力损失。 实质上是研究流体要多大的力、作多大的功才能使流体流动。

36、,阻力分为四类：, 管流摩阻(摩擦阻力损失)：由流体的粘性引起。 绕流摩阻：流体流过淹没物体。 管流局部阻力：流动方向或流速突然变化引起。 综合阻力：不属于上述情况。例如：高炉炼生产过程中，料层与煤气相向运动过程中的阻力，喷粉气动输送过程中的阻力。 无论哪种阻力损失，都是由于流体流动而产生的，速度、阻力。,第一章 动量传输,一般情况下，用一个通用公式来表示：,因此，计算hl的关键在于求各种情况下的k值，方法有：1) 理论推导：一般无法求出。2) 经验方法：通过实验。3) 半理论、半经验方法：在假设的基础上，通过实验。重点放在公 式的应用上。,第一章 动量传输,作业:P114 36 P112 1

37、5,第一章 动量传输,返回,第十讲：动量传输中的阻力,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：管流摩阻、局部阻力损失计算。难点：应用。,第一章 动量传输,1.4.1 不可压缩流体的管流摩阻,摩擦阻力损失简称为摩阻，以hf表示。层流、紊流, 圆管层流摩阻（理论推导从略）,摩擦系数, 圆管内紊流摩阻(半理论、半经验方法),第一章 动量传输, 光滑圆管内的摩阻,式中紊流下圆管的摩擦系数。,尼古拉兹修正式:,布拉修斯修正式：, 粗糙圆管内的摩阻,第一章 动量传输,BC 层流向紊流过渡的区域：的变化不明显，2300Re105， 一般按光滑区处理。,CD 紊流光滑管流区：Re有关，4103Re105

38、，布拉修斯修正式。,出现的原因？,当层流底层 hf与Re有关,当层流底层 hf与Re、有关,当层流底层 hf与有关。,第一章 动量传输,计算的通用式：,查 莫迪图(附图1),在工程计算中常采用经验公式：,金属管道： = 0.25砖砌管道： = 0.050, 非圆形管道的摩阻,Pa,当量直径或水力学直径：,A管道的截面积，m2；S管道的周长，m。例1-4-1 P59,第一章 动量传输,1.4.2 管流局部阻力损失(经验方法),流体的流向和流速变化引起,k局部阻力系数，经验法，查附表 6。 注意：k与w的对应。,1.4.3 管流系统的阻力损失,Pa, 减少流体阻力损失,第一章 动量传输, hr 尽

39、量减少转弯或截面变化90圆转弯 突然逐渐扩大(收缩), hf L尽量 选用光滑管, 计算方法,第一章 动量传输,作业:P114 34 P115 39,第一章 动量传输,返回,第十一讲：流体的流出,一、本课的基本要求掌握不可压缩流体自孔口流出的特点。会计算容器内定量液体的流空时间。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：不可压缩流体自孔口流出的特点。难点：不可压缩流体自薄壁小孔和圆柱形管咀流出时的速度、流量关系。,第一章 动量传输,1.5 流体的流出,目的：确定流速w、流量V及其他相关参数。 方法：利用伯努利方程。,1.5.1 不可压缩流体自小孔的流出,液体及不可压缩气体(压力变化较小)

40、, 不可压缩流体自小孔的流出 图1-5-1 P65,列1-2截面处的伯努利方程式：, 水平流动：,第一章 动量传输,m/s,特点：,流量系数。,第一章 动量传输, 液体自孔口的流出 图1-5-2 P147,第一章 动量传输,第一章 动量传输,连铸浇钢,1.5.3 液体通过容器底部小孔的流出,图1-5-9 P149,第一章 动量传输,第一章 动量传输, 液面高度不变时的流出速度,列1-2截面的伯努利方程：,m/s, 流出系数, 容器内定量液体的流空时间,液体流过截面为A2的小孔的质量为,例1-5-1 P147,第一章 动量传输,作业:P115 41 42,第一章 动量传输,返回,第十二讲：流体的

41、流出,一、本课的基本要求 了解可压缩性气体自孔口流出的流速公式。 掌握可压缩性气体的流出特点。 掌握获得超音速的条件及喷咀的设计。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：可压缩气体的流出特点，喷咀的设计。难点：流股断面特征分析。,第一章 动量传输,1.5.2 可压缩性气体自孔口的流出,密度变化 高压气体流出, 音速,压力波、扰动波在一种介质中的传播速度。举例：讲课时声音的传播速 度，声波在空气中的传播速度。,根据物理学概念：,气体绝热过程：,理想气体状态方程：,第一章 动量传输,第一章 动量传输,在不计流出过程中阻力损失的情况下，压缩性气体的伯努利微分方程 式：,(1),由于流出速度很

42、高，流股来不及与周围介质进行热交换，可视为绝热过 程，其状态方程为 :,(2),第一章 动量传输,(2)代入(1)，积分得：(P：P1P，w：w1w),第一章 动量传输, 临界值,在稳定流动条件下，质量流量M为定值，则,(4),第一章 动量传输,其压力称为临界压力PkP，流速称为临界流速wkP等。,(5),(6),临界速度就是临界条件下该气体的音速。,压缩性气体流出具有如下特点：, P1，w；P，w P1P0, 有临界截面存在，PkP 0.5P1, 达到音速的基本条件为：a) P1 = 2P0 b) 收缩管,第一章 动量传输, 超音速,根据马赫数的概念，可说明压缩性气体流出时流股截面的变化特怔

43、和 最小截面的存在。,第一章 动量传输,分析：M1，w，A，超音速的扩张段。,拉瓦尔管, 获得超音速的条件, 压缩性气体流出的计算(设计、校核),氧枪 高炉喷吹 烧咀,第一章 动量传输,第一章 动量传输,作业：P115 44 45 （课外上机）,返回,第十三讲：射流,一、本课的基本要求 掌握自由射流的定义、形成条件、基本特点。 掌握旋转射流的定义、形成条件、基本特点。 了解旋流强度对旋转射流的影响。,第一章 动量传输,二、本课的重点、难点：重点：射流的特征。难点：旋流强度对旋转射流的影响。,第一章 动量传输,1.6 射流,定义：流体由喷咀流出到一个足够大的空间后，不再受固体边界限制而继续扩散的

44、一种流动。,举例：气体、液体燃料的燃烧、转炉吹氧、炉外精炼、高炉喷吹等。,分类：按机理,按流动性质,主要内容：射流的一般特征及经验公式。,第一章 动量传输,1.6.1 自由射流, 定义：,流体自喷咀流入无限大的自由空间中称为自由射流。,形成自由射流必须具备两个条件：, 射流流体物理性质如温度、密度等与介质相同。 空间介质不动，且不受边界的限制。, 基本特点：,自由射流可分为几个主要区域：图1-6-1 P77,第一章 动量传输, 基本段(主段)：转折截面以后的区域。特点：x，w中，为射流边界层 所占据。, 射流核心区：具有初始速度的区域。,第一章 动量传输, 射流极点：射流外边界线逆向延长的交点

45、O(射流源)。, 速度分布, 截面上速度分布:,b射流的半宽度。, 中心速度分布:,第一章 动量传输, 射流截面及流量,h0极点至喷口截面的距离。,，,通过(1)式求出观察截面的平均流速,第一章 动量传输,圆形射流：,扁形射流：,再应用流量公式求出该截面的流量Vx，对圆形射流为:,扁形射流,第一章 动量传输,1.6.5 旋转射流,定义：流体在喷出前就被强制旋转，喷出后脱离了固体壁面的约束，在无限大空间处于静止的介质中继续流动。,w(切向速度) wx(轴向速度) wr(径向速度), 旋转射流的特性, 存在一个回流区：,图1-6-15 P85 实线 wx 虚线 w,第一章 动量传输,在轴心处wx0

46、，回流区边界上wx = 0，回流区边界与射流边界(wx = 0) 之间wx有一最大值wmax，x，wmax，wx分布趋于平坦均匀， 回流区变小直到消失。, 速度沿程衰减快,图1-6-17 P86 wx、w、wr轴心速度wm。,第一章 动量传输,第一章 动量传输, 射流中心有很强的卷吸力,图1-6-18 P86 旋转射流沿程压力的变化,射流轴线上的静压力低于大气压力(负压)，说明旋转射流中心有很强的 卷吸作用，x，静压力大气压力，卷吸作用。, 旋流强度, 旋流强度的定义及计算,定义：表明旋流设备所产生旋转射流特性的几何特征数，用S 表示。,第一章 动量传输,G 角动量矩；Gx轴向推力；R喷口半径。,r1内径；r2外径；t g旋转角。, 旋流强度对旋转射流的影响, 对速度场的影响,S，卷吸量，紊流扩散强，消耗的能量，速度衰减快。 改变S改变气流的速度分布和调节焰的长度。 S，火焰短，温度较高；S，火焰长，温度分布均匀。, 对回流区的影响,S，回流区尺寸，稳定火焰的手段。,第一章 动量传输,以S 来区分旋转射流的状态，一般认为:,射流射向限制空间限制射流 特点：回流区、旋涡区,第一章 动量传输,作业：P115 46 47,第一章 动量传输,返回,第十四讲：两相动量传输简介,一、本课的基本要求 了解气固两相流动的三种状态 了解孔隙度及料块比表面积的概念 掌握埃根方程的应用,