冶金传输原理冶金传输原理1 1、三种传输现象的基本定律、三种传输现象的基本定律)2.0()(dyvd牛顿粘性定律)4.0()(dyTCdaqp傅里叶导热定律)5.0(dydDjAABA菲克扩散定律2 2、三种传输现象普遍规律、三种传输现象普遍规律(类比关系）类比关系）绪绪 论论（1)1)通量扩散系数通量扩散系数浓度梯度（各自量的浓度梯度）；浓度梯度（各自量的浓度梯度）；;)2(2smDAB的因次：三个扩散系数具有相同、(3)“(3)“”号意义相同号意义相同,即通量与浓度梯度方向相反即通量与浓度梯度方向相反传输传输物理量从非平衡态向平衡态的转移过程物理量从非平衡态向平衡态的转移过程第第1 1章章 流体的主要物理性质流体的主要物理性质流体、连续介质模型流体、连续介质模型 等温压缩率等温压缩率)8.1(1TTPVVk体胀系数体胀系数)9.1(1PVTVV2 2、液体的压缩性和膨胀性、液体的压缩性和膨胀性3 3、气体的压缩性和膨胀性气体的压缩性和膨胀性PV=RTPV=RT粘性粘性流体抵抗剪切变形的能力流体抵抗剪切变形的能力粘性阻力（内摩擦力）粘性阻力（内摩擦力）由粘性产生的作用力由粘性产生的作用力5 5、牛顿粘性定律牛顿粘性定律)11.1(dyduAF第第1 1章章 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 动力粘度动力粘度 /PasPas，运动粘度运动粘度/m/m2 2/s/s，又称，又称“动量扩散系数动量扩散系数”。
影响影响 的因素：物质种类、温度的因素：物质种类、温度 6 6、粘度、粘度4 4、粘性粘性第第2章章 流体静力学流体静力学1 1、作用在流体上的力、作用在流体上的力质量力、表面力（法向力、切向力）质量力、表面力（法向力、切向力）2、流体静压强流体静压强流体静压强流体静压强单位面积上的流体静压力单位面积上的流体静压力流体压强的特性流体压强的特性3 3、流体平衡微分方程、流体平衡微分方程01xpX0101zpZypY（2-14）欧拉静平衡方程欧拉静平衡方程4 4、平衡微分方程的积分、平衡微分方程的积分第第2章章 流体静力学流体静力学)22.2()(00WWpp5 5、静止流体中的压强分布规律、静止流体中的压强分布规律流体静力学基本方程)28.2(22112211pzpzgpzgpz当已知液面压强当已知液面压强p p0 0和液面距基准面的距离和液面距基准面的距离z z0 0,)30.2()(000ghpzzgpp)13.2()(000hpzzpp或6 6、静力学方程的能量意义与几何意义、静力学方程的能量意义与几何意义第第2章章 流体静力学流体静力学根据根据(2.27)cpzcpz或可知：可知：（1 1）同一静止液体中，各点的测压管水头是相等的，各点的静）同一静止液体中，各点的测压管水头是相等的，各点的静压水头也是相等的。
几何意义）压水头也是相等的几何意义）（2 2）总比势能不变，但比压能和比位能可以互相转化能量）总比势能不变，但比压能和比位能可以互相转化能量意义）appp7 7、静止液体对平面壁的压力、静止液体对平面壁的压力第第2章章 流体静力学流体静力学)46.2(AhPC7.1 求压力的大小求压力的大小即压力即压力P P为浸水面积与形心处的液体静压强的乘积为浸水面积与形心处的液体静压强的乘积7.2 7.2 求压力的作用点求压力的作用点)49.2(AyJyyCCCD8 8、静止液体对曲面壁的压力、静止液体对曲面壁的压力)53.2(VpAhpzxCx)54.2(22yxPPP压力的倾斜角为压力的倾斜角为)55.2(arctanxzPP第第2章章 流体静力学流体静力学P P的作用点（压力中心）的作用点（压力中心）D D的确定：见图的确定：见图2.162.16 第第3章章 流体动力学流体动力学3.1 3.1 流体运动的基本概念流体运动的基本概念 速度、加速度、稳定流与非稳定流、迹线、流线、流管、流束、速度、加速度、稳定流与非稳定流、迹线、流线、流管、流束、流量流量3.2 3.2 连续性方程连续性方程(3.27)0zuyuxuzyx对不可压缩流体，空间连续性方程对不可压缩流体，空间连续性方程01zuyuxudtdzyx3.2.1 3.2.1 直角坐标系的连续性方程直角坐标系的连续性方程第第3章章 流体动力学流体动力学3.2.2 3.2.2 沿总流的连续性方程沿总流的连续性方程)33.3(222111AvAvmm对不可压缩流体对不可压缩流体)34.3(2211AvAv 物理意义：对可压缩流体稳定流，沿流程的质量流量保持不变。
物理意义：对可压缩流体稳定流，沿流程的质量流量保持不变物理意义：对不可压缩流体沿流程体积流量不变，流速与管截物理意义：对不可压缩流体沿流程体积流量不变，流速与管截面积成反比面积成反比第第3章章 流体动力学流体动力学3.3 3.3 理想流体动量传输方程理想流体动量传输方程欧拉方程欧拉方程)40.3(111zuuyuuxuutuxPZzuuyuuxuutuyPYzuuyuuxuutuxPXzzzyzxzyzyyyxyxzxyxxx3.4 3.4 实际流体动量传输方程实际流体动量传输方程纳维尔纳维尔-斯托克斯方程斯托克斯方程)47.3(111222zzyyxxuzPZdtduuyPYdtduuxPXdtdu纳维尔纳维尔斯托克斯方程斯托克斯方程 （NSNS方程方程）第第3章章 流体动力学流体动力学3.5 3.5 理想流体和实际流体的贝努利方程理想流体和实际流体的贝努利方程)55.3(2222222111guPzguPz理想流体的贝努利方程理想流体的贝努利方程)62.3(2222222111whguPzguPz实际流体的贝努利方程实际流体的贝努利方程实际流体总流的贝努利方程实际流体总流的贝努利方程WhvPgzvPgz222222221111第第3章章 流体动力学流体动力学贝努利方程的几何意义、物理意义贝努利方程的几何意义、物理意义guPzH22理想流体的几何意义理想流体的几何意义ghguPzHw22实际流体的几何意义实际流体的几何意义物理意义物理意义22WghuPgzE3.6 3.6 贝努利方程的应用贝努利方程的应用第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失4.1 4.1 流动形态及阻力分类流动形态及阻力分类 1 1、流动形态：层流流动、湍流流动、流动形态：层流流动、湍流流动、2 2、流动状态判别准则、流动状态判别准则雷诺数雷诺数)1.4(Re粘性力惯性力dvdvCC临界雷诺数：圆管、非圆形管、平板临界雷诺数：圆管、非圆形管、平板 3 3、能量损失的两种形式、能量损失的两种形式 沿程阻力和沿程损失、局部阻力和局部损失、总能量损失沿程阻力和沿程损失、局部阻力和局部损失、总能量损失 流体绕过固体流动时的雷诺数流体绕过固体流动时的雷诺数vLRe4.2 4.2 流体在园管中的层流运动流体在园管中的层流运动第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失)7.4()(4220rrlpu速度分布公式速度分布公式最大流速最大流速)8.4(164220maxdlprlpu平均流速平均流速)12.4()11.4(218max20urlpv管中层流流量管中层流流量)10.4(d12840lpQ沿程损失沿程损失22Re6422vdlvdlp第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失)15.4(22gvdlgpphf或边界层概念边界层概念 边界层边界层当流体流过固体表面时，由流体的粘性作用，在表当流体流过固体表面时，由流体的粘性作用，在表面上呈现出具有速度差异（滑差速度）的流体薄层。
面上呈现出具有速度差异（滑差速度）的流体薄层层流起始段层流起始段层流稳定之前的一段层流稳定之前的一段4.3 4.3 园管中的湍流运动园管中的湍流运动1 1、湍流的脉动现象、湍流的脉动现象2 2、速度的时均化原则及时均速度、速度的时均化原则及时均速度3.3.湍流边界层湍流边界层湍流边界层湍流边界层4.4.水力光滑管和水力粗糙管水力光滑管和水力粗糙管 水力光滑管：水力光滑管：，对流动影响小，类似完全光滑管对流动影响小，类似完全光滑管水力粗糙管：水力粗糙管：，对流动影响大，消耗能量对流动影响大，消耗能量第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失第第4章章 流动状态及能量损失流动状态及能量损失5.5.湍流沿程损失的基本关系式湍流沿程损失的基本关系式)26.4(22vdlp)27.4(2:2gvdlhf或)28.4(Re,d图图4.8 4.8 尼古拉茨实验图尼古拉茨实验图区：层流区区：层流区:区：过渡区区：过渡区:区：水力光滑管区：水力光滑管粗糙管的过渡区：粗糙管的过渡区：区：水力光滑管区：区：水力光滑管区：区：水力粗糙管区：区：水力粗糙管区：图图4-9 4-9 莫迪图莫迪图第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念在热量传递过程中，在热量传递过程中，温度及其分布是第一要素，温差是推动力。
温度及其分布是第一要素，温差是推动力稳态传热稳态传热-物体中各点温度不随时间改变的热传递过程物体中各点温度不随时间改变的热传递过程非稳态传热非稳态传热-物体中各点温度随时间改变的热传递过程物体中各点温度随时间改变的热传递过程5.1 5.1 基本概念基本概念1 1、温度场、温度场某一时刻空间所有各点的温度分布某一时刻空间所有各点的温度分布),(tzyxfT 三维非稳态温度场),(,0zyxfTtT稳态温度场2 2、等温面与等温线、等温面与等温线3 3、温度梯度、温度梯度zTkyTjxTigradT第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念4 4 热流量与热流密度热流量与热流密度热流量热流量单位时间内，经由某一给定面积传递的热量，单位时间内，经由某一给定面积传递的热量，W.W.热流密度热流密度qq单位时间内通过单位面积的热量，单位时间内通过单位面积的热量，W/mW/m2 2.5.2 5.2 热量传递方式热量传递方式 5.2.1 5.2.1 导热导热 导热导热物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠物物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。
质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象dxdTAq2 2、傅立叶导热定律、傅立叶导热定律1 1、定义、定义第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念3 3、热导率、热导率热量传输系数热量传输系数ca 热导率热导率5 52 22 2 对流对流 对流换热（对流对流换热（对流+导热）导热）流体和与之接触的表面作相对运动流体和与之接触的表面作相对运动时，在温差作用下进行的热量传输过程时，在温差作用下进行的热量传输过程强制对流自然对流分类1 1、定义、定义2 2、计算公式、计算公式牛顿冷却公式牛顿冷却公式 第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念ThAqAThATThfW或)(5.2.3 5.2.3 热辐射热辐射 1 1、含义及特点、含义及特点 热辐射热辐射物体自身温度（或热运动）的原因而激发产生的电物体自身温度（或热运动）的原因而激发产生的电磁波传播效应投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使磁波传播效应投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使 其温其温度升高辐射换热特点辐射换热特点第第5 5章章 热量传递的基本概念热量传递的基本概念 2 2、斯蒂芬、斯蒂芬波尔茨曼定律波尔茨曼定律 （1 1）黑体在某一温度下的辐射能）黑体在某一温度下的辐射能)14.5(40WTA斯蒂芬斯蒂芬波尔茨曼定律（四次方定律）波尔茨曼定律（四次方定律）./1067.5,4280黑体辐射常数式中KmW（2 2）实际物体的辐射能）实际物体的辐射能)15.5(40WTA式中，式中，实际物体的黑度（或发射率）。
介于实际物体的黑度（或发射率）介于0 01 1之间第第6 6章章 导热导热6.1.1 6.1.1 导热微分方程导热微分方程)2.6(222222cqzTyTxTctTv)(a内能的增量微元体内热源的发热量微元体中微元体的净热量导入与导出当物性参数为常数且无内热源时当物性参数为常数且无内热源时TatT2稳态有内热源)(02eqTv无内热源稳态无内热源稳态)3.6(02222222zTyTxTT第第6 6章章 导热导热 对于对于轴对称问题轴对称问题（圆柱、圆筒或圆球），采用圆柱坐标系（圆柱、圆筒或圆球），采用圆柱坐标系（r,zr,z）或球坐标系（）或球坐标系（r,r,）下的导热微分方程式（）下的导热微分方程式（6.46.4）（6.76.7）实用问题的简化实用问题的简化 无内热源的一维稳态导热：无内热源的一维稳态导热：无内热源的稳态二维导热（直角坐标系）：无内热源的稳态二维导热（直角坐标系）：0:22dxTd直角坐标;01:22drdTrdrTd圆柱坐标.02:22drdTrdrTd球坐标02222yTxT第第6 6章章 导热导热6.1.2 6.1.2 初始条件及边界条件初始条件及边界条件常数00TTt1 1、初始条件、初始条件),(0zyxfTt最简单的初始条件是最简单的初始条件是2 2边界条件边界条件1 1）第一类边界条件）第一类边界条件稳态）常数(WT已知任何时刻边界面上的温度分布，即已知任何时刻边界面上的温度分布，即),(,0tzyxfTtWW边界温度均匀时，上式可简化为边界温度均匀时，上式可简化为非稳态）()(,0tfTtWW第第6 6章章 导热导热（2 2）第二类边界条件）第二类边界条件)t,z,y,x(f0WWnTqtW时稳态导热常数nT)()(0W非稳态导热时，tfnTt给定物体边界上任何时刻的热流密度分布给定物体边界上任何时刻的热流密度分布 Wq如果边界温度均匀时，有如果边界温度均匀时，有第第6 6章章 导热导热（3 3）第三类边界条件）第三类边界条件 已知与边界面直接接触的流体温度已知与边界面直接接触的流体温度T Tf f和边界面与流体之间的对和边界面与流体之间的对流换热系数流换热系数h h)()(WfWTThnT6.2 6.2 一维稳态导热一维稳态导热6.2 6.2 一维稳态导热一维稳态导热6.2.1 6.2.1 平壁的导热平壁的导热1 1 单层平壁单层平壁121TxTTT温度分布)12.6(/212mWTTTq热流密度第第6章章 导热导热2.2.热热 阻阻TRRTzTzT,:总面积热阻.为热阻tR3 3、多层平壁的导热多层平壁的导热)15.6(/233221141mWTTq3343111232:qTTqTTTT求解和度层间分界面上的未知温第第6章章 导热导热6.2.2 6.2.2 圆筒壁的导热圆筒壁的导热 1 1单层圆筒壁的稳态导热单层圆筒壁的稳态导热)19.6(lnln)(121211rrrrTTTT温度分布)21.6(ln21221WrrTTL热流量WddLTT1221ln21或热阻热阻第第6 6章章 导热导热2 2、多层圆筒的稳态导热、多层圆筒的稳态导热)23.6(ln21ln21ln2134323212141WddddddTT6.2.3 6.2.3 球壁的导热球壁的导热CrQT14温度分布)27.6(21TddQ热流密度6.3 6.3 非稳态导热非稳态导热 非稳态导热特征：非稳态导热特征：6.4.1 6.4.1 第三类边界条件下的一维非稳态导热第三类边界条件下的一维非稳态导热周围介质温度为常数周围介质温度为常数 第第6章章 导热导热一、无限大平壁的分析解和诺谟图一、无限大平壁的分析解和诺谟图完整数学描述如下：完整数学描述如下：)(22axTatT导热微分方程)()0,(,00bTxTt初始条件TtxTtx),(),(引用新的变量过余温度)(),(),(,0),(,0,0cTtxThxtxTlxxtxTxt边界条件第第6章章 导热导热 解方程及边界条件得分析解解方程及边界条件得分析解 线算图（诺谟图）线算图（诺谟图）:求任意位置处的126),(图XBifm11.6),(60图BiFofmhBiatFo20无限大平壁中心温度的诺谟图无限大平壁中心温度的诺谟图:任意位置任意时刻任意位置任意时刻 温度温度T T的求解的求解T6.126.1100mm0代入图图mm第第6章章 导热导热物体的累计热量物体的累计热量6.13),(),(29080图FoBiBifBiFfQQhhBiFoBi1:的物理意义、对流换热热阻导热热阻方程组的解归纳为准则关系式的意义：方程组的解归纳为准则关系式的意义：(1)(1)更好地揭示了物理现象的本质；更好地揭示了物理现象的本质；(2)(2)大幅度减少了变量数大幅度减少了变量数 .扰动透过平板的时间（惰性）时间时间atat22响因素的分析。
果，有利于对影有利于表达式求解的结),(0FBihat第第6章章 导热导热6.4.2 6.4.2 第一类边界条件下的一维非稳态导热第一类边界条件下的一维非稳态导热表面温度为常数表面温度为常数 半无限大物体半无限大物体)379(22xTatT)(,00aTTt定值时初始条件边界条件（第一类）边界条件（第一类）)(,0,00bTTxTTxtW处定值处时)43.6()()()42.6()()2(00NerfTTTTNerfatxerfTTTTWWWW或理论解理论解第第6章章 导热导热表面的瞬时热流密度表面的瞬时热流密度q qW W)45.6(/1)(200mWatTTxTqwxw)46.6()(21)(20000mJatTTtdtaTTdtqQwtwtwWWQt时间内的累计热量0 蓄热系数蓄热系数bb综合衡量材料蓄热和导热能力的物理量综合衡量材料蓄热和导热能力的物理量)(212smJbCCa第第7 7章章 对流换热对流换热7.1 7.1 对流换热概述对流换热概述7.1.1 7.1.1 对流换热和牛顿冷却公式对流换热和牛顿冷却公式牛顿冷却公式和换热系数牛顿冷却公式和换热系数换热系数式中或2,)(mWhThAqAThATThWf对流换热的主要任务：对流换热的主要任务：具体表达式求解h第第7 7章章 对流换热对流换热7.1.2 影响对流换热的主要因素影响对流换热的主要因素1.1.流动动力（起因）流动动力（起因）2.2.流动状态流动状态 3.3.换热表面几何尺寸、形状、位置换热表面几何尺寸、形状、位置 4.4.流体的物理性质流体的物理性质.)()(,)()(等、粘度密度、导热系数比热pC物性相互间的联系和制约：主要反映在准则数值的大小上。
物性相互间的联系和制约：主要反映在准则数值的大小上壁面几何形状因素特征尺寸；式中、LLCTTvfhPfW(*)(二、对流换热微分方程对流换热微分方程)3.7(0yyTTh一、影响因素一、影响因素第第7 7章章 对流换热对流换热能量微分方程能量微分方程7.2 7.2 对流换热微分方程组对流换热微分方程组)5.7()(222222jzTyTxTCzTuyTuxTutTzyx对流换热微分方程：（对流换热微分方程：（7.37.3）式）式连续性微分方程：连续性微分方程：（3.273.27）或（）或（7.47.4）式）式 动量微分方程：动量微分方程：(3.47)(3.47)式式能量微分方程：（能量微分方程：（7.57.5）式）式 对流换热微分方程组对流换热微分方程组7.3 7.3 热边界层概念热边界层概念 热边界层热边界层壁面附近形成的温度急剧变化的流体簿壁面附近形成的温度急剧变化的流体簿层层第第7 7章章 对流换热对流换热 层流边界层中层流边界层中,沿沿y y方向的热量传递依靠导热方向的热量传递依靠导热湍流边界层中，沿湍流边界层中，沿y y方向的热量传递依靠流体微团的脉动引起方向的热量传递依靠流体微团的脉动引起的混合作用。
的混合作用pcaPr普朗特数普朗特数;,1PrTa;,1PrTa.,1PrTa第第7 7章章 对流换热对流换热7.4 7.4 相似理论基础相似理论基础 相似准数相似准数(similarity eriterion)(similarity eriterion)：由确定物：由确定物 理现象的物理理现象的物理量组成的反映现象物理相似的数量特征量组成的反映现象物理相似的数量特征 的无量纲数群的无量纲数群在相似现象中，相应的相似准数数值相同，而且描在相似现象中，相应的相似准数数值相同，而且描 述相似现述相似现象的准数关系式也相同因此如果把模拟结象的准数关系式也相同因此如果把模拟结 果整理成准数关系式，果整理成准数关系式，那么得到的准数关系式就可推广到其他与之相似的现象上去那么得到的准数关系式就可推广到其他与之相似的现象上去由相似准数可以得由相似准数可以得 出模型定律，作为设计物理模拟模型的依出模型定律，作为设计物理模拟模型的依据在确定相似准据在确定相似准 数的方法中，常用的主要有方程分析法、量纲数的方法中，常用的主要有方程分析法、量纲分析法和分析法和 定律分析法定律分析法3 3种方程分析法的根据是相似现象的物种。
方程分析法的根据是相似现象的物 理理方程相同，由分析描述现象的方程得出相似准数方程相同，由分析描述现象的方程得出相似准数第第7 7章章 对流换热对流换热 （3 3）按照规定选取特征尺寸（准则数）按照规定选取特征尺寸（准则数NuNu、ReRe和和GrGr中的几何尺寸中的几何尺寸称为特征尺寸）称为特征尺寸）4 4）按规定选用特征流速）按规定选用特征流速(强迫对流换热准则数关系式中计算强迫对流换热准则数关系式中计算雷诺数雷诺数ReRe所选用的流速称为特征流速所选用的流速称为特征流速)特征温度、特征尺寸和特征流速常称为对流换热的三大特征量特征温度、特征尺寸和特征流速常称为对流换热的三大特征量5 5）正确选用各种修正系数正确选用各种修正系数2 2）按规定选取特征温度）按规定选取特征温度Tc(Tc(查取流体物性参数的温度称为特查取流体物性参数的温度称为特征温度征温度)1 1）根据对流换热的类型和有关参数的范围选择所需要的准）根据对流换热的类型和有关参数的范围选择所需要的准则数方程，不能弄错则数方程，不能弄错对流换热准则数方程的正确使用对流换热准则数方程的正确使用第第7 7章章 对流换热对流换热7.6 7.6 自然对流的换热计算自然对流的换热计算自然对流时的温度分布和速度分布自然对流时的温度分布和速度分布二、计算对流换热系数的准则方程二、计算对流换热系数的准则方程)20.7(Pr)(nmmGrCNu)(mmhlNu简化计算公式简化计算公式 ：)22.7()/(nlTAh一个大气压、一个大气压、T TCPCP=50=50左右，空气与表面换热时，有左右，空气与表面换热时，有)23.7(/)/(34.124/1）（KmWlTh一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展第第7 7章章 对流换热对流换热7.7 7.7 强制对流的换热计算强制对流的换热计算 7.7.1 7.7.1 外掠平板外掠平板)24.7(PrRe664.0:)105(Re315.05Nu层流区)25.7(Pr)871Re037.0(:)10Re105(318.075Nu湍流区 7.2.2 7.2.2 横掠圆柱横掠圆柱)27.7(RencNu 31PrRenCNu或冲击角影响及其修正冲击角影响及其修正)28.7(090hh第第7 7章章 对流换热对流换热7.7.3 7.7.3 绕流球体绕流球体)29.7(Re37.06.0mmNu 空气)30.7(PrRe6.00.23121mmmNu液体7.7.47.7.4 管内流动管内流动 湍流换热实验准则式：湍流换热实验准则式：)31.7(PrRe023.04.08.0fffNu定性温度定性温度2)(fffTTT考虑不均匀物性的影响时，可选用以下实验准则式考虑不均匀物性的影响时，可选用以下实验准则式)32.7()(PrRe027.014.0318.0WffffNu)33.7()PrPr(PrRe021.025.043.08.0WffffNu第第7 7章章 对流换热对流换热几点讨论：几点讨论：（1 1）非圆形管）非圆形管定型尺寸采用当量直径定型尺寸采用当量直径（2 2）入口段修正）入口段修正（3 3）弯管修正系数）弯管修正系数（4 4）管内层流换热）管内层流换热)39.7(PrRe86.114.031WffffldNu2 2）换热计算公式）换热计算公式1 1）附加自然对流的影响）附加自然对流的影响第第8 8章章 辐射换热辐射换热8.1 8.1 热辐射基础热辐射基础8.1.1 8.1.1 热辐射的本质及特点热辐射的本质及特点 热辐射热辐射物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传物体自身温度或热运动的原因而激发产生的电磁波传播效应。
投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使其温度升高播效应投射到物体上，为物体吸收转变为内能，使其温度升高.特点：特点：1 1、2 2、3 38.1.2 8.1.2 热辐射的基本概念及基本定律热辐射的基本概念及基本定律本质本质1 1、绝对黑体的概念、绝对黑体的概念)1.8(QQQQa第第8章章 辐射换热辐射换热穿透率反射率吸收率式中QQQQQQa“透明体”全透射，；“白体”全反射，“黑体”；全吸收，010101.1,0:1,0:体积辐射气体表面辐射固体和液体实际物体第第8 8章章 辐射换热辐射换热黑体模型黑体模型:黑体模型黑体模型物体向外辐射的能量是按波长和空间分布的物体向外辐射的能量是按波长和空间分布的辐射力辐射力E W/mE W/m2 2单色辐射力单色辐射力2/mWE第第8 8章章 辐射换热辐射换热2、普朗克定律普朗克定律 E Ebb=f(,T)=f(,T)的具体表达形式的具体表达形式)4.8(/13512mWeCETCb维恩定律维恩定律)5.8(109.2108976.233maxKmT3 3、斯蒂芬、斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律 240/100mWTCEb第第8 8章章 辐射换热辐射换热灰体定义灰体定义4 4、灰体及其辐射力、灰体及其辐射力(8.8)12211 定值nbnbbEEEEEE 根据灰体的定义，有根据灰体的定义，有。
bbEEEE灰体的单色黑度定义nbnEE第第8 8章章 辐射换热辐射换热5 5、基尔霍夫定律及实际物体的吸收比、基尔霍夫定律及实际物体的吸收比)11.8(11 基尔霍夫定律基尔霍夫定律热平衡条件下任意物体对黑体辐射能的吸热平衡条件下任意物体对黑体辐射能的吸收比等于同温度下该物体的黑度收比等于同温度下该物体的黑度对于灰体，有对于灰体，有定值8.2 8.2 热辐射的工程应用热辐射的工程应用8.2.1 8.2.1 辐射率的工程处理方法辐射率的工程处理方法44100TCTEEbbb式中，式中，为实际物体的发射率（黑度），可通过实验确定为实际物体的发射率（黑度），可通过实验确定bEE第第8 8章章 辐射换热辐射换热 常用材料的表面发射率常用材料的表面发射率可查相关图表影响可查相关图表影响的因素：物体的因素：物体的种类、表面温度和表面状况的种类、表面温度和表面状况8.2.2 8.2.2 两物体之间的辐射换热两物体之间的辐射换热1 1、角系数、角系数 物体尺寸、形状及相互位置等表面几何因素对辐射换热的物体尺寸、形状及相互位置等表面几何因素对辐射换热的影响可用角系数来表示影响可用角系数来表示)12.8(1122,1QQ)13.8(2211,2QQ 角系数定义角系数定义有两个任意放置的物体表面，表面有两个任意放置的物体表面，表面1 1发出的辐发出的辐射能中落到表面射能中落到表面2 2上的能量所占的百分数称为表面上的能量所占的百分数称为表面1 1对表面对表面2 2的角系的角系数，记为数，记为1,21,2.同理同理第第8 8章章 辐射换热辐射换热（2 2）两个很大的同轴圆柱表面（长轴在井式炉内加热）两个很大的同轴圆柱表面（长轴在井式炉内加热）121221,1AA（3 3）一个平面和一个曲面（平板在马弗炉内加热）一个平面和一个曲面（平板在马弗炉内加热）121221,1AA由两个表面组成的封闭系统由两个表面组成的封闭系统 常见封闭体系的角系数常见封闭体系的角系数（1 1）两个相距很近的平行大平面）两个相距很近的平行大平面1,11221第第8 8章章 辐射换热辐射换热2 2、封闭体系内两个大平板的辐射换热、封闭体系内两个大平板的辐射换热)15.8()(100100424112WATTCQb(1)(1)黑表面黑表面(2)(2)灰表面灰表面)61.8(100100424112WATTCQ导)71.8()/(11114221KmWCCCCb导)81.8()/(11114221KmWC导式中式中第第8章章 辐射换热辐射换热（3 3）封闭体系内任意辐射交换的计算公式封闭体系内任意辐射交换的计算公式)19.8()(100100212424112WATTCQ导)21.8(11111C212121b导也可以写成C补充：包壁（1）与内包非凹小物体（2）)19.8()(100100C24241b212WATTQ第第8 8章章 辐射换热辐射换热8.2.5 8.2.5 气体与固体的辐射换热气体与固体的辐射换热1 1、气体辐射与吸收特点、气体辐射与吸收特点2 2、气体的辐射力和黑度、气体的辐射力和黑度)29.8(/10024mWTCEgbgg辐射力辐射力气体的单色吸收率可表示为气体的单色吸收率可表示为),()(SpTf.Sp T射线行程气体分压；气体温度；式中A)/3.6V(S第第8 8章章 辐射换热辐射换热3 3、火焰辐射、火焰辐射（1 1）暗焰）暗焰（2 2）辉焰）辉焰4 4、气体与固体壁面之间的辐射换热、气体与固体壁面之间的辐射换热)32.8(10010011144WgWgbTTACQ8.3 8.3 综合传热综合传热 综合传热综合传热两种或三种基本热量传递方式同时起作用。
两种或三种基本热量传递方式同时起作用第第8 8章章 辐射换热辐射换热8.3.1 8.3.1 对流和辐射同时存在的传热对流和辐射同时存在的传热A100100CA)TThQ424121TTQQ导对辐对（)43.8(A)TThA)TT()A(100100CA)TTh21212121424121（）（辐对导对hhTTTTTT8.3.2 8.3.2 炉墙的综合传热炉墙的综合传热)83.8()/(112210mWhhTTq第第8章章 辐射换热辐射换热)40.8()/(1220mWhTTq或第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 质量传输质量传输物质从空间或物体的某一部分转移到另一部分的物质从空间或物体的某一部分转移到另一部分的现象现象9.1.1 9.1.1 扩散传质扩散传质9.1.2 9.1.2 对流传质对流传质 流动体系中，由流体质点的宏观运动而引起的物质传递过程流动体系中，由流体质点的宏观运动而引起的物质传递过程其机制与对流换热类似其机制与对流换热类似9.1.3 9.1.3 相间传质相间传质 传质过程涉及到两相或多相的相际之间的传质与综合传热传质过程涉及到两相或多相的相际之间的传质与综合传热类似。
类似由于浓度差存在，依靠分子运动引起的质量传输其机理类由于浓度差存在，依靠分子运动引起的质量传输其机理类似于热传导过程似于热传导过程多相反应：气多相反应：气固、气固、气液、固液、固液等液等第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念9.2.1 9.2.1 浓度浓度1 1、质量浓度、质量浓度2 2、质量分数、质量分数3 3、量浓度、量浓度)5.9(/3mmolMciii)3.9(%1iniiiimmw)1.9()/(3mkgVmii第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念4 4、摩尔分数、摩尔分数)7.9(1ccccxiniiii5 5、气体、气体ppRTPRTpccxiiii/第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念质量分数与摩尔分数的关系：质量分数与摩尔分数的关系：niiiiiiiMxMxw1同理同理)11.9(/1niiiiiiMwMwx第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念9.2.2 9.2.2 速度速度1 1、以静止坐标为参考基准、以静止坐标为参考基准)12.9()/(11smvvniiinii)13.9()/(11smolcvcvniiiniiM或第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 2 2、以平均速度为参考基准、以平均速度为参考基准)15.9(mol/s)vi)14.9(m/s)viM的扩散速度（相对于组元的扩散速度（相对于组元Miivvvv9.2.3 9.2.3 传质通量传质通量通量密度通量密度=速度速度浓度浓度1 1、相对于静止坐标系的质量通量和摩尔通量、相对于静止坐标系的质量通量和摩尔通量)16.9()/(2smkgvniii质量通量)17.9()/(2smmolvcNiii摩尔通量第第9 9章章 质量传输基本概念质量传输基本概念 2 2、相对于质量平均速度的质量通量和相对于摩尔平均速度的、相对于质量平均速度的质量通量和相对于摩尔平均速度的摩尔通量为摩尔通量为:)18.9()/()(2smkgvvjiii质量通量)19.9()/()(2smmolvvcJMiii摩尔通量 双组分混合物中，浓度、速度以及质量通量的表达及其相互关双组分混合物中，浓度、速度以及质量通量的表达及其相互关系式系式表表9.19.1第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程1、以、以质量浓度表示质量浓度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程)13.10()()(2AAABAADvDtD2、以物质的、以物质的摩尔浓度表示摩尔浓度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程)14.10()()(2AAABAARcDvcDtDc3、以、以质量通量密度表示质量通量密度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程）见表式中9.1()15.10(0vjnrnDtDAAAAAA4、用、用摩尔通量密度表示摩尔通量密度表示的组分的组分A的质量传输微分方程的质量传输微分方程)16.10(0AAARNDtDc第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程质量传输微分方程的几种简化形式质量传输微分方程的几种简化形式1、均质不可压缩流体（、均质不可压缩流体（=常数）常数）)17.10(0AArDtD 2、均质不可压缩流体没有化学反应的稳定态传质（、均质不可压缩流体没有化学反应的稳定态传质（v=常数，常数，rA=rB=0）)18.10(2AABADv)19.10(2AABAcDcv第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程 3 3、总体流动可忽略不计及不可压缩流体没有化学反应的非稳、总体流动可忽略不计及不可压缩流体没有化学反应的非稳态传质（态传质（v=0,rv=0,rA A=r=rB B=0=0）)20.10(2AABADt)21.10(2AABAcDtc费克第二定律；费克第二定律；（2 2）费克第二定律与导热的傅里叶定律在形式上完全一致，）费克第二定律与导热的傅里叶定律在形式上完全一致，其在其在 各各坐标系中的表达式见表坐标系中的表达式见表10.1.10.1.（1 1）费克第二定律费克第二定律适用于固体、静止液体或气体组成的等摩适用于固体、静止液体或气体组成的等摩尔逆尔逆 向向扩散体系；扩散体系；第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程10.4 10.4 定解条件定解条件10.4.1 10.4.1 初始条件初始条件),(,0zyxcctAA简单情况简单情况 t=0,ct=0,cA0A0=常数常数10.4.2 10.4.2 边界条件边界条件1 1、规定了边界上的浓度值、规定了边界上的浓度值2 2、规定边界上的通量、规定边界上的通量3 3、规定边界上的对流传质系数、规定边界上的对流传质系数k kc c及组分及组分A A的浓度的浓度对流传质时，边界上的摩尔通量为对流传质时，边界上的摩尔通量为:已给定已给定)22.10()(AfAlcAlcckN第第1010章章 质量传输微分方程质量传输微分方程4 4、规定化学反应的速率、规定化学反应的速率。
的浓度为表面处组分是一级反应速率常数；其中，AckckNAlAlAl11第第11 11章章 扩散传质扩散传质11.111.1一维稳态分子扩散一维稳态分子扩散 研究目的研究目的:找出内部找出内部浓度分布浓度分布规律，以及通过分子扩散方式所规律，以及通过分子扩散方式所传递的传递的质量通量质量通量研究内容研究内容:在不流动或停滞介质以及固体中以分子扩散方式进在不流动或停滞介质以及固体中以分子扩散方式进行的质量传递过程行的质量传递过程11.1.1 11.1.1 等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散BANN 0ANdzd第第11 11章章 扩散传质扩散传质022dzcdA边界条件边界条件21:0AAAACClzCCz)3.11(112AAAAczLccc其解为其解为微分方程微分方程 等摩尔逆向扩散浓度分布等摩尔逆向扩散浓度分布)7.11()()(2121AAABAAABAxxLcDccLDN传质通量传质通量)8.11()(21AAABAppRTLDN或或 等摩尔逆向扩散质量传递与一维稳态导热相类似等摩尔逆向扩散质量传递与一维稳态导热相类似(见表见表11.111.1）第第11 11章章 扩散传质扩散传质 11.1.2 11.1.2 通过静止气膜的单相扩散通过静止气膜的单相扩散液体表面的蒸发液体表面的蒸发)9.11(00,dzdNdzdNzBzA同理第第11 11章章 扩散传质扩散传质 浓度分布方程为浓度分布方程为)14.11()11(11!21121zzzzAAAAxxxx)15.11()(!21121zzzzBBBBxxxx或或单向扩散浓度分布单向扩散浓度分布组分物质的摩尔浓度是组分物质的摩尔浓度是 按指数规律变化按指数规律变化第第11 11章章 扩散传质扩散传质质量通量质量通量N NAZAZ：121211lnAAABAzxxzzcDN1212ln)(AAABAzppppzzRTpDN或或第第11 11章章 扩散传质扩散传质11.1.3 11.1.3 气体通过金属膜的扩散气体通过金属膜的扩散气体氢通过一金属膜的扩散气体氢通过一金属膜的扩散)20.11()(21,ppKDNpABzA扩散通量扩散通量)()exp(.bRTQApp常数。
渗透活化能；式中AQp)(.2.1,appNzA或或为渗透率pKDPpAB式中，式中，第第11 11章章 扩散传质扩散传质11.2 11.2 非稳定态分子扩散非稳定态分子扩散 11.2.1 11.2.1 忽略表面阻力的半无限大介质中的非稳定态分子扩忽略表面阻力的半无限大介质中的非稳定态分子扩散散22xcDtcAABA初始条件初始条件 t=0，对所有，对所有z值：值：cAcA0边界条件边界条件 t0，x=0：cAcAw x=：cAcA0 微分方程微分方程钢的表面渗碳钢的表面渗碳)26.11(20tDxerfccccABAAwAAw浓度分布浓度分布tDccdxdcABAAwxA00第第11 11章章 扩散传质扩散传质11.3 11.3 影响扩散的因素影响扩散的因素11.3.1 11.3.1 气相扩散系数气相扩散系数11.3.2 11.3.2 液相扩散系数液相扩散系数11.3.3 11.3.3 固体扩散系数固体扩散系数 1 1、温度的影响、温度的影响2 2、固溶体类型、固溶体类型3 3、晶体结构、晶体结构4 4、浓度、浓度5 5、合金元素、合金元素6 6、晶界扩散、表面扩散和位错扩散、晶界扩散、表面扩散和位错扩散第第1212章章 对流传质对流传质12.1 对流传质的基本概念对流传质的基本概念 对流传质对流传质运动流体与固体壁面之间，或不互溶的两种运动运动流体与固体壁面之间，或不互溶的两种运动流体之间发生的质量传递过程。
流体之间发生的质量传递过程12.1.1 对流传质系数对流传质系数对流传质通量密度对流传质通量密度)1.12(AcAckNkckc以以ccA A为基准的对流传质系数（为基准的对流传质系数（m ms s）)3.12(0zAAABcdzdccDk对流传质微分方程对流传质微分方程 12.1.2 表示传质特性的相似准数表示传质特性的相似准数)4.12(ABABDDSc)5.12(ABpABDcDaLe施密特数施密特数路易斯数路易斯数第第1212章章 对流传质对流传质12.2 传质系数模型传质系数模型12.2.1 薄膜理论薄膜理论 薄膜理论薄膜理论对流传质的阻力主要存在于界面上所形成的对流传质的阻力主要存在于界面上所形成的流体薄流体薄膜内膜内等效边界层等效边界层,/ABcDk 12.2.2 12.2.2 渗透理论渗透理论 渗透理论渗透理论两相间的传质是靠流体的体积元短暂地、重复地与两相间的传质是靠流体的体积元短暂地、重复地与界面有接触而实现的界面有接触而实现的/2eABctDkt te e体积元与界面接触的平均寿命（时间）体积元与界面接触的平均寿命（时间）12.2.3 表面更新理论表面更新理论 表面更新理论认为：每个体积元与表面接触的时间在零到无表面更新理论认为：每个体积元与表面接触的时间在零到无穷大之间变动。
穷大之间变动第第1212章章 对流传质对流传质,sDkABcSS表面更新率，试验测定的常数表面更新率，试验测定的常数实际传质时，实际传质时，15.0ck 12.3 圆管内的层流对流传质圆管内的层流对流传质 14.031Re86.1wffffldScSh在在r=ri处，处，cA常量，有：常量，有：Sh=3.66 (12.19)在在r=ri处，处，NA常量，有：常量，有：）（18.1236.4ABcDdkSh第第1212章章 对流传质对流传质12.4 动量、热量和质量传输的类比动量、热量和质量传输的类比 12.4.1 湍流传输的类似性湍流传输的类似性见表见表12.1 12.4.2 三种传输的类比三种传输的类比1、雷诺类比、雷诺类比 雷诺类比假设湍流边界层是由单一高度湍动的区域构成雷诺类比假设湍流边界层是由单一高度湍动的区域构成12.26)2fcDckStvSc=1时，时，式中，式中，称为斯坦顿数称为斯坦顿数DS t 在热量传输中，当在热量传输中，当Pr=1时，类似可以推导出时，类似可以推导出)23.12(2StCvchfp式中，式中，St斯坦顿数斯坦顿数第第1212章章 对流传质对流传质2、普朗特类比、普朗特类比假设湍流流动是由层流底层与湍流核心区组成假设湍流流动是由层流底层与湍流核心区组成)27.12(12/512/）（ScCCvkffc 3、卡门类比、卡门类比 湍流流动是由层流底层、过渡层和湍流核心区组成湍流流动是由层流底层、过渡层和湍流核心区组成)29.12(6/51ln12/512/）（ScScCCvkffc）（）（）（或.30216/51ln12/51Re2/ScScCScCShffL第第1212章章 对流传质对流传质4、奇尔顿科尔伯思类比奇尔顿科尔伯思类比3/22/ScCvkfc)31.12(23/2fcDCScvkj或或 式中，式中，jD 传质的传质的j因子因子.适用条件：气体或液体适用条件：气体或液体 0.6Sc2500 第第1212章章 对流传质对流传质完整的奇尔顿一科尔伯思类比关系式为：完整的奇尔顿一科尔伯思类比关系式为：)32.12(2fDHCjj式中，式中，jH 传热传热 j 因子因子3232PrPrpHcvhStj适用条件：平板流动适用条件：平板流动 或其它没有形状阻力存在的几何形体或其它没有形状阻力存在的几何形体 对有形状阻力的体系：对有形状阻力的体系：2fDHCjj)33.12(Pr3232）（）（Scvkcvhcp或或适用条件：适用条件：0.6Sc2500；0.6Pr100。
第第1212章章 对流传质对流传质12.5 对流传质系数的实验关联式对流传质系数的实验关联式12.5.1 平板和球的传质平板和球的传质(12.34)(Re664.03121层流ScShLL(12.35)(Re036.0318.0湍流ScShLL(12.37)(Re664.021层流Dj(12.38)(Re036.02.0湍流LDj以上各式的应用条件是以上各式的应用条件是0.6Sc2500.或或第第1313章章 相间传质相间传质 相间传质相间传质物质由某一相穿过界面向另一相内传递，传质物质由某一相穿过界面向另一相内传递，传质发生在互相接触的两相之间发生在互相接触的两相之间气气液、液液、液液、气液、气固固常见相间传质实例：常见相间传质实例：13.1 13.1 相间阻力传质理论（双膜理论）相间阻力传质理论（双膜理论）（1 1）两相接触时（以气）两相接触时（以气-液相为例），在两相间的界面二侧，各自液相为例），在两相间的界面二侧，各自 形成有效浓度边界层形成有效浓度边界层(薄膜），如下图示薄膜），如下图示图图13.1 互相接触的两相之间的浓度分布互相接触的两相之间的浓度分布第第1313章章 相间传质相间传质（2 2）相间传质包括三个步骤：首先是某组分从一个相的内部）相间传质包括三个步骤：首先是某组分从一个相的内部向界向界 面上传输，然后是穿过界面向第二相传输，最后向第二相面上传输，然后是穿过界面向第二相传输，最后向第二相内内 部传输。
部传输3)3)在界面处的二相，处于稳定的平衡状态，传质过程的阻力只在界面处的二相，处于稳定的平衡状态，传质过程的阻力只 存在于薄膜内存在于薄膜内传质过程的传质过程的控制环节控制环节（速度最慢，即阻力最大的环节）（速度最慢，即阻力最大的环节）(1)(1)物质迁移的快慢物质迁移的快慢所控制所控制(2)(2)界面化学反应速度界面化学反应速度所控制所控制第第1313章章 相间传质相间传质mkkLG、以及、11LGKK、由（由（13.1013.10）和（）和（13.1113.11）两式可以看出，）两式可以看出，影响总传质系数影响总传质系数 的因素有：的因素有：)10.13(11LGGkmkK)11.13(111LGLkmkK或或影响影响相间传质的相间传质的因素因素 GK基于分压驱动力的总传质系数基于分压驱动力的总传质系数LK基于基体浓度驱动力的总传质系数基于基体浓度驱动力的总传质系数Lk液相对流传质系数液相对流传质系数Gk式中式中 气相对流传质系数；气相对流传质系数；第第1313章章 相间传质相间传质13.2 13.2 气相气相液相反应中的扩散液相反应中的扩散金属液中的吸气与排气过程：金属液中的吸气与排气过程：（1 1）气相中的传质；）气相中的传质；（2 2）液相中的传质；）液相中的传质；（3 3）界面化学反应；）界面化学反应；（4 4）新相（气泡）生成。
新相（气泡）生成1 1、液膜控制总速率、液膜控制总速率图图13.3 液膜控制总速率液膜控制总速率第第1313章章 相间传质相间传质 2 2、气膜控制总速率、气膜控制总速率图图13.3 气膜控制总速率气膜控制总速率3 3、界面化学反应控制总速率、界面化学反应控制总速率图图13.3 界面化学反应控制总速率界面化学反应控制总速率第第1313章章 相间传质相间传质4 4、扩散控制总速率、扩散控制总速率图图13.3 扩散控制总速率扩散控制总速率5 5、混合控制速率、混合控制速率 图图13.3 混合控制速率混合控制速率第第1313章章 相间传质相间传质 一般铁水或钢水吸气，用薄膜理论，即一般铁水或钢水吸气，用薄膜理论，即)18.13()(ccDji 对有搅拌作用（中频炉熔炼），用渗透理论对有搅拌作用（中频炉熔炼），用渗透理论,即即)19.13()(2cctDji第第1313章章 相间传质相间传质 未反应核模型未反应核模型假定化学反应发生在未反应核和反应产物层假定化学反应发生在未反应核和反应产物层的分界面（没有厚度）上，同时要考虑气相边界层的传质过程的分界面（没有厚度）上，同时要考虑气相边界层的传质过程。
13.3 13.3 气相气相固相反应中的扩散固相反应中的扩散固体碳与氧分子间燃烧反应过程包括：固体碳与氧分子间燃烧反应过程包括：气相内部的对流流动传质气相内部的对流流动传质 界面上进。