1氣體力學解析

Chap1流體力學基礎basisoffluidmechanics

§1-1氣體力學基礎basisofgasdynamics

導入窯爐內(nèi)供氧氣——風機廢氣排出——煙囪、噴射器氣體力學1窯內(nèi)氣體的特征（1）壓強變更范圍??；窯爐內(nèi)：(101325200)Pa(10.002)atm管道內(nèi)、燒嘴內(nèi)：(10132520000)Pa(10.2)atm（2）溫度變更范圍大；(?)（3）窯內(nèi)熱氣體受窯外冷氣體浮力影響大。在高溫窯爐中，氣體的組成、溫度和壓力的變更，氣體的密度是漸變的。若截取某一有限單元體，如水平爐膛、垂直通道、局部孔口等作為探討對象，實行分段處理的方法，在每個等溫段中，等溫、等壓，=const，所以可視為不行壓縮氣體。等溫段分段處理法均質氣體χi—混合氣體中各種氣體的體積百分比,%；ρi—氣體或液體混合物中各組分的密度，㎏／m3；混合氣體密度志向氣體膨脹系數(shù):標態(tài):（1/K）膨脹性志向氣體的壓縮系數(shù)：標態(tài)：（m2/N）或（1/Pa）壓縮性黏滯性動力黏度μN.s/m2Pa.sP1P=0.1Pa.s運動黏度νm2/sStcSt1m2/s=104St=106cSt水的粘度與溫度的關系式：氣體的粘度與溫度的關系式：[Pa·s][Pa·s]μ0——273K時氣體的黏度，空氣μ0=1.720×10-5Pa·s；煙氣μ0=1.587×10-5Pa·sC——與氣體的種類有關的常數(shù)，空氣C=122，煙氣C=173。tt相對粘度的測定我國常接受恩氏粘度：200ml試液，在測定溫度下，從恩氏粘度計流出所須要的時間t(s)與同體積的蒸餾水在20℃時，從恩氏粘度計流出所須要的時間t0(s)的比值。恩氏粘度與運動粘度的關系：

（m2/s）氣體浮力設：一物體，體積為V放在一流體中，則：G(重力)F(浮力)?浮力：F=V·流體·g重力：G=V·物體·g(1)假設流體（液體）在空氣中（1m3）則：G=9810NF=11.77NG?F，所以液體在空氣中的浮力可忽視不計?！嗨偸怯筛咛幭虻吞幜魈?。(2)假設是熱空氣（1m3）在冷空氣中：則：G=5.89NF=11.77NG<F，即浮力大于重力。凈浮力=浮力(F)–重力(G)=5.88N>0∴熱煙氣在沒有機械能加入的狀況下，將會在凈浮力的作用下，由下向上自動流淌。標準狀態(tài)：0°C，1atm（1atm=101325pa）令：標態(tài)參數(shù)：poToVo0vo確定狀態(tài)：pTVv則依據(jù)志向氣體狀態(tài)方程，得：硅酸鹽窯爐中通常認為其壓強近似等于外界標準大氣壓，即：pt=p。所以：2氣體力學基本方程式(1)志向氣體狀態(tài)方程(2)質量守恒——連續(xù)性方程(3)能量守恒——伯努利方程志向氣體：t≮-20℃；p≯200atm窯爐內(nèi)氣體經(jīng)過等溫處理后，可視為志向氣體，適用于志向氣體狀態(tài)方程式。2.1志向氣體狀態(tài)方程式中：T----熱力學溫度，KR----通用氣體常數(shù)，R=8.3143J/(mol.K)n----氣體的摩爾數(shù)，molp----壓強，N/m2或Pa(確定壓強)V----體積，m3m----氣體的質量，kgM----氣體的摩爾質量，kg/mol＊恒溫條件下：

T=常數(shù)pV=常數(shù)，p/ρ=常數(shù)

p1/p2=V2/V1=ρ1/ρ2＊恒壓條件下：

p=常數(shù)V/T=常數(shù)，ρT=常數(shù)，Vt/V0=Tt/T0，ρt/ρo=To/Tt

空氣經(jīng)過加熱后體積明顯增加，密度明顯下降，因此在窯爐的熱工計算中，不能忽視氣體體積和氣體密度隨溫度的變更。2.2質量守恒原理——連續(xù)性方程設：氣體在截面變更的管道內(nèi)作穩(wěn)定而連續(xù)的流淌，氣體由截面1-1流向截面2-2；并假設管道無分支、無匯合，無加入、無泄漏。質量流量恒定：[Kg/s][m3/s]在一個等溫段中，=const：體積流量Q:[m/s]流速w:2.3能量守恒原理——伯努利方程（1）實際氣體伯努利方程：等溫段中，const（該段氣體平均溫度下的密度）實際氣體有粘性，流淌過程中有能量損失。（2）適用于兩氣體的伯努利方程：適合于冷熱兩種氣體同時存在，反映它們之間相互作用的伯努利方程式。因熱氣體的m

<a

,換基準面在煙囪頂部。？？w2,p2w1,p1Z1Z2基準面公式中各項壓頭的物理意義壓頭——表示單位體積的氣體所具有的能量；單位：[J/m3]，[Pa]對于爐內(nèi)熱氣體在流淌過程中，雖然同樣具有這三種能量，但由于四周大氣對其流淌的影響，這三種能量只能用相對值來表示。hge1+hs1+hk1=hge2+hs2+hk2+∑hL.(1-2)

則：hge+hs+hk+∑hL.(1-2)=0幾何壓頭事實上即凈浮力位能：(F-P)·Ht煙hge(a-)熱煙氣ρa

ta1）幾何壓頭（geometryhead）hge=H·(a-)·g[J/m3],[Pa]物理意義：管道內(nèi)單位體積的熱氣體比管道外同高度上單位體積冷空氣多具有的位能。2）靜壓頭（statichead）hs=P-Pa[J/m3],[Pa]物理意義：管道內(nèi)單位體積熱氣體比管道外同一水平面上同體積冷空氣多具有的靜壓能。由靜壓頭造成的氣體流淌，其方向總是由壓強大的地方流向壓強小的地方。當在某一平面上，熱氣體的表壓力為零時，稱此面為零壓面。在零壓面以上，熱氣體表壓力為正，若有縫隙，則熱氣體將外逸。反之，在零壓面以下，熱氣體表壓力為負，冷空氣將會被吸入。3）動壓頭（kinetichead）hk=(1/2)·w2[J/m3],[Pa]即：單位體積氣體流淌時所具有的動能。通常狀況下，大氣的流速比流體的流速小得多，所以熱氣體的動壓頭也就是熱氣體本身所具有的動能。4)壓頭損失（Lossofhead）∑hL.(1-2)=hf+hlJ/m3,Pa即：單位體積氣體由截面1-1流至截面2-2過程中損失的總能量。3顆粒流體力學均相：物系內(nèi)部各處勻整且無相界面。如溶液和混合氣體。兩相：一相為流體，另一相為顆粒狀物體。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側的物料性質有顯著差異。3.1顆粒運動時的阻力流體繞過顆粒的流動uFd當流體相對于靜止的固體顆粒流淌時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，稱為阻力Fd。Fd與顆粒運動的方向相反，只要顆粒與流體之間有相對運動，就會產(chǎn)生阻力，對于確定的顆粒和流體，只要相對運動速度相同，流體對顆粒的阻力就一樣。ρ——流體密度,kg/m3；μ——流體粘度；dp——顆粒的當量直徑,mA——顆粒在垂直于運動方向的平面上的投影面積,m2球形顆粒u——顆粒與流體相對運動速度,m/s。——阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由試驗確定。顆粒所受的阻力Fd

層流區(qū)（斯托克斯區(qū)，10-4<Rep<1）留意：斯托克斯區(qū)的計算式是精確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似的。過渡區(qū)（1<Rep<103）湍流區(qū)（103<Rep<2×105）顆粒在流體中的相對運動狀況自由沉降（freesettling）：

單個顆粒在流體中沉降，或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。3.2顆粒在流體中的垂直沉降速度重力

Fg阻力

Fd浮力

Fbp——顆粒密度u——相對運動速度球形顆粒的受力分析依據(jù)牛頓其次定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為:隨著顆粒向下沉降，u漸漸增大，du/dt漸漸削減。當u增到確定數(shù)值ui時，du/dt=0。顆粒起先作勻速沉降運動。顆粒的沉降過程分為兩個階段：加速階段勻速階段沉降速度（terminalvelocity）

：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對于流體的運動速度。

當du/dt

=0時，令u=u0，則可得沉降速度計算式：球形顆粒的自由沉降速度

層流區(qū)（Rep<1）過渡區(qū)（1<Rep<1000）湍流區(qū)（1000<Rep<2×105）u0與dp有關。dp愈大，u0則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，u0還與流體粘度有關。液體粘度約為氣體粘度的50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。球形顆粒在不同流淌區(qū)域的自由沉降速度沉降速度的求法假設流體流淌類型；計算沉降速度；計算Re，驗證與假設是否相符；假如不相符，則轉①。假如相符，OK!求沉降速度通常接受試差法。例：計算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。計算Re，核算流型：假設正確，計算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pas

先設為層流區(qū)。

3.3固體顆粒流態(tài)化流態(tài)化固體粒子像流體一樣進行流淌的現(xiàn)象。流態(tài)化技術在硅酸鹽工業(yè)中的應用廣泛顆粒狀物料的選分物料的懸浮干燥和沸騰煅燒液體燃料的霧化……固體的流態(tài)化機理三個階段：固定床、流化床、顆粒輸送。(1)固定床階段流體流速小，顆粒靜止，顆粒受曳力小；床層高度、空隙率，均保持不變；(2)流化床(沸騰床)階段流體流速接著增大，顆粒起先松動，流速達確定值時，顆粒產(chǎn)生明顯位移，如液體沸騰，有一個清晰的床層界面。(3)顆粒（氣力或液力）輸送流體流速進一步增大，當u=u0時，顆粒被帶走。流化床類似液體的特性（1）密度比床層密度小的物體能浮在床層的上面;（2）床層傾斜，床層表面仍能保持水平；（3）床層中隨意兩截面間的壓差可用靜力學關系式表示（△p=ρgL）；（4）有流淌性，顆粒能像液體一樣從器壁小孔流出；（5）聯(lián)通兩個高度不同的床層時，床層能自動調整平