氣體力學基礎

§1-1氣體力學基礎§1-2窯爐系統(tǒng)內的氣體流動§1-3煙囪和噴射器第1章氣體力學在窯爐中的應用1§1-1氣體力學基礎1氣體的物理屬性2氣體動力學基本方程式2固體流體液體氣體形狀固定不固定不固定體積固定一定變化承受剪應力可以不承受不承受不滑動滑動滑動氣體是流體的一部分31氣體的物理屬性1.1理想氣體狀態(tài)方程理想氣體特征：任何溫度和壓力下，氣體分子之間不存在相互作用力，而分子本身的體積可以忽略不計（即認為氣體分子是不占體積的質點，氣體流動時分子之間無粘性）。4當氣體的溫度≮–20℃、壓力≯200atm時，可以近似為理想氣體，其p、t和三個熱力學參數(shù)之間遵從理想氣體狀態(tài)方程。窯內氣體三個特征：

（1）壓強變化范圍小；

（2）溫度變化范圍大；

（3）窯內熱氣體受窯外冷氣體浮力影響大。5根據(jù)以上特點，窯內氣體經過等溫處理后，可以適用于理想氣體狀態(tài)方程式。式中：T----熱力學溫度，K

R----通用氣體常數(shù)，R=8314.3J/(kmol·K)

n----氣體的摩爾數(shù)，kmol

p----絕對壓強，N/m2或Pa

V----體積，m3

m----氣體的質量，kg

M----氣體的摩爾質量，kg/kmol61.2氣體的膨脹性和壓縮性膨脹性：是指氣體溫度升高時，氣體所占有的體積增大、氣體的密度減小的特性。用體積膨脹系數(shù)T表示。[1/K]式中：v----比容，即單位質量氣體的體積，m3/kg

T的物理意義----氣體的壓強一定時，溫度升高1℃

，氣體體積的相對變化率。7壓縮性：是指作用于氣體上的壓強增大時，氣體所占有的體積減小、密度增大的特性。用壓縮系數(shù)p表示。[m2/N]或[1/Pa]

p的物理意義——氣體溫度一定時，氣體壓強增加1Pa，氣體體積的相對變化率。8令：標準狀態(tài)參數(shù)：po

To

Vo

o

wo任意狀態(tài)參數(shù)：p

T

V

w對于不可壓縮氣體，p≈po根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，得：所以有：9膨脹性隨t變化。其中：T=t+T

=t+273.15[K]所以：10推論：體積流量:[m3/s]流速(截面積不變時)：密度:（反比）質量流量：Qm=const[Kg/s]11所以，關鍵是區(qū)分是否可壓縮性氣體？窯內及管道內一個等溫段中:=const,是不可壓縮氣體噴射器、燒嘴等個別情況：

p變化大（p

>±0.2atm），

w大（接近或大于當?shù)匾羲伲┐藭rconst，是可壓縮氣體12規(guī)定：標準狀態(tài)：溫度0℃

壓強1atm（1atm=101325Pa）(2)物理量下角標“”為標準狀態(tài)，單位前面加大寫“N”例：密度：o

單位[kg/Nm3]流速：wo

單位[Nm/s]體積流量：Qv,o

單位[Nm3/s]131.3氣體粘性粘性----內摩擦力的表現(xiàn)。牛頓粘性定律：[Pa]式中：----動力粘度，N·s/m2=Pa·s----剪切力，N/m2或Pa----速度梯度，1/sdy----相鄰兩層氣體間的距離，myxwx（流體中心）（管壁）14其中：d----是氣體管道的內徑

----稱為運動粘度，,[m2/s]液體：t

（因溫度升高，液體中內聚力減?。怏w：t

（因溫度升高，分子熱運動加劇，紊亂程度增大，動量交換增加。）雷諾數(shù)：15氣體動力粘度與溫度的關系式：c是常數(shù)(p頁表1-1)，與氣體的種類有關。[Pa·s]161.4空氣的浮力原理：阿基米德定律。設：一流體中，一物體，體積V則，浮力：F=V·流體·g重力：P=V·物體·g

P(重力)

F(浮力)?17討論：(1)假設1m3流體（液體）在空氣中則：P=9810N（）

F=11.77N（）P?F，所以液體在空氣中的浮力可忽略不計。所以說水總是由高處向低處流動。[注]：0oC時空氣的密度

20oC時空氣的密度18(2)假設是1m3熱空氣在冷空氣中則：P=5.89N()

F=11.77N()可見，P<F，即浮力大于重力。凈浮力=浮力(F)–重力(P)=5.88N>0由此可見，熱煙氣在沒有機械能加入的情況下，將會在凈浮力的作用下，由下向上自動流動。192氣體力學基本方程式(1)理想氣體狀態(tài)方程(2)質量守恒——連續(xù)性方程(3)能量守恒——伯努里方程三大守恒(4)動量守恒——歐拉沖量方程研究、討論氣體流動問題時，涉及到的物理量有四個（p、T、、w），構成四個方程組：202.1質量守恒原理——連續(xù)性方程設：氣體在截面變化的管道內作穩(wěn)定而連續(xù)的流動，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。則：即：其中：1w21因為在一個等溫段中，=const所以：若是園形管道：公式建立的條件：無分支、無匯合，無加入、無泄漏、等溫、等壓。222.2能量守恒原理——伯努里方程2.2.1伯氏方程在窯爐中的應用形式（1）理想氣體假設：(1)不可壓縮理想氣體，無粘性，無摩擦力；(2)變截面管道，穩(wěn)定而連續(xù)的流動；(3)無外功輸入，也無加熱或冷卻設備。則：氣體流動時無能量損失和內能的增減，只有位能、動能、靜壓能三種能量之間的相互轉換。231-1截面(上游)：p1、T1、1、w12-2截面(下游)：p2、T2、2、w2根據(jù)伯努里方程：(a)對單位質量、受1N重力的流體(化工中)24

等溫段中，const(該段氣體平均溫度下的密度)(b)對單位體積(1m3)、受重力g[N]的氣體

(熱工中)單位：J/m3=N/m2=Pa25上式的應用條件：（1）理想氣體，無粘性，無能量損失；（2）氣體在漸變流截面管中作穩(wěn)定流動，沿流線，無旋渦，其參數(shù)不受時間影響；（3）不可壓縮氣體，p0.2atm，分段等溫,=const；（4）僅受重力場作用，不受磁場等影響。（5）動能是對整個截面而言的，所以w是整個截面的平均值；（6）截面高度Z是指截面形心點與基準面的距離。

基準面在氣體斷面上方時，Z叫深度，為負值；在氣體斷面下方叫高度，為正值。26（2）實際氣體實際氣體有粘性，流動過程中有能量損失?！硎練怏w從1-1截面流至2-2截面的總能量損失27管內熱氣體由1-1至2-2的伯氏方程：管外相同高度上空氣由1-1至2-2的伯氏方程：（假設空氣是靜止的）（3）適用于兩氣體的伯努里方程如圖28因窯爐系統(tǒng)與外界大氣是相連通的，考慮外界冷空氣對窯內熱氣體的浮力作用，兩式相減，得：因熱氣體的

<a

,換基準面(新基準面)：如圖29上式簡寫：上式中每一項都稱為“壓頭”（相對壓頭），使用時注意基準面的選取!特點：上部斷面的hge<下部斷面的hge

上部斷面的hs

>下部斷面的hs——適用于兩氣體的伯氏方程約定：上游為“1-1”截面，下游為“2-2”截面302.2.2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]壓強——表示單位面積上的力。

單位：[N/m2]，[Pa]適用于二氣體的伯氏方程:31幾何壓頭實際上即凈浮力位能：(F-P)Ht煙hge(a-)熱煙氣ρa

ta2.2.2.1幾何壓頭（geometryhead）hge

=H(a-)

g

[J/m3],[Pa]物理意義：管道內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。322.2.2.2靜壓頭（statichead）hs

=p-pa

[J/m3],[Pa]物理意義：管道內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。hs

＞0，正壓，向外逸熱氣＝0，零壓＜0，負壓，向內吸冷氣由靜壓頭造成的氣體流動，其方向總是由壓強大的地方流向壓強小的地方。33測量：可用各種壓力表測其“表壓”。壓頭與表壓數(shù)值上相等，但物理意義不同。表壓——單位面積上的力，有方向，是壓強。壓頭——1m3氣體的壓力差，無方向，是能量。測量時，一端與大氣相通，另一端與熱氣體相通，管口⊥于氣流方向342.2.2.3動壓頭（kinetichead）測量：用畢托管測量全壓=動壓+靜壓全壓力靜壓力w[J/m3],[Pa]物理意義：單位體積氣體流動時所具有的動能。352.2.2.4壓頭損失（Lossofhead）∑hL,(1-2)=hf

+hl

[J/m3],[Pa]物理意義：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。其中：l——流程長度，m

d——管道內徑（園形管道）當量內徑（非園形管道）de

=4F/s

——摩擦阻力系數(shù)（無因次）

[J/m3],[Pa]（1）摩擦阻力hf

（frictionresistance）36摩擦阻力系數(shù)可用下式計算：

=f(Re,ε)＝b/(Ren)式中b、n是與管壁相對粗糙度(ε)有關的系數(shù)層流時：b=1，n=64，=1/(Re64)湍流時：參閱下表（教材P7頁表1-2）37

Re≤2300時，流體作層流流動；

Re≥4000時，流體作湍流流動；

2300＜Re

＜4000時，屬過渡流。在這個范圍內，流體的流動狀態(tài)是不穩(wěn)定的，可能轉向層流，也可能轉向湍流。實驗條件好時，上臨界值可延至104以上。湍流時系數(shù)bn磚砌管道光滑金屬管道粗糙金屬管道0.1750.3200.1290.120.250.120.05~0.060.02~0.0250.035~0.0438（2）局部阻力hl（localresistance）當氣流通道局部變形，如擴張、收縮、捌彎、匯流、分支、設閘板等障礙物時，氣流速度與方向均發(fā)生變化，氣體質點與質點間、質點與管壁間發(fā)生碰撞，形成旋渦等，產生局部的能量損失。hlocal=ξhk

[J/m3],[Pa]（3）綜合阻力h綜合=綜hk[J/m3],[Pa](如圖)39減小阻力的途徑：hf

w1.8~1.9,hLw2經驗(窯爐通道)：300~400oC，w經驗=2~3Nm/s

600~800oC，w經驗=1.5~2.0Nm/s（2）減小阻力系數(shù)：“園、平、直、緩、少”（3）減小窯內料垛對煙氣流動的阻力（1）減小hk402.2.3壓頭轉換約定：上游為“1-1”截面，下游為“2-2”截面，增量是從上游至下游。根據(jù)二流體伯氏方程：

hge1

+hs1

+hk1

=hge2

+hs2

+hk2

+∑hL,(1-2)

hge+hs+hk+∑hL,(1-2)=0轉換要在特定條件下進行!則：(hge2-hge1)+(hs2-hs1)

+(hk2

-hk1)

+∑hL,(1-2)=0

41（1）hgehs熱氣體在截面積不變的垂直管道中流動時，流速不變，所以動壓頭不變。如圖

即

hk1=hk2

hk=0當熱氣體由下向上流動時：

-hge＝hs+∑hL,(1-2)

如果流程反向(向下流動)：-hs=hge+∑hL,(1-2)

幾何壓頭的減小增加了靜壓頭,幾何壓頭是推動力。表示靜壓頭轉換成了幾何壓頭，此時幾何壓頭變成一種“阻力”。42hkhshge∑hL.(1-2)流程壓頭熱氣體在漸擴(或漸縮)的水平管道中流動。即hge1=hge2hk=

hs

+∑hL,(1-2)

hk

hsw1w21122hk流程壓頭hshge∑hL.(1-2)w1w21122-hs=

hk+∑hL,(1-2)

hshk（2）hk

hs43（3）綜合轉換如熱氣體在收縮形垂直管道內向上流動(如煙囪中)aw1w21122∑hL.(1-2)hkhshge壓頭流程-hge=hs+hk+∑hL,(1-2)若基準面選在2-2，則hge2=0，hs2=0，∴hs1<0即煙囪底部總是負壓（抽力），相當于：hge1=-hs1+hk+∑hL,(1-2)44壓頭間轉變規(guī)律圖：hL

hshkhge452.3動量守恒原理動量原理：其研究思路是在流動系統(tǒng)中劃定一個區(qū)域，將該區(qū)域中的氣體當作一個質量整體，并將該整體中的局部壓力和速度表示為力和動量，來研究氣體在單位時間內的動量變化與外力間的關系。46動量原理——牛頓第二定律的另一表達形式：沖量