第一章 气体力学在窑炉中的应用..

材料工程基础2材料成分、制备工艺、组织结构及材料性能这四大要素及其相互关系是当今材料科学与工程研究的主要任务。本课程围绕材料制备过程中的工程实际，以物理化学过程中的三传（质量、动量、能量），介绍相关的工程理论、工程应用和工程研究方法。3气体力学：宏观上研究气体平衡、流动规律的学科•气体流动与窑炉操作、设计关系密切•气体流动状态、速度方向对热交换过程影响•气流混合对燃料燃烧影响•气流的分布对炉温、炉压影响第一章气体力学在窑炉中的应用4本章节主要内容：第一节气体力学基础1、气体的物理属性状态方程、膨胀性与压缩性、粘性、浮力2、气体动力学基本方程质量方程、能量方程、动量方程第二节窑炉内的气体流动1、不可压缩气体的流动窑炉流出、流入；分散垂直气流法则2、可压缩气体的流动通过渐缩喷嘴；通过拉伐尔喷嘴5第一节气体力学基础mRTPVRTPMR3.8314一、气体的物理属性或R——J/Kmol.k，M——Kg/Kmol（一）理想气体状态方程状态方程、膨胀性与压缩性、粘性/浮力6例：将1000m3,0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密度为1.293kg/m3，求加热至250℃时气体的体积和密度。解：）（）（21000tttmRTVpmRTVp等压过程，pt=p0ttTTVV0021得，）（）（300300/67.0)250273/(273293.11916273/)250273(1000mkgTTmTTVVtttt71dTdT1K1dPdP1Nm2ddPddPEP1（二）气体的膨胀性、压缩性m3/kg压缩系数气体的体积弹性模量气体的比容膨胀系数8nnppVnnTTV11nnpT1＝常数＝常数＝常数气体的膨胀系数和压缩系数的大小与膨胀或压缩过程的特性有关，还与热量传递的多少有关，是一个变化量。eqeqn/1/Vpccqe系统内气体的内能增量加给系统的热量理想气体的多变过程参数关系由多变过程（有热量传递时，气体的膨胀或压缩过程）方程给出。9气体膨胀性、压缩性比液体大得多，属于可压缩流体。但窑炉系统中烟气近似于外界大气压。流速远低于音速，压强变化小（不超过0.5%），虽然整个系统的温度变化较大，但若温度分段处理，使气体密度变化≤20%，可视为不可压缩流体。10(三）气体的粘性有关粘性的几个认识：粘性是流体抵抗变形的能力。一切流体都具有粘性，是流体固有的特性。粘性剪切应力是粘性的具体表现。流体的粘性只有在运动的流体中才表现出来。不考虑粘性作用的流体称为无粘性流体或理想流体，考虑粘性作用的流体成为粘性流体。11牛顿内摩擦定律dyd2/mNdyds/1—剪切应力，，Pa—速度梯度，sm/2t5.10)273)(273273(TTCt0C—运动粘度，—T的关系—查表1－1（1）流体受剪切运动必定流动；（2）静止的流体中剪切应力为零。—动力粘度，表示面积各为1m2并相距1m的两平板，以1m/s的速度作相对运动时，因之间存在的流体互相作用所产生的内摩擦力。单位N·s/m2（Pa·S）12空气、淡水和海水在不同温度下的ρ、ν13想一想：为什么随着温度的升高，液体的粘度减小，而气体的粘度增大？14gaga)(a阿基米德浮力原理，单位体积气体在空气中浮力合力：液体：，通常不考虑浮力的影响。（四）空气的浮力气体（窑炉热气体），a浮力重力。窑炉系统中的热气体在没有外界机械能加入的情况下，具有自下而上自然流动的趋向。15例：对于1m3密度为0.5kg/m3的热气体自重仅为4.9N，浮力则为11.76N，故不能忽略。浮力方向：自下而上，与重力相反。浮力的大小：重力的大小：)(NgVa)(NgV16二、气体动力学基本方程17静力学基本方程式重力场作用下的静止流体，将欧拉平衡微分方程式在密度不变的情况下进行积分求解，得到静力学基本方程式：constgzp处于平衡状态流体内的1、2点：2211gzpgzpgHpzzgpp21221)(或写成，18例：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000℃，烟气标态密度为1.30kg/m3，窑外空气温度20℃，空气标态密度为1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为1atm(101325Pa)。求距离窑底0.7m处窑内、外气体压强各多大？其相对压强多大？0,f0,a19解：根据公式ttTT00则烟气、空气在1000℃,20℃时的密度分别为：33/21.1)20273/(273293.1/28.0)1000273/(27330.1mkgmkgaf根据基本方程式求出气体压强：PagHppPagHppfffaaa1013237.081.928.01013251013177.081.921.11013252121距离底0.7m处相对压强：Pappaf61013171013232120质量方程（★）：单位时间内通过控制面的气体净流出量+单位时间控制体内气体质量变化=0dFnFVdVV0+21气体质量流量（一）稳定态一元流（管流）质量方程不可压缩流体：密度近似为常数质量方程：FFFFFdFdFdFn011122212mFwFw222111.2211VFwFw（1-18）V——气体的体积流量，m3/s22例：当流体在管道内作稳定流动时，通过管道任一截面的质量流量都相等，mFFF333222111故Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ断面处：对于不可压缩气体，ρ不变，有：VFFF332211即，气体流速与截面积成反比。23应用实例：例如，在河道窄的地方，水流得比较快；而在河道宽的地方，水流得比较慢。24（二）稳定态一元流（管流）能量方程——伯努利方程历史故事：1912年秋天的一天，当时世界上最大的远洋轮船——“奥林匹克”号正在大海上航行，在离它100米远的地方，有一艘比它小得多的换甲巡洋舰“豪克”号与它平行地疾驶着。可是却发生了一件意外的事情：小船好象被大船吸了去似的，一点也不服从舵手的操纵，竟一个劲地向“奥林匹克”号冲去。最后，“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上，把“奥林匹克”号撞了个大洞。25尼尔·伯努利，1700年1月29日生于尼德兰的格罗宁根。1724年，尼尔获得有关微积分方程的重要成果，从而轰动欧洲科学界。他著名的《流体力学》一书影响深远。他同时是气体动力学专家。1726年，伯努利通过无数次实验，发现了“边界层表面效应”：流体速度加快时。物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献，这一发现被称为“伯努利效应”。伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体。26gz22uep动能内能压力能位能控制系统，系统内单位质量气体的能量包括：能量守恒原理：在稳态，单位时间传入系统的热量等于系统内气体能量增量与系统对外作出功率之和。27mFFLudFpeugzudFpeugzQ12)2()2(22mFFFFLudFuudFpegzudFuudFpegzQ11222)(2)(211111222222对于稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上均匀mLwmpegzmwmpegzmQ2)(2)(2111111222222211221221221211wudFumF22222222wudFumF式中、—平均动能修正系数280.20.112mm层流时，湍流时,稳定流动单位质量气体的能量方程——热力学第一定律mlwpegzwpegzq)2()2(2111112222220ml0q未对外做机械功的绝热流动，即，22222222211111wpegzwpegz2222222111whgzwhgz或pehTchp对于理想气体29能量方程未说明气体的性质及过程特点，不论理想气体实际气体，可逆过程或不可逆过程，可压缩气体或不可压缩气体都适用。22222211whwhCwh220wdwdh21ee21对可压缩气体的高速流动，可略去位能变化。或，窑炉系统气体流动特点：压强变化不大，但温度变化较大，密度变化也较大，属于可压缩气体流动。但分段处理，每段气温变化不大，将该段气体平均温度下的密度近似为常数，即气体在平均温度下作等温流动。302222222111wgzpwgzp3/mJ单流体伯努利方程LhLhwgzpwgzp2222222111等温流动沿途有阻力损失，31二流体伯努利方程：2211gzpgzpaaaa窑炉系统是和大气连通的，炉内的热气体受到大气浮力的影响。对于窑炉外空气相应两个断面的静力学方程：式（1-26）式（1-25）与（1-26）相减得式（1-27）：Laaaahgzppgzpp2)()(2)()(2222221111用此式时，参考基准面应取在气体断面的下方。32通常a上式第二相为负值，通常改写为：Laahgzpgzp2)(2)(22222111式（1-28）应用此式时，参考基准面应取在气体断面的上方，如上图所示。33p)(agz22w—窑内气体表压强（静压头，hs）—窑内气体受到的重力和浮力之和的位能（几何压头，hge）—窑内气体的动能（动压头，hw）Lkgeskgeshhhhhhh222111aap注：高程变化较大时，会变化256.500)0065.01(aaaTHpp256.400)0065.01(aaaTH、0ap0aT0a—海平面处的大气压强、温度、密度，H——海拔高度34应用伯努利方程解题的注意事项：①分析流动：首先应分析所研究的流体是否符合伯努力方程的应用条件；其次要弄清流体总体，即是要把研究的局部流动和流动总体联系起来。方程的应用条件：a、流体流动必须是恒定流动；b、流体应是不可压缩流体，但工程上遇到的大多数气体可近似使用；35②选取基准面：基准面可以任意选取，但必须是水平面。对同一方程中的两个不同断面，其计算基准只能是同一基准面。一般选取基准面时，若管道中为液体，基准面习惯取在截面之下；若管道中为气体，基准面习惯取在截面之上。水平流动时基准面习惯取在管道中心。③选取计算断面：应选在缓变流处，为了便于计算，应将其中一个断面取在流动参数已知的位置上，并使未知数包含在所列方程中。④确定压强基准：可用绝对压强，亦可用相对压强，但等号两边必须一致。⑤方程中的能量损失一项应加在流动的末端，即下游断面上。36)(l`fhhhL)1(2d020efmtwLh＝)1(2020lmtwh＝2731nbRe窑炉系统气体流动阻力损失Re——雷诺准数b、n——与流态及管壁相对粗糙度有关的系数。w0——平均标态流速，—局部阻力系数，查附录二降低阻力系数的途径：圆、平、直、缓、少。37流体流动的状态层流：流体中液体质点彼此互不混杂，质点运动轨迹呈有条不紊的线形状态流动。湍流：当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小旋涡。Re2000层流2000Re4000过渡流（或为层流，或为湍流）Re4000湍流38水平流动：常数221wp39大家观察到了什么现象？40•两船之间的水流流速大，压强小•两船外侧的水流流速小，压强大轮船为什么会相撞？41Q：向两张纸中间吹气，现象是？42Q：用漏斗倒扣一个乒乓球，向漏斗尖端吹气会是什么现象？43Q：飞机为什么能升空？44【例】如图，风机吸入口直径200mm，压力测量