第一章 气体力学在窑炉中的应用

1. 第一章 气体力学在窑炉中的应用 第一节 气体力学基础 第二节 窑炉系统中不可压缩气体的流动及应用 第三节 窑炉系统中可压缩气体的流动

2. (常用） 或 第一节气体力学基础 一、气体的物理属性 1、压缩性与膨胀性（气体状态方程） ——气体受压、遇冷收缩，受热、减压膨胀的 性质。 压缩性:体积随压强变化的性质 膨胀性：体积随温度变化的性质 在温度不过低（T>-20℃），压强不过大（p<200atm）时，气体遵守理想气体状态方程 pv=RT 其中，R=8314.3/M (J/kg.K)，单位：P--Pa,T--(K)

3. 讨论： 1)T=C时，等温过程，既p/ρ=C， 表明压强与密度成正比则p↑， ρ ↑ ，说明气体具有压缩性。 但在压力p变化较小时，气体的密度变化也很小，可以 认为是不可压缩气体。 一般地： 将压强变化小于10%的气体均看作是不可压缩气体。 在建材行业中： 窑炉中的气体可看作是不可压缩气体； 在某些高压喷嘴中，应将气体视作可压缩气体。

4. 2). p=C时， ρT=C，说明密度与温度成反比，也说明气体具有膨胀性 当T↑，则ρ↓， 问题：100℃的空气与20℃的空气那个密度大? 表明同一种气体不同状态下压强与密度、温度乘积之比为一常数 若气体在标准状态（t0=0℃，p0=1atm）的参数， 与静压为p，温度为t时的参数之间的关系为：

5. (1) 即 1 2 将其代入（1）则： 4).若气体在管内流动，则 说明：速度与温度成正比

6. 2、粘性 定义：流体内部质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质 μ- 动力粘度或动力粘滞系数。 单位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.s 1）牛顿内摩擦定律（粘性定律) 与动力粘度μ对应的是运动粘度υ，二者的关系是 运动粘度υ的单位是m2/s

7. 2）混合气体的粘度 计算公式： 式中，n——混合气体的种类数； μm——混合气体的粘度； Mi、αi、μi——混合气体中各组分的分子量、体积百分数、粘度。

8. 3）影响黏度的因素 液体：主要取决于分子间的内聚力. 温度T增大，分子间距增加，内聚力减小，黏度降低 气体：主要取决于分子热运动. 温度T增大，分子热运动增强，黏度增大

9. 热烟气 水 • 3.气体的浮力 液体：一般不考虑其浮力的作用 气体：考虑其浮力的影响。 例如：两个同样大小的流体柱，高10m2,截面积为1m2

10. 二、气体动力学基本方程式 • 质量守恒原理——连续性方程 • 热力学第一定律——能量方程（柏努利方程） • 牛顿第二定律——动量方程

11. （一）、连续性方程 在流场中取微元六面体，根据质量守恒定律，推出空间流动的连续性方程 方程适用条件： 可压缩流体，恒定流和非恒定流。 矢量形式：

12. 讨论 1）对于定常流动: 运动参数不随时间变化，则 2）对于不可压缩流体，ρ=常数，上式变为： 上式变为： 即 即

13. 2 1 （二）、二气流的柏努利方程 • 复习：流体力学中柏努利方程式 适用条件： a) 不可压缩流体； b)质量力仅有重力； c)恒定流动 注意问题： 基准面的选择一定在下方 （单位重量流体,m） （气体常用）

14. 二气流的柏努利方程: 指热气体在冷气 体的浮力作用下的热运动方程 1、方程的推导 假设条件： 不可压缩流体； 质量力仅有重力； 恒定流动。

15. 如图： 假设为硅酸盐窑炉， 窑内为热气体， 窑外为冷气体， 取1、2两个有效断面 选0-0为基准面， 则1与2截面之间的柏努利方程： P2 , w2 Pa2 2 热气体 冷气体 z2 1 Pa1 P1 ,w1 z1 0 基准面 对于热气体 (a) 对于冷气体 (b) (a)-(b)得 (c)

16. (d) (e) 0 基准面 P2 , w2 H2 Pa2 2 热气体 冷气体 H1 1 Pa1 P1 ,w1 因为热气体 所以，方程变为 令 H1=-z1，H2=-z2 ，则 规定： 运用该方程， 取基准面在上方， 向下为正， 向上为负。

17. (Pa) (e) 几何压头 静压头 阻力损失 区别流体力学： z1、z2为流体力学中，向上为正，向下为负； • H1、H2为热工工程中，向上为负，向下为正 • (e) 方程就是窑炉中二气流的柏努利方程，还可以写成 其中： 动压头

18. 2、方程的物理意义: 表示流动过程中能量的守恒关系。 注意区别： 流体力学中的柏努利方程式： 表示单一流动绝对能量的守恒； 二气流柏努利方程： 表示相对能量的守恒（热气体相对于冷气体）。 即：二气流柏努利方程中的各项都表示单位体积的热气体所具有能量与外界单位体积的冷气体所具有的能量之差。

19. 1 P1 Pa1 热气体 h γ γa P0 Pa0 0 • 1）相对静压头 物理意义：热气体相对于外界同高度冷气体压强的值 (相对压）。 如图 以0面为零压面，则： 热气体： 结论：冷气体中的热气体，绝对压强，越向下越大；相对 静压强，越向上越大。 冷气体： 两式相减得： 即： • 而绝对压强： • p1=p0-γh，h↑，p1↓。 故相对静压头：h↑，hs1↑；

20. 基准面 A V H γ γa 2）相对几何压头 物理意义：单位体积热气体相对于外界同高度冷气体位能之差。 若变换 因此，相对几何压头可以理解为单位容器面积的上升力； 或：反映为气体所具有的上升作 功能力， 或：气体所具有的相对位能。 故：H↑，或γa↑，或γ↓，均使hge↑

21. 3）动压头 物理意义：单位体积的热气体所具有的动能。 注意： 几何压头仍具有相对的意义，只不过将外界空气的速度视为零而已。 4）压头损失： 物理意义；表示两截面间单位体积的热气体损失的总能量。 即：摩擦阻力损失和局部阻力损失的总和。

22. 3、压头间的相互转换及压头转换图 用图表征能量之间的转换关系

23. 1) 间转换 与 1 热气体 2 例1：如图，热气体在等直径垂直管内自上而下流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程： 分析：取1-1为基准面，则几何压头: 静压头： 动压头： 阻力损失 则方程变为：

24. 又因为： 所以： 必须由动能转换而来。 由于 所以： 压头转换图画法： 分析方程，分析1与2截面上的压头变化的大小 1 热气体 2 注意检验能量的的平衡

25. 例2：如图，热气体在等直径垂直管内自下而上流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程：例2：如图，热气体在等直径垂直管内自下而上流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程： 静压头： 动压头： 1 热气体 阻力损失 γ γa 则方程变为： 2 同例1 必须由动能转换而来。 所以： 所以： 但： 分析：取1-1为基准面，则几何压头:

26. 1 热气体 2 压头转换图画法： 分析方程，分析1与2截面上的压头变化的大小 最后检验能量的的平衡 注意：当热气体从下向上运动时，几何压头相当于推动力 当热气体从上向下运动时，几何压头相当于阻力

27. 2) 与 间转换 静压头： 1 动压头： 阻力损失 热气体 γ γa 2 由此式可以看出： 由 转换而来 例3：如图，热气体在减缩垂直管内自下而上流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程： 分析：取1-1为基准面，则几何压头: 则方程变为：

28. 压头转换图画法： 分析方程，分析1与2截面上的压头变化的大小 热气体 γ γa 2 1 错的画法 压头转换图画法：

29. 1 热气体 γ γa 2 正确的画法 注意正负能量分开，最后检验能量平衡

30. 小结：压头转换图画法 • 1）首先列二气流伯努利方程 • 2）取基准面（一定取上截面为基准面） • 3）分析各截面的压头项的大小 • 4）画出的压头转换图应该为矩形或平行四边 • 形（有负压头时） • 5）最后通过图检验能量平衡

31. 或： （三）、动量方程——动量守恒定律