第一章-气体力学基础课件.ppt

1、目录目录1.1 研究对象与研究方法研究对象与研究方法1.2 气体的主要物理性质气体的主要物理性质1.3 气体静力学基本方程气体静力学基本方程1.4 气体动力学基本方程气体动力学基本方程1.5 压头损失压头损失1.6 压缩性气体流动压缩性气体流动研究对象：主要是烟气和空气。研究对象：主要是烟气和空气。本章要点：窑炉气体力学用来研究窑炉工作本章要点：窑炉气体力学用来研究窑炉工作过程中气体的宏观物理与化学行为。本章过程中气体的宏观物理与化学行为。本章的研究中心问题是的研究中心问题是气体流动气体流动，只有了解了，只有了解了气体的特性，才能把流体力学的知识准确气体的特性，才能把流体力学的知识准确地应用于

2、窑炉系统的气体力学研究中。地应用于窑炉系统的气体力学研究中。1.1 研究对象与研究方法研究对象与研究方法流体流体：液体和气体的总称。是一类受任何微：液体和气体的总称。是一类受任何微小拉力或剪力作用下都能发生变形的物体。小拉力或剪力作用下都能发生变形的物体。液体力学液体力学 气体力学气体力学 从从研研究究对对象象分分流体静力学流体静力学 流体动力学流体动力学 从从研研究究内内容容分分从从研研究究方方法法 分分 理论流体力学理论流体力学 实验流体力学实验流体力学 流体力学流体力学研究流体平衡和运动规律的科学研究流体平衡和运动规律的科学固体没有流动性固体没有流动性 流体具有流动性流体具有流动性 流体

3、流体与与固体区别固体区别 流体的连续性假设流体的连续性假设连续介质假设连续介质假设 流体看成是由流体看成是由大量大量的的连续连续质点组成的连续的质点组成的连续的介质，每个质点是一个含有大量分子的集团，介质，每个质点是一个含有大量分子的集团，质点之间没有空隙。质点之间没有空隙。质点尺寸：大于分子平均自由程的质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。倍。连续介质假设给分析问题带来的方便连续介质假设给分析问题带来的方便 不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动。作用下的宏观机械运动。 能运用数学分析的连续函数工具。能运用数学分析的连续函数工具。

4、把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、不留任何空隙的连续介质。不留任何空隙的连续介质。分子间隙分子间隙连续介质连续介质1.2 气体的主要物理性质气体的主要物理性质密度密度压缩性压缩性黏性黏性密度密度定义：单位体积气体的质量。定义：单位体积气体的质量。符号符号“”，单位：，单位：kg/m3Vm均质气体：均质气体：常用气体的密度常用气体的密度空气空气=1.293 kg/m3 氧气氧气=1.429 kg/m3氢气氢气=0.090 kg/m3 CO=1.250 kg/m3 CO2=1.976 kg/m3混合气体：混合气体：i混合气体中各种气体的体积百分比混合气体中

5、各种气体的体积百分比, %i气体混合物中各组分的密度，气体混合物中各组分的密度，kg/m3iniinnmxxxx12211.气体的状态方程气体的状态方程 一定量的气体在平衡状态下，其体积、压一定量的气体在平衡状态下，其体积、压力与温度的关系的表达式，称为气体的状力与温度的关系的表达式，称为气体的状态数值方程，即：态数值方程，即：R0 通用气体常数，通用气体常数，8.314Jmol-1K-1 实践证明，气体在实践证明，气体在通常通常的条件下，一般都的条件下，一般都遵循状态方程的规律遵循状态方程的规律TRMmTnRpV00气体的密度与温度、压力的关系气体的密度与温度、压力的关系液体：工程上液体密度

6、看作与温度、压力无关。液体：工程上液体密度看作与温度、压力无关。气体：密度与温度和压力有关。气体：密度与温度和压力有关。理想气体：理想气体：工业窑炉工业窑炉(PP0):000000TPTPTVPTPV000TPPTTT00T0、P0、0 标态标态时时温度、压力、密度温度、压力、密度压缩性压缩性定义：气体受压力作用时，体积缩小，密度定义：气体受压力作用时，体积缩小，密度增大的性质。增大的性质。温度一定温度一定, P , V 气体的压缩性很大。从热力学中可知，当气体的压缩性很大。从热力学中可知，当温度温度不变时，完全气体的体积与压强成反不变时，完全气体的体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原

7、来的一比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高半；当压强不变时，温度升高1体积就比体积就比0时的体积膨胀时的体积膨胀1/273。可压缩流体可压缩流体/不可压缩流体不可压缩流体 所以，通常把气体看成是可压缩流体，即所以，通常把气体看成是可压缩流体，即它的它的密度不能作为常数密度不能作为常数，而是随压强和温，而是随压强和温度的变化而变化的。我们把密度随温度和度的变化而变化的。我们把密度随温度和压强变化的流体称为压强变化的流体称为可压缩流体可压缩流体。 当气体在压强和温度的变化都很小时，其当气体在压强和温度的变化都很小时，其密度变化很小，可以将密度视为定值，可密度变化很小，可以

8、将密度视为定值，可作为作为不可压缩流体不可压缩流体处理。处理。 这是一种这是一种简化简化处理的方式处理的方式黏性黏性 流体内质点或流层间因相对运动而产生内流体内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。摩擦力以反抗相对运动的性质。 牛顿牛顿内摩擦定律内摩擦定律: 运动流体的内摩擦力的大运动流体的内摩擦力的大小与两层流体的小与两层流体的接触面积接触面积成正比，与两层成正比，与两层流体之间的流体之间的速度梯度速度梯度成正比。成正比。Aduu dyuFFAAdyduF(N) 数学表达式：数学表达式：动力粘度动力粘度 温度升高，分子热运动加剧温度升高，分子热运动加剧 ，动量交换增，动量

9、交换增多多 ，粘度增大。，粘度增大。 压力变化对气体分子热运动影响不大。压力变化对气体分子热运动影响不大。绝对粘度绝对粘度动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度 粘度粘度粘性粘性流动性流动性sPasm /2理想流体：流体无粘性、完全不可压缩，运理想流体：流体无粘性、完全不可压缩，运动时动时无无抵抗剪切变形的能力。（抵抗剪切变形的能力。（简化简化）实际流体：流体具有粘性，运动时实际流体：流体具有粘性，运动时有有抵抗剪抵抗剪切变形的能力。切变形的能力。流体按变形特点又分为牛顿流体和非牛顿流流体按变形特点又分为牛顿流体和非牛顿流体。体。 牛顿流体牛顿流体:内摩擦力与速度梯度成直线关系内摩擦力与速度梯度成

10、直线关系非牛顿流体非牛顿流体:内摩擦力与速度梯度成内摩擦力与速度梯度成非直线关系非直线关系1.3 气体静力学基本方程气体静力学基本方程作用在气体上的力作用在气体上的力 质量力：作用在流体内每一个质点上的力，质量力：作用在流体内每一个质点上的力，它的大小与流体的它的大小与流体的质量质量成正比。（重力）。成正比。（重力）。表面力：作用在被研究流体表面上的力，表面力：作用在被研究流体表面上的力，它的大小与流体的它的大小与流体的表面积表面积成正比。成正比。表面力可分为切向力（内摩擦力）与法向力表面力可分为切向力（内摩擦力）与法向力（压强产生的总压力）。（压强产生的总压力）。对于静止流体或没有粘性的理想

11、流体，切向对于静止流体或没有粘性的理想流体，切向表面力为零，只有法向表面力。表面力为零，只有法向表面力。 静止气体垂直作用于单位面积上的力，称为气体静止气体垂直作用于单位面积上的力，称为气体的静压强，简称压强，习惯上称为压力。单位为的静压强，简称压强，习惯上称为压力。单位为Pa。压强的表示方法：压强的表示方法：绝对绝对压强：以绝对真空压强：以绝对真空(绝对零压绝对零压)为起算基准的为起算基准的 压强压强 相对相对压强：以当地大气压为起算基准的压强压强：以当地大气压为起算基准的压强相对压强（表压）绝对压强大气压强相对压强（表压）绝对压强大气压强正压：绝压大于大气压时的相对压强（正压：绝压大于大气

12、压时的相对压强（0)负压负压: 绝压小于大气压时的相对压强（绝压小于大气压时的相对压强（1-超音速流动；超音速流动； Ma=1 -音速流动；音速流动； Ma1-亚音速流动亚音速流动。avMa流速与断面的关系流速与断面的关系0dvdvAdAddpa222Mava vdvdpvdvMaAdA) 1(2当当Ma1，va，(M2-1)1，va，(M2-1)0，dA与与dv符号相符号相同。流速与断面成正比，其原因是由于超同。流速与断面成正比，其原因是由于超音速流体密度变化大于速度变化。音速流体密度变化大于速度变化。当当M=1，v=a，必有，必有dA=0， 此时断面此时断面A称称为临界断面为临界断面Ae，

13、为最小断面。在临界断面，为最小断面。在临界断面上，气流速度等于当地音速，还可称为临上，气流速度等于当地音速，还可称为临界速度。界速度。两种喷管两种喷管渐缩喷管：流体在该管内流动为亚音速流动，渐缩喷管：流体在该管内流动为亚音速流动，在管嘴出口处为音速或亚音速。在管嘴出口处为音速或亚音速。注意：出口处所能够达到的最大速度为音速注意：出口处所能够达到的最大速度为音速. 即出口处即出口处Ma小于小于1，最大等于，最大等于1，不可能，不可能大于大于1。1p ps s1 1p p3 3 p p4 4 3 4 P P4 4=P=Pc cMa1缩放喷管缩放喷管(拉伐尔管拉伐尔管)：流体在收缩管内流动：流体在收

14、缩管内流动为亚音速流动，在扩张管内为超音速流动，为亚音速流动，在扩张管内为超音速流动，有一最小截面。有一最小截面。最小截面最小截面Ma=1音速音速Ma1喉部喉部出口处出口处Ma大于大于11.6.3三种流动状态三种流动状态滞止状态：该截面上速度为滞止状态：该截面上速度为零零的状态。的状态。极限速度：该截面上速度为极限速度：该截面上速度为最大最大的状态。的状态。临界状态：该截面上的速度等于临界状态：该截面上的速度等于音速音速的状的状态，即态，即Ma=1的状态。的状态。1.6.4 压缩性气体经喷管的流动压缩性气体经喷管的流动列列1、2两截面的可压缩伯努利方程：两截面的可压缩伯努利方程：因为因为v0=

15、0(滞止状态滞止状态)，所以，所以，变换该式得变换该式得:21112000211211vpvp2111002111vpp)(1211001ppv代入，可得：代入，可得：)(1 12101002pppv从该式可以看出可压缩气体速度主要决定于从该式可以看出可压缩气体速度主要决定于压压强比强比（P1/P0) 注意与不可压缩气体速度的区别：注意与不可压缩气体速度的区别：不可压缩气体速度主要决定于不可压缩气体速度主要决定于压强差压强差(P1 P0)。又因为又因为1100pp所以所以10101)(pp1010010110110110111)(pppppppppp因此因此流量求解流量求解公式公式代入得：代入

16、得：vAqm10101)(pp101/20100101001010)()(12)(1 12)(pppppApppppAqm气体通过拉伐尔管流出气体通过拉伐尔管流出 拉伐尔喷管（亦称渐缩渐阔喷管）是瑞典拉伐尔喷管（亦称渐缩渐阔喷管）是瑞典人拉伐尔在人拉伐尔在1883年在蒸汽涡轮机上应用的年在蒸汽涡轮机上应用的喷管。喷管的截面积首先变小然后再变大，喷管。喷管的截面积首先变小然后再变大，从中间通过的气体可被加速到超音速，而从中间通过的气体可被加速到超音速，而并不会产生撞击。气体在截面积最小处恰并不会产生撞击。气体在截面积最小处恰好达到声速。好达到声速。拉伐尔喷管计算拉伐尔喷管计算 拉伐尔喷管内的流动

17、计算一般有两类：拉伐尔喷管内的流动计算一般有两类：正问题，即给定喷管面积比、反压与总压正问题，即给定喷管面积比、反压与总压之比和总温，需要计算喷管内的流动状态之比和总温，需要计算喷管内的流动状态及参数。及参数。逆问题（介绍），即给定喷管出口逆问题（介绍），即给定喷管出口Ma，需，需确定面积比和反压比。若确定面积比和反压比。若Ma1通常不需通常不需采用拉伐尔喷管，利用收缩喷管即可达到采用拉伐尔喷管，利用收缩喷管即可达到要求。若要求。若Ma1 ，此时喉部必然是临界截，此时喉部必然是临界截面，计算喷管的面积比。面，计算喷管的面积比。 逆问题逆问题 当喉部达音速时，其质量流量为最大，在当喉部达音速时，

18、其质量流量为最大，在拉伐尔喷管的扩张管部分，虽然其速度已拉伐尔喷管的扩张管部分，虽然其速度已超过临界断面处，但超过临界断面处，但密度密度随截面积增大而随截面积增大而急剧降低，因此，质量流量不可能大于临急剧降低，因此，质量流量不可能大于临界值。所以界值。所以拉伐尔喷管出口处与临界断面拉伐尔喷管出口处与临界断面两处的质量流量相等两处的质量流量相等。101/20100)()(12pppppAqm当在喉部时，压力为当在喉部时，压力为pc，且，且101/20100)()(12pppppAqm1)12(ocpp110010/2000)12(2112)()(12pApppppAqcccccm因为因为拉伐尔喷

19、管出口处与临界断面两处的质拉伐尔喷管出口处与临界断面两处的质量流量相等量流量相等，所以：，所以：cmmqq1100101/20100)12(2112)()(12pApppppAc101/20111101/201001100)()()12(21)()(12)12(2112ppppppppppAAc例例 过热蒸气温度过热蒸气温度250，压强为，压强为10at，由拉伐，由拉伐尔管流出，出口处压强为尔管流出，出口处压强为1at，过热蒸气质，过热蒸气质量流量为量流量为0.0875kg/s，计算拉伐尔管临界断，计算拉伐尔管临界断面及出口断面直径。面及出口断面直径。 （=1.33，在拉伐尔管喉部可获得音速）

20、，在拉伐尔管喉部可获得音速）解：对于过热蒸气解：对于过热蒸气=1.33，p0= 10at，在拉伐，在拉伐尔管喉部可获得音速，则尔管喉部可获得音速，则pc=5.46at，T0=523K0=Mp0/(RT0)=181098070/(8.314523)=4.06kg/m3 因为拉伐尔喷管出口处与临界断面两处的因为拉伐尔喷管出口处与临界断面两处的质量流量相等，质量流量相等，qmc= 0.0875kg/s，代入，可，代入，可解得解得Ac= 6.610-5 m2 1/0)12(ppc1100)12(2112pAqccmdc = (4Ac/)0.5 = 9.2 mmp1=1at，代入，可得，代入，可得A=1

21、35mm2，d = 13.11 mm101/20111)()()12(21ppppAAc作业作业1 设有一热气柱，其高为设有一热气柱，其高为100m，在，在100m高处高处气柱上部所受的压力是气柱上部所受的压力是99996Pa，若它的密，若它的密度是度是0.4kg/m3，求热气柱下部地面上所受的，求热气柱下部地面上所受的压力是多少？压力是多少？2 如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为为1000，烟气标态密度，烟气标态密度f,0为为1.30kg/m3，窑外空气温度窑外空气温度20，空气标态密度，空气标态密度a,0为为1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为，窑底内外压强相等，均为1atm(101325Pa)。求距离窑底。求距离窑底0.7m处窑内、处窑内、外气体压强各多大？其相对压强多大？外气体压强各多大？其相对压强多大？3 某硅酸盐工业窑炉内，烟气的温度为某硅酸盐工业窑炉内，烟气的温度为1000，其标态密度为，其标态密度为1.30kg/m3，在截面，在截面为为0.50.6m2的烟道中以的烟道中以3.8m/s的流速通过，的流速通过，烟道内负压为烟道内负压为402Pa，试判断烟道中烟气的，试判断烟道中烟气的流态（设当地大气压为流态（设当地大气压为99991Pa）。）。