第一章-气体力学在窑炉中的应用课件.ppt
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- 第一章 气体 力学 中的 应用 课件
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1、第第1章章 气体力学在窑炉中的应用气体力学在窑炉中的应用 1.0 1.0 概述概述一、气体力学概念一、气体力学概念 气体力学是从气体力学是从宏观角度宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门研究气体平衡和流动规律的一门学科。学科。二、研究气体力学意义二、研究气体力学意义1、气体在工业窑炉中的作用、气体在工业窑炉中的作用 载热体、反应剂、雾化剂载热体、反应剂、雾化剂2、气体流动与工业窑炉的操作与设计密切相关、气体流动与工业窑炉的操作与设计密切相关 主要有:主要有:气体的流动状态、速度、方向对热交换过程的气体的流动状态、速度、方向对热交换过程的影响;气流的混合对燃烧的影响;气流的分布对炉温炉压的影响;气
2、流的混合对燃烧的影响;气流的分布对炉温炉压的影响。影响。1.1 1.1 气体力学基础气体力学基础1.1.1 气体的物理属性气体的物理属性1.1.1.1 理想气体状态方程理想气体状态方程 在温度不过低(在温度不过低(T-20),压强不过大(),压强不过大(p200atm)时,气体遵守理想气体状态方程时,气体遵守理想气体状态方程 pv=RT 其中,其中,R=8314.3/M,J/kg.K;P气体的绝对压强气体的绝对压强,Pa;T 气体的温度,气体的温度,K;v 气体的比容,气体的比容,m3/kg 1.1.1.2 气体的压缩性和膨胀性气体的压缩性和膨胀性1、气体的压缩性气体的压缩性定义:定义:流体在
3、外力作用下改变自身流体在外力作用下改变自身容积的特性。容积的特性。温度一定温度一定,P,V 表示:表示:dpdVVp1)/()1(2NmorPa压缩系数压缩系数p:当当温度不变温度不变时,压强每增加时,压强每增加1帕时,帕时,流体体积的流体体积的相对变化率相对变化率。气体气体 压缩系数很大,为可压缩流体压缩系数很大,为可压缩流体特殊情况:特殊情况:压强压强变化较小时视为变化较小时视为不可压缩不可压缩理想气体:理想气体:ppVV002112ppVV pp1或或温度一定,温度一定,P V 理想气体的压缩系数理想气体的压缩系数:5101013251p标态:标态:在无机材料工业窑炉中:在无机材料工业窑
4、炉中:窑炉中的气体可看作是不可压缩气体;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。在某些高压喷嘴中,应将气体视作可压缩气体。2、气体的膨胀性、气体的膨胀性定义定义:流体受热(或冷却)后改流体受热(或冷却)后改变自身容积的特性变自身容积的特性 表示表示:dTdVVT1(1/K)气球受热气球受热膨胀膨胀膨胀系数膨胀系数T压强不变压强不变时,温度升高时,温度升高1K时时,流体体积的流体体积的相对变化率相对变化率 气体气体 膨胀系数很大,温度变化时体积变化很大膨胀系数很大,温度变化时体积变化很大理想气体理想气体:)1(2732730000tVtVTTVVTTT1压强一
5、定,压强一定,T V 理想气体膨胀系数理想气体膨胀系数:273115.2731T标态标态:1.1.1.3 气体粘性气体粘性 1、定义:、定义:气体内部质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以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反抗相对运动的性质粘性产生粘性产生原因原因相邻气体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动,相邻气体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动,即分子间吸引力。即分子间吸引力。气体内部分子的紊乱运动,使两层流体间有气体内部分子的紊乱运动,使两层流体间有分子相互掺混产生动量交换。(主要原因)分子相互掺混产生动量交换。(主要原因)2、粘性产生原因、粘性产生原因 神八飞船返
6、回舱在内蒙古四子王旗着陆表面受气体表面受气体摩擦灼烧现摩擦灼烧现象明显象明显 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律:运动流体的内摩擦力的大小与两层流体之间的速度运动流体的内摩擦力的大小与两层流体之间的速度梯度成正比。梯度成正比。单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力:dydwFf动力粘度动力粘度速度梯速度梯度度-动力粘度或动力粘滞系数。动力粘度或动力粘滞系数。单位单位:N.s/m2或或kg/m.s或或Pa.s 3、绝对粘度与相对粘度绝对粘度与相对粘度绝对粘度绝对粘度动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度 dydw相对粘度相对粘度:恩氏粘度,国际赛氏秒、商用雷氏秒等,:恩氏粘度,国际赛氏秒、商用雷氏秒等,
7、我国常采用我国常采用恩氏粘度恩氏粘度。单位单位:N.s/m2或或kg/m.s或或Pa.s 4、混合气体的粘度、混合气体的粘度计算公式:计算公式:niiiniiiimMM121121式中,式中,n混合气体的种类数;混合气体的种类数;m混合气体的粘度;混合气体的粘度;Mi、i、i混合气体中各组分的分子量、体积百分数、混合气体中各组分的分子量、体积百分数、粘度。粘度。5、粘度与温度的关系、粘度与温度的关系(1)影响粘度的因素)影响粘度的因素 液体:液体:主要取决于分子间的内聚力。主要取决于分子间的内聚力。温度温度T增大,增大,分子间距增加,内聚力减小,黏度降低。分子间距增加,内聚力减小,黏度降低。气
8、体:气体:主要取决于分子紊乱运动,温度主要取决于分子紊乱运动,温度T增大,分子增大,分子热运动增强,黏度增大热运动增强,黏度增大(2)气体的粘度与温度的关系:)气体的粘度与温度的关系:5.10)273)(273(TCTCtC与气体性质有关的常数,见表与气体性质有关的常数,见表1-1 1.1.1.4 气体的浮力气体的浮力液体:一般可不考虑其在气体浮力的作用液体:一般可不考虑其在气体浮力的作用气体:考虑其气体浮力的影响。气体:考虑其气体浮力的影响。例如:在空气中有两个同样大小的流体柱(高例如:在空气中有两个同样大小的流体柱(高10m,截面截面积为积为1m2)./2.13mkg空气已知热热烟烟气气水
9、水3/6.0mkg烟气3/1000mkg水N6.1178.92.1110:则水和空气的浮力相同NN8.588.96.0110981008.91000110气柱重:水柱重:但:不可以忽略对于烟气柱,气体浮力同数量级,与以忽略。对于水柱,气体浮力可NNNN6.1178.58,6.11798100 1.1.2 气体动力学基本方程式气体动力学基本方程式质量守恒原理质量守恒原理连续性方程连续性方程热力学第一定律热力学第一定律能量方程(柏努利方程)能量方程(柏努利方程)牛顿第二定律牛顿第二定律动量方程动量方程 1.1.2.1 连续性方程连续性方程 在流场中取微元六面体,根据质量守恒定律,在流场中取微元六面
10、体,根据质量守恒定律,推出空间流动的连续性方程。推出空间流动的连续性方程。0zuyuxuzyx方程适用条件:方程适用条件:可压缩流体,恒定流和非恒定流。可压缩流体,恒定流和非恒定流。讨论讨论0zuyuxuzyx(1)对于定常流动)对于定常流动:运动参数不随时间变化,则运动参数不随时间变化,则0上式变为上式变为:0zuyuxuzyx(2)对于不可压缩流体,)对于不可压缩流体,=常数常数0zuyuxuzyx上式变为上式变为:对于管流对于管流在管路没有泄漏和补充的情在管路没有泄漏和补充的情况下况下,在同一时间内,流进任在同一时间内,流进任一截面的流体的质量和从另一截面的流体的质量和从另一截面流出的流
11、体质量相等。一截面流出的流体质量相等。表达式表达式M M=M M出出 A1w11=A2w22=Aw 对不可压缩流体,对不可压缩流体,为常数为常数AwwAwA2211 1.1.2.2 伯努利方程伯努利方程流体的能量分析流体的能量分析机械能动能势能压力能压头动压头静压头单位体积流体所具有的能量几何压头221whkgzhag)(phs 1.1.伯努利方程伯努利方程(1 1)理想流体的伯努利方程)理想流体的伯努利方程 理想流体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动理想流体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动 任意取两个截面任意取两个截面1-11-1和和2-22-2,如图,如图:据能量守恒定律可得:据能量
12、守恒定律可得:gwgpzgwgpz2222222111伯努利方程伯努利方程不可压缩的理想流体在等温流动过程中,不可压缩的理想流体在等温流动过程中,在管道的任一截面上,流体的静压能、在管道的任一截面上,流体的静压能、位能及动能之和是不变的。位能及动能之和是不变的。三者之间可以相互转化三者之间可以相互转化 (2)(2)实际情况下的伯努利方程实际情况下的伯努利方程 实际流体有粘性,流动过程中有能量损失,能量方程:实际流体有粘性,流动过程中有能量损失,能量方程:Lhpgzpgz222221112121(3)(3)窑炉中热气体的伯努利方程:窑炉中热气体的伯努利方程:Laahpgzpgz222221112
13、1)(21)(4)(4)伯努利方程的简写式:伯努利方程的简写式:lkgskgshhhhhhh222111(5)(5)有能量输入或输出时:有能量输入或输出时:lkgsekgshhhhHhhh222111 2.2.窑炉中热气体伯努利方程(二流体)窑炉中热气体伯努利方程(二流体)Laahpgzpgz2222211121)(21)(上式适用条件:上式适用条件:a)不可压缩流体;不可压缩流体;b)质量力仅有重力;质量力仅有重力;c)恒定流动恒定流动注意问题:基准面的选择一定在注意问题:基准面的选择一定在上方上方几何压头几何压头动压头动压头静压头静压头阻力损失阻力损失lksgksghhhhhhh22211
14、1 (1)静压头)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)。相对压)。aspph(2)相对几何压头)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。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。gzhag)((3)动压头)动压头物理意义:单位体积的热气体所具有的动能。物理意义:单位体积的热气体所具有的动能。22whk (4)压头损失)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。量。即:摩擦阻力
15、损失和局部阻力损失的总和。2222)21(wwdlhhhelfl摩擦阻力系数,与摩擦阻力系数,与流体流态流体流态有关有关局部阻力系数,见附录局部阻力系数,见附录2 (5)流体流动状态及判断)流体流动状态及判断雷诺实验雷诺实验层流过渡流紊流 流体的三种流态流体的三种流态(A A)层流:流体作有规则的平行流动,质点之间互不干扰混杂)层流:流体作有规则的平行流动,质点之间互不干扰混杂(B B)过渡流)过渡流:质点沿轴向前进时,在垂直于轴向上也有分速度质点沿轴向前进时,在垂直于轴向上也有分速度(C C)紊(湍)流:质点间相互碰撞相互混杂,运动轨迹错综复杂)紊(湍)流:质点间相互碰撞相互混杂,运动轨迹错
16、综复杂 流态判断流态判断:雷诺准数dwRe圆形管道圆形管道d为直径为直径,非圆非圆形管道用当量直径形管道用当量直径当量直径当量直径de=水利半径水利半径RH4 4水利半径水利半径SFRHRe2300时,流态为层流;时,流态为层流;Re10000时,流态为湍流;时,流态为湍流;2300ReF2,w1w2,所以,所以hk1可忽略;又因可忽略;又因P2=Pa,所以,所以hs2=0伯努利方程简化为:伯努利方程简化为:ikshhh2111 即:即:2w2wp-p2222a1)p-(p211wa12)(212appw速度系数速度系数与流体流出时的阻力有关与流体流出时的阻力有关由实验确定由实验确定 通过小孔
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