1.1气体力学基础

第一章气体力学在窑炉中的应用气体力学是从宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门学科。硅酸盐工业窑炉中的气体有多种．而主要的是烟气和空气。它们起着载热体、反应剂、雾化剂等的作用。综观整个窑炉工作过程，从燃料的气化、雾化、燃烧，生成的高温烟气放出热量用以熔融，燃烧物料或加热制品，余热回收直到烟气排出，自始至终都离不开气体流动。本章论述的中心问题就是气体流动。气体流动与窑炉的操作和设计有密切关系：如气体的流动状态、速度和方向对热交换过程有影响；气流的混合对燃料燃烧过程有影响；气流的分布对炉温、炉压有影响等等。第1节气体力学基础一、气体的物理属性（一）理想气体的物理属性窑炉系统中的气体主要是空气和烟气，其特点是低压、常温或高温，可近似作理想气体，其压强、温度和密度三个热力学参数之间的关系服从理想气体状态方程：RTPmRTPV（二）气体的膨胀性和收缩性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。)1(1KdTdT)(12NmdPdP)/(12mNddpddpE工程上也常用的倒数，称为气体的体积弹性模量E来表示压缩性，即式中——气体的比容/1),/(3kgmP二、气体动力学基本方程式涉及的主要物理量有四个：三个热力学标量参数——压强P温度T和密度；以及点速度矢量。将这些物理量联系起来，构成封闭方程组的方程式有四个，它们是：1.根据质量守恒原理的质量方程；2.根据能量守恒原理的能量方程；3.根据牛顿第二定律的动量方程；4.体现气体性质的状态方程。(一）质量方程——连续性方程在流场中任意选定一固定空间V作为控制体，其界面F为控制面，如图1—1所示。设在时刻控制体内的气体具有一定的质量。若在时间内通过控制面流出控制体的气体质量大于流入控制体的质量，则控制体内气体的质量将减少。d根据质量守恒原理可表述为：（单位时间内通过控制面的气体净流出质量)+(单位时间控制体内气体质量变化)=0其数学表达式为0VFdVdFn质量方程积分形式1、质量方程的微分形式按高斯定理：代入上式得质量方程的微分形式：VFdVdivdFn)(对具有一个入口断面F1和一个出口断面F2的稳定态管流．如图I—2所示。此时(1—12)式的第二项为零，且气体密度仅与路程有关而与断面无关，别(1—12)式变为：2.稳定态一元流(管流)质量方程式中：w1和w2分别是两断面上的平均流速；气体的质量流量对不可压缩气体，密度为常数，则V——气体的体积流量，sm/3VwFwF2211（二）稳定态一元流(管流)能量方程图1-3是具有一个入口断面F1和一个出口断面F2的管流，以此二断面及管内壁而构成的控制体为系统，令Q为外界在单位时间内加给系统内气体的热量J/s，Lm为系统内气体对外界做的机械功；系统内单位质量气体的能量包括位能()，动能()。内能(e)和压力能()gz2/2u/p2/2u根据能量守恒原理：在稳定态时单位时间传入系统的热量应等于系统内气体能量的增量与系统对外作出的功率之和，其数学表达式为：对稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上是均匀的，故上式可写成稳定态流动，，(1—20)式二边同除以可得单位质量气体的能量方程——亦称为热力学第一定律：若气体未对外做机械功并为绝热流动，即当q=0及时，能量方程为或上述能量方程的引出、并未说明气体的性质及过程的特点，所以不论是完全气体(或称理想气体)或实际气体，可逆过程或不可逆过程，可压缩气体或不可压缩气体，都是适用的。对可压缩气体的高速流动，其位能的变化与其它各项能量相比通常很小，故可省略去，于是能量方程可写为或对任一断面有：窑炉系统气体流动的特点是压强变化不大，但温度变化较大，气体的密度变化也较大，因而属于可压缩气体流动。但若采用分段处理的方法，使每段气体的温度变化不太大，并将该段气体平均温度下的密度近似视为常数，即认为气体在平均温度下作等温流动，则可用伯努利方程近似取代(1—22)式，令，则(1—22)式变为实际上窑炉内气体的流动是在有传热情况下进行的，并不是绝热可逆过程，所以伯努利方式仅是近似表达式，近似的程度取决于传热情况及可逆程度。气体作等温流动时沿途有阻力而造成能量损失，此项损失用表示，于是伯努利方程可写为；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。对窑妒外的空气相应个断面写出静力学方程：)/(22322222111mJhwgzpwgzpL)/(22322222111mJwgzpwgzp,,2121ee上述二式相减得：上述二式均称为二流体伯努利方程式，其中第一项为窑内气体的表压强，称为静压头；第二项是窑内气体受到的重力与浮力之和的位能，称为几何压头；第三项是窑内气体的动能称为动压头。在应用二流体伯努利方程式时应注意参考基准面的选取。应用(1—27)式时，基准面应取在气体断面的下方，而用(1—28)式时应将基准面取在气体断面的上方；二者均可表明二流体几何压头的特性：上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头而静压头则相反。1-271-28为书写方便起见，可将二流体伯努利方程简写为:二流体伯努利方程中的空气密度和大气压强均是按不可压缩气体考虑的，高程变化不大时其误差不大，当高程变化较大时，引起的误差也随之增大。空气密度及大气压强随高程变他的关系可用国际标准大气对流层(在海拔11km范围内)压强公式计算：一般，局部阻力损失远大于摩擦阻力损失。所以，减少压头损失必须从减小局部阻力着手欲减小局部阻力，首先要分析系统内的局部阻力性质及产生原因，然后有针对性地采取必要的措施。减少局部阻力的途径可归纳为五个宇。即:圆（进口和转弯要圆滑)，平(管道要平、起伏坎坷要少)，直(管道要直、转弯要少)，缓（截面改变、速度改变、转弯等都要缓慢)、少(涡流要少)；这些都是从改进气体外部的边界和改善边壁对气流的影响出发的。对图1—7所示稳定态管流．以入门断面F1.出口断面F2及管壁内表面为控制面．作用在此控制体为系统的外力代数和为．则根据牛顿第—定律：作用于控制体的外力总和应等于该系统气体动量的增量。用数学式表达为:（三）稳定态一元流（管流）动量方程