气体力学及其在窑炉中的应用.pdf

山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案第1次课教学课型：理论课实验课习题课实践课技能课其它主要教学内容（注明：* 重点# 难点 ） ：第一章气体力学在窑炉中的应用第一节气体力学基础一、气体的物理属性（一） 、理想气体状态方程（二）气体的膨胀性与压缩性（三）气体的粘性教学目的要求：掌握理想气体状态方程与多变方程、气体膨胀性、压缩性及粘性教学方法和教学手段：讲授讨论、思考题、作业：p63【1-3】p64【1-3】参考资料：沈慧贤，胡道和. 硅酸盐热工工程. 武汉工业大学出版社，1996注：教师讲稿附后1第一章气体力学及其在窑炉中的应用气体力学是从宏观角度研究气体平衡及其流动规律的一门科学硅酸盐窑炉中的气体有多执而主要的是烟气和空气 它们起着载热体、 反应剂、雾化剂等的作用纵观整个窑炉工作过程，从燃料的气化、雾化、燃烧加热制品，余热回收直到烟气排出，自始至终都离不开气体流动本章研究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流的流动形态、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、炉压的控制有影响，气流的压强和流动阻力对排烟系统和装置构设计有影响等等。

窑炉中的气体流动过程常伴随有燃烧、传热、传质以及某些化学反应它们对气体流动有一定的影响本章的叙述暂不考虑这种影响，只讨论气体流动本身的规律本章应掌握重点内容：1、 流体力学的基本概念（理想气体、滞止状态、临界状态、马赫数、音速等等）2、 流体稳定流动时的计算（连续性方程、能量方程、动量方程）3、 牛顿内摩擦定律，雷诺准数4、 阻力计算5、 渐缩管、拉法尔管的流动特性6、 烟道与喷射器的计算与设计第一节气体力学基础气体力学是流体力学的一个分支，流体力学的一些基本定理同样适用于气体力学在流体力学中讨论液体居多， 而在硅酸盐窑炉内流动的主要是热气体 它的某些性质与液体不同，甚至与常温气体亦有别所队在研究气体力学之机必须先熟悉气体的性质本节从最简单的理想气体入手，虽然真正意义的理想气体并不存在，但对理想气体的研究对解决实际问题有着重要的指导意义一、气体的物理属性气体的物理属性对其流动规律有很大影响，主要了解它的力学和热学性质一)理想气体状态方程PV=mRT或P=RT式中 P气体的绝对压强，Nm3或 Pa；V气体体积，m3；P气体的密度，kgm3;T气体的绝对温度，K；R气体常数，JkgK,注意：此处R 气体常数，R=8314.3/M,（M 为气体分子量） ，8314.3 称为通用气体常数。

在 高 中 所 学 过 的 理 想 气 体 状 态 方 程PV=nR/T 中 的R/为 通 用 气 体 常 数 ，mR/n ,所以R MMPV =mRT因此称为理想气体状态方程， 此方程仅反映了某种状态下各状态参数之P=RT2间的关系， 在气体由一种状态变化到另一状态， 各参数之间的关系又如何呢？于是有了理想气体的多变方程，它反映了多个状态中状态参数之间的关系，即：pvnpn 常数Tvn1 T1n 常数Tp1n 常数式中：p、v、T、均为状态参数压强、比容、温度、密度;而 n 称为多变指数，n q/e1 q/eq 为加给系统的热量（J/kg）,绝热和等熵时为 0；e为内能增量；cpcv为绝热指数和比热容比，cp为定压比热，cv为定容比热，定压比热与定容比热的关系为cp=cv+R(R 为气体常数=8314.3/气体分子量)（二）气体的膨胀性与压缩性由于气体分子间有很大的距离， 存在很大的可变性， 因此膨胀性与压缩性使气体的一个显著性质膨胀性用气体的膨胀系数T来表示，即：T=1 d1();（1-3）dTK为比容，1T是一个与温度紧密相关的参数m21 d)（1-4）压缩性用压缩系数P来表示，即：P=(Ndp工程上也常用P的倒数来表示压缩性，即1P称为弹性模量 E,即：E=1P=dp1dp1dpdp （N/m2）2dd(1)d()d()作业 1：利用多变方程推导：T=1(n 1)（1-3a）(1 n)T1(1-4a)np3P=E=np=nRT(1-5a)气体虽具有压缩性，但在某种情况下却呈现不出来。

例如，在气流速度不大(比音速小得多)，压强和温度的变化很小、 气体的体积变化很小，可近似地看作是不可压缩的这种能够忽略其压缩性的气体称为不可压缩气体 硅酸盐窑炉内气体流速很低， 窑内各部位间的最大压强差只占窑压的 00205， 窑每一段内的温度变化很小(虽然整个系统的温差较大)，所以可看作是不可压缩气体与上述情况相反，如在喷射器、高速烧嘴内，压缩性则不能忽略 密度不是常数的气体称为可压缩气体 一般将系统前后压强变化为原来气体压强的 20以上的气体叫作可压缩气体今标准状态下的气体体积为V气体密度为0、气体流速为 W ，则在 1 个大气压下，在 工作温度为 t(以 C 计)时的 Vt、密度t、wt速度为：三)气体的)粘性气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叫粘性内摩擦力由气体分子间的吸引力和内部分子的紊乱运动引起这种紊乱运动会使速度不同的相邻气体县之间发生原量和动量的交换 气体分子间距大， 故分子间的吸引力较抵并且在温度不变时吸引力也不变，所以，气体粘性主要取决于气体内部分子的紊乱运动单 位 面 积 上 的 内 摩 擦 力 (N m2) 可 用 牛 顿 内 摩 擦 定 律 的 数 学 表 达 式 表 而式中速度梯度即与气流相垂直的方上单位距离dy 的速度变化率 1s，u与流体性质有关的比例系执Nsm2。

由于 u 反映粘性的动力学特性，所以称为动力粘度或简称粘度在工程计算中，还有一种粘度，叫运动粘度，是动力粘度与密度的比值，即:=u，的单位为 m2s，由于的单位中没有力的因次，只具运动要素，故称为运动钻度比 u 更能反映气体抵抗流动的特征气体与液体不同，温度升高时由于分子的紊乱运动加宽快，故拈性增加， u 值变大粘度与温度的关系如下：4t、u温度分别为 t、0时的气体粘度 Pas ，与气体性质有关的常数5式中 uC山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案第2次课教学课型：理论课 实验课习题课实践课技能课其它主要教学内容（注明：* 重点# 难点 ） ：（四）气体的浮力二、气体流动的基本方程（一） 质量方程*（二） 能量方程#教学目的要求：掌握伯努利方程的由来，记住公式，并会利用在工业窑炉的生产上教学方法和教学手段：讲授讨论、思考题、作业：参考资料：沈慧贤，胡道和. 硅酸盐热工工程. 武汉工业大学出版社，1996注：教师讲稿附后6（四）空气的浮力液体在空气中受到的浮力影响常常忽略不计，但浮力对热烟气流动却起着显著作用我们选一气体微团，如下图：对于液体远远大于a，所以合外力几乎不受浮力影响，故可忽略，但是对于烟气，与a处在一个量级，故不可忽略如。

如果，气体温度升高，使得a大于，此时合外力向上，气体微团上浮，这就是热气球原理；同理，如果气体温度降低，a小于，此时微团贵下降，这就是单纯从制冷的角度看空调为何装载高处的原因思考题：如果用冰块来冷藏食品，冰块应放在食品的下方好还是上方好？二、气体动力学的基本方程式气体动力学基本方程式包括质量方程、能量方程、动量方程一） 质量方程质量方程的推导涉及矢量积分，在此我们不作推导，只要求记住结果，即：1、 连续流动的微分形式：uuu 0（1-16）xyz2F2w2m（1-17a）.2、 稳定态一元管流的质量方程：1F1w1对于不可压缩气体1=2，所以F1w1=F2w2V（1-17b）（二）稳定态一元管流的能量方程由能量守恒原理： 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界做出的功率之和在任何一个状态存在的能量有： （1）位能：mgz Jmu2（2）动能： J2（3）内能：me J（4）压力能：m由能量守恒p J7u2u2ppe+)udF (gz+e+)udF+LmQ (gz F222F1Lm对外做功p2p1u2u2=2gz2 e2udF+2udF1gz1 e1udF2udF+ Lm2F21F1F1F22.p2w2=m2gz2 e2+a2m22m12.2.p1w1gz1 e1a1m12+ Lm1a1a2为修正系数，湍流时 a1、 a21，由于m2=m1，a1、a21（质量守恒，湍流修正系数近似为1） ，所以上式变为：.q Qm.wpw+1）（gz1e11+2）+lm（gz2e22212mp222如果系统绝热，不对外做功，即q=0,l=0,所以能量方程变为2wpu+2=gz1e11+1（1-22a）gz2 e22212上式即为绝热，对外界不做功的能量方程，在工程热力学中定义焓h ep22p，所以能量方ww程变为gz2+h2+2=gz1+h2+1（1-22b）22此方程适用于可压缩与不可压缩气体流动。

1）对于可压缩气体流动，由于气体流速高，其位能的变化比其他各项小的多，故可以忽22w2w1w2 常数，其微略，所以可压缩气体流动的能量方程为：h2+=h2+，即：h+222分形式为22dh wdw 0（2）窑炉内的气体近似为不可压缩气体，所以12，e1=e2，所以能量方程变为2pww+2=gz1+2+1（1-24）gz2+22此式即为不可压缩气体流动的单流体伯努利方程，变形后为：p22p2gz2w222=p1gz1w1228考虑流动过程中的阻力损失h2l，流动方向若为 1-2，所以上式变为p1gz1w12=p2gz2w222+hl（1-25）窑炉是一个开放的系统， 所以炉内的气体总要受到大气浮力的影响， 对窑外对应于 1、2 面，对空气应用伯努利方程：pa1agz1 pa2agz2（外界气体近似静止，没有速度）（1-26）pa1、pa2为 1、2 两个位置对应的大气压，a为空气密度将（1-25）与(1-26)相减，变为：(p1 pa1)(a)gz1w122=p2 pa2 (a)gz2w222+hl（1-27）上式即为二流体伯努利方程注意： 上式应用的时候一定指明在何处应用， 参考面的选取与最终的计算结果没有关系，一般以方便计算为原则，通常选取位置低处为参考面。

作业 1：p63【1-3】9山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案案第3次课教学课型：理论课实验课习题课实践课技能课其它主要教学内容（注明：* 重点# 难点 ） ：二、气体流动的基本方程气体流动过程中的阻力损失（三）稳定态一元管流的动量方程教学目的要求：掌握气体流动过程中的阻力损失、稳定态一元管流的动量方程教学方法和教学手段：讲授讨论、思考题、作业：参考资料：沈慧贤，胡道和. 硅酸盐热工工程. 武汉工业大学出版社，1996注：教师讲稿附后10流体流动过程中阻力损失的计算：阻力损失通常分为两类：（1）摩擦阻力损失hf，它是由于流动过程中的流动壁面的不光滑，2l w0它的计算方法为：hf=0(1tm)（1-33）de2其中de为当量直径，de=4F，F 为通道的截面积，L 为通道截面积的周长其中为摩擦L阻力系数，可用下式计算：bRenRe为雷诺数，b、n 的确定由表 1-2 查取2）局部阻力损失hL，它是由于流动过程中通道截面的突变而产生的2w00(1tm)(1-34)计算方法为:hL=2为流动的局部阻力系数，可通过附录二查取三） 稳定态一元管流的动量方程我们选择一控制体，如图 1-7，入口截面为F1，出口截面为F2，作用在控制体的外力代数和为F，根据牛顿第二定律：作用于控制体的外力总和应等于该系统动量的.2增量。

即：F=ud mud m F1F2m2w21m1w1（1-36）.这即为稳定态流动的动量方程11当m2=m1=m时，动量方程变为当和外力为零时， ，则有：m.F=m.（w2 w1)（1-38）w2=mw1（1-39）动量方程是喷射器与喷射式煤气烧嘴工作的理论基础讲解例题【1-1】【例1-1】 如图 1-8， 密度为a的低压空气以较高的速度从断面积为F1的小管喷射入断面积为F3的大管中，大管。