第3章凝固过程的传热、传质汇编.ppt

第三章 凝固过程的传热、传质与液体流动 大家知道，在金属的热态成形过程中，常常伴随着金属液的流 动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转 移现象，这些就是我们经常说到的“三传”现象，即动量传输、热量 传输和质量传输现象。 对于物质的凝固过程也不例外。只有正确理解和深入研究物质凝 固过程中的传输现象，才能有助于建立正确的凝固过程理论模型， 并对凝固过程的控制方法提出指导性意见。 凝固过程的传热 凝固过程中的传质 凝固过程的液体流动 第一节、凝固过程的传热 一、热量传输的基本知识 1、热量传输的基本方式 热量传输有三种基本方式：传导、对流、辐射。 传导：热量依靠物体中微观粒子（分子、原子或者自由电子）的热运动从物体中温度较高的部位向温度较低的部位传输、或者从温度较高的物体传输到与之相接触的温度较低的物体的过程称为传导传热。 对流：流体内各部分之间发生相对位移或者流体流过一固体表面时，而引起的热量传输称之为对流。 辐射：物体通过电磁波来传输热量的方式称为辐射传热。辐射传热时不需要物体的相互接触，也不需要介质，它是一种非接触传递能量的方式，即使在真空中，热辐射也可以同样进行。 2、温度场、等温面和温度梯度 温度场：在传热体系内，温度T在空间和时间上的分布情况，就叫做该体系的温度场，写成函数关系，就是， 等温面/等温线：在同一时刻，温度场中由温度相同的各点所组成的面或线称为等温面或等温线。 温度梯度：在温度场中，单位长度上最大的温度变化率是在等温面的法线方向上，所以把温度场中任意一点的温度沿着等温面（线）法线方向的增加率称为该点的温度梯度， 3、热流量、热通量、传热系数和热阻 热流量：单位时间通过某空间截面的热量称为热流量，记作Q。 热通量或者叫热流密度：单位时间通过单位面积传输的热量称为热通量或者叫热流密度，也可叫做传热速率，记作q。 热阻：在稳定传热时，不论传热的方式是哪一种，热流密度总是与物体高温处和低温处的温度差成正比，那么传热方程可以写为， 我们把RT叫做总热阻 。 4、热传导的基本规律 固体中的热传导是金属热态成型过程中要涉及的传热问题的一个重要方面，有许 多应用实例，如凝固过程中铸型和铸件（或铸锭）的温度场变化。 研究固体内的热传导过程，主要是在给定的边界条件下，对导热微分方程求解得 到固体中的温度场，并求得热流密度或者热量通量。 傅立叶热传导定律 傅立叶第一定律： 或 傅立叶第二定律： 当导热体内无内热源且稳定导热时，上式可简化为， 上式是无内热源的三维稳定导热微分方程，又叫做拉普拉斯方程，是研究稳定导 热最基本的方程。 5、对流换热的基本规律 对流换热是指相对于固体表面流动的流体与固体表面间的热量传输，对流换热 时，除了随同流体一起流动的热量传输外，还存在传导方式的热交换，因此对流换 热是流体流动和传导热量联合作用的结果。 对流换热除了有自然对流和强制对流换热的差别外，还可以分为内部流动换热和 外部流动换热。此外，根据流动形态还可以分为层流换热和紊流换热两种。不同的 换热情况都会使对流换热的速率出现很大的差别。 对流换热的牛顿冷却公式： 对流换热一般采用牛顿冷却公式计算， 或 式中，Ts，Tf分别为壁面温度和流体温度。F是换热面积。h是对流换热系数， 是把众多影响因素综合在一起的系数，标志着换热程度的强热。Q是热流量，q是 热通量。 对流换热的基本方程—热量平衡方程（傅立叶-克希霍夫导热微分方程）： 为了揭示对流换热时流体的流动与流体内部温度场的关系，人们推导了对流换热 的基本方程，热量平衡方程。 方程推导前提条件：假定流体为不可压缩的牛顿流体；流体物性参数λ，ρ，cp 为常数，不随温度和压力发生变化；流体中无内热源；流体流速不高。根据能量守 恒定律，得到， 式中，v是流体流速。 该方程叫做热量平衡方程，也叫做傅立叶-克希霍夫导热微分方程，它既适于对 流的传热，也适用于传导的稳定和不稳定传热。 对于没有流动的纯固体导热，上式就变为， 这就是傅立叶第二定律。 原则上说，换热微分方程、热量平衡方程、动量平衡方程、质