第一章窑炉气体力学.
合集下载
热工基础与设备第1章-气体力学
1-2流体的 平均密度
V1-2流体的平 均体积流量
2014-1-17
36
2014-1-17 27
1、流体的流动类型（流态）
雷诺实验的装置：
0 雷诺实验的条件：水位高度不变—稳定流动，
水的温度不变—不可压缩，=常数
2014-1-17
28
雷诺实验的内容：
1，改变水的流速，观察示踪色液的流动情况。 2，改变流体种类、管径，观察示踪色液的流动情况。 雷诺实验的结果： ↓ ↑ ↑↑ 层流 过渡流 湍流
Re 106
Re 108
u= 0.86 umax
u = 0.90 umax
2014-1-17
34
流体动力学 2、连续性方程——不可压缩流体的质量方程 连续性方程
一维稳定管流的质量方程
M1 M 2 （流体无吸入或漏损）
1F1u1 2 F2u2
1 2（不可压缩流体）
u1 d 2 u 2 d1
静压能与位能之和相等。或者说两者之各为常数。
x
P2
y
Z2
Z1
方程式的物理意义 单位体积的流体具有的位能和静压能之和为常数。
2014-1-17
基准面取在下方，高度向上为正
18
流体静力学基本方程
2 讨 论
gH1 P1 gH 2 P2
H1=H2
P1=P2 --水平面为等压面
零压面
等压面
例题：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000℃，烟气标
态密度ρf,0为1.30kg/m3，窑外空气温度20℃，空气标态密度ρa,0为 1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为1atm(101325Pa)。求距离窑底 0.7m处窑内、外气体压强各多大？其相对压强多大？
V1-2流体的平 均体积流量
2014-1-17
36
2014-1-17 27
1、流体的流动类型（流态）
雷诺实验的装置：
0 雷诺实验的条件：水位高度不变—稳定流动，
水的温度不变—不可压缩，=常数
2014-1-17
28
雷诺实验的内容：
1，改变水的流速，观察示踪色液的流动情况。 2，改变流体种类、管径，观察示踪色液的流动情况。 雷诺实验的结果： ↓ ↑ ↑↑ 层流 过渡流 湍流
Re 106
Re 108
u= 0.86 umax
u = 0.90 umax
2014-1-17
34
流体动力学 2、连续性方程——不可压缩流体的质量方程 连续性方程
一维稳定管流的质量方程
M1 M 2 （流体无吸入或漏损）
1F1u1 2 F2u2
1 2（不可压缩流体）
u1 d 2 u 2 d1
静压能与位能之和相等。或者说两者之各为常数。
x
P2
y
Z2
Z1
方程式的物理意义 单位体积的流体具有的位能和静压能之和为常数。
2014-1-17
基准面取在下方，高度向上为正
18
流体静力学基本方程
2 讨 论
gH1 P1 gH 2 P2
H1=H2
P1=P2 --水平面为等压面
零压面
等压面
例题：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000℃，烟气标
态密度ρf,0为1.30kg/m3，窑外空气温度20℃，空气标态密度ρa,0为 1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为1atm(101325Pa)。求距离窑底 0.7m处窑内、外气体压强各多大？其相对压强多大？
1.1 气体力学基础
原料进料F
精 馏 塔
塔底产品W
陕西科技大学材料科学与工程学院 21
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
②稳定流动系统的能量守恒
对于稳定流动系统，单位时间内输入系统的 能量应等于输出系统的能量，即能量守恒。
反证法：若输入系统的能量不等于输出系统的能 量，则在系统中指定的某一截面上、直接反映流 体能量状态的物理参数（如速度、温度、压强等） 就不可能均为常数，也即系统不是稳定系统。 能量衡算与物料衡算相类似，也需要规定衡 算基准和衡算范围。通常用单位时间为基准（如 J/s），也可用单位质量为基准（J/kg）。
（2）连续介质假设给分析问题带来的方便
①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。 ②能运用数学分析的连续函数工具。
陕西科技大学材料科学与工程学院 15
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
1.6 稳定与不稳定的概念
（1）稳定流动系统与不稳定流动系统
系 统——研究的对象。 流动系统——系统中的流体处于流动状态 时称为流动系统。
i 1 i j 1
n
m
j
陕西科技大学材料科学与工程学院 23
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
1.7 可压缩气体与不可压缩气体
不可压缩气体——气体在流动过程中，气 体的密度不随压强的变化而变化，这样的 气体称为不可压缩气体。 可压缩气体——气体在流动过程中，气体 的密度随压强的变化而变化，这样的气体 称为可压缩气体。
（C）紊流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂
陕西科技大学材料科学与工程学院 27
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
气体力学在窑炉中的应用
dV Vn dT 1 n
T
1 dv v dT
T
V n1 V n1 1 （1-3a） n 1 1 n TV 1 n 1 n T
TV n1
视为不可压缩气体：窑炉中的低压空气和烟气的压强近似等于外界大气压，流速远 低于当地音速，流动过程中的压强变化不超过 0.5%，虽然温度变化较大，但若分段处 理， 每段温度变化不大， 气体密度变化不超过 20％， 可简化计算过程， 结果亦符合要求。 可压缩气体：气体的流速在 100m/s 以上或压强和温度变化较大，如高压气体外射 流动等。 初始状态 p0、T0、V0、ρ0 平均流速 ω0 终了状态 p、T、V、ρ 平均流速 ω
V0Tt
T0
t
＝1000×（273＋250）/273＝1916 m3
t 0T0 T ＝1.293×273/（273＋250）＝0.67 kg/m3
由此可知，空气经过加热后体积明显增加，密度明显下降，因此在窑炉的热工计算 中，不能忽略气体体积和气体密度随温度的变化。 （二）气体的膨胀性和压缩性 体积膨胀系数
μ0×10 （Pa·s）
1.72 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.48 ~1.47
6
C 122 118 138 239.7 118 71.7 198 225.9 377 416 673 ~150 ~186 －21~302 15~100 －21~302 17~100 －21~302 15~184 18~100 － － －
（1-2）
1
【例 1】将 1000m3，0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密度为 1.293kg/m3，求加 热至 250℃时气体的体积和密度。 解：
第一章 窑炉气体力学小结
第一章 窑炉气体力学小结一、静力学基本方程式 p+ρgz=常数 (重力场作用下的静止流体)二、连续性方程式 f 1u 1ρ1=f 2u 2ρ2=f 3u 3ρ3=q v =常数 (流体在管道内作稳定流动)三、柏努利方程式对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入dp+ρgdz +ρd(u 2/2)=0 积分得： p+ρgz+ρu 2/2=常数 对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为： p 1+ρgz 1+ρu 12/2=p 2+ρgz 2+ρu 22/2若考虑流体在流动过程中因摩擦、冲击而消耗部分能量，1-2处柏努利方程式为：p 1+ρgz 1+ρu 12/2=p 2+ρgz 2+ρu 22/2+h l1-2实际流体由I －I 截面流至II －II 截面时总流的柏努 利方程式可表示为： 21222221112221-+++=++l h u a gz p u a gz p ρρρρa=2（圆管层流）；a=1.03－1.1（圆管湍流）四、两气体的柏努利方程(p h1-p a1)+gz 1(ρa -ρh )+ρhu 12/2 =(p h2 - p a2)+(ρa -ρh )gz 2+ρhu 22/2+h l1-2压头概念（1）相对静压头h s ；h s = p h -p a（2）相对几何压头h g ；h g =Hg(ρa -ρh )（3）动压头h k ；h k =ρh u 2/2（4）压头损失h l 。
各压头之间转换关系如图所示，动压头转换为压头损失是不可逆的。
五、气体运动过程中的阻力损失1、摩擦阻力气体在管道内流动，由于管壁的摩擦作用以及气体内部的摩擦作用，形成了管道对气体的摩擦阻力。
摩擦阻力的计算式： h lm = lλ/d·(ρu 2/2) Pa气体在直管内做层流流动时，摩擦阻力系数λ= 64/Re ，式中：Re=ρu l/μ，雷诺数；气体做湍流流动时，摩擦阻力系数不仅与Re 有关，还与管壁粗糙度有关，λ=A/Re n2、局部阻力当气体管道发生局部变形，如扩张、收缩、拐弯、通道设闸板等障碍。
气体力学基础
陕西科技大学材料科学与工程学院
7
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
压缩性：是指作用于气体上的压强增大时， 气体所占有的体积减小、密度增大的特性。 用压缩系数 p 表示。
1 dv p v dp
[m2/N]或[1/Pa]
p的物理意义——气体温度一定时，气体压
强增加1Pa，气体体积的相对变化率。
[Pa· s]
c 是常数(p页表1-1)，与气体的种类有关。
陕西科技大学材料科学与工程学院 16
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
1.4 空气的浮力
原理：阿基米德定律。
设： 一流体中，一物体，体积V 则，浮力：F = V· 流体· g 重力：P = V· 物体· g
陕西科技大学材料科学与工程学院 17
F(浮力)
•
P(重力)
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
讨论：
(1) 假设1m3流体（液体）在空气中
则：P=9810N（ H2O 1000 kg / m ）
3
F=11.77N（ a 1.2kg / m3 ） P» F，所以液体在空气中的浮力可忽略不 计。所以说水总是由高处向低处流动。
1.20kg / m ) F=11.77N ( 冷＝a ,20＝
3
可见，P<F，即浮力大于重力。 净浮力 = 浮力(F) – 重力(P) = 5.88N > 0 由此可见，热烟气在没有机械能加入 的情况下，将会在净浮力的作用下，由下 向上自动流动。
陕西科技大学材料科学与工程学院 19
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
7
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
压缩性：是指作用于气体上的压强增大时， 气体所占有的体积减小、密度增大的特性。 用压缩系数 p 表示。
1 dv p v dp
[m2/N]或[1/Pa]
p的物理意义——气体温度一定时，气体压
强增加1Pa，气体体积的相对变化率。
[Pa· s]
c 是常数(p页表1-1)，与气体的种类有关。
陕西科技大学材料科学与工程学院 16
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
1.4 空气的浮力
原理：阿基米德定律。
设： 一流体中，一物体，体积V 则，浮力：F = V· 流体· g 重力：P = V· 物体· g
陕西科技大学材料科学与工程学院 17
F(浮力)
•
P(重力)
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
讨论：
(1) 假设1m3流体（液体）在空气中
则：P=9810N（ H2O 1000 kg / m ）
3
F=11.77N（ a 1.2kg / m3 ） P» F，所以液体在空气中的浮力可忽略不 计。所以说水总是由高处向低处流动。
1.20kg / m ) F=11.77N ( 冷＝a ,20＝
3
可见，P<F，即浮力大于重力。 净浮力 = 浮力(F) – 重力(P) = 5.88N > 0 由此可见，热烟气在没有机械能加入 的情况下，将会在净浮力的作用下，由下 向上自动流动。
陕西科技大学材料科学与工程学院 19
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
材 料 热 工 基 础 | 气 体 力 学 基 础
1气体力学解析
（2）温度变化范围大；(?) （3）窑内热气体受窑外冷气体浮力影响大。
等温段分段处理法
• 在高温窑炉中，气体的组成、温度和压力的变 化，气体的密度是渐变的。
• 若截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通 道、局部孔口等作为研究对象，采取分段处理 的方法，在每个等温段中，等温、等压， =const，所以可视为不可压缩气体。
[Pa·s]
气体的粘度与温度的关系式： t
t
(
273 C T C
)
(
T) 273
3 2
[Pa·s]
μ0——273K时气体的黏度，空气μ0=1.720×10-5 Pa·s； 烟气μ0=1.587×10-5 Pa·s C——与气体的种类有关的常数，空气C=122，烟气 C=173。
•相对粘度的测定
我国常采用恩氏粘度： 200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出 所需要的时间t(s)与同体积的蒸馏水在20℃时， 从恩氏粘度计流出所需要的时间t0(s)的比值。
适用于理想气体状态方程式。
pV nRT m RT M
＝ m
V
pM RT
式中：T----热力学温度，K R----通用气体常数，R=8.3143 J/(mol.K) n ----气体的摩尔数，mol p ----压强，N/m2或Pa(绝对压强) V----体积，m3 m----气体的质量，kg M----气体的摩尔质量，kg/mol
(2) 流化床( 沸腾床 ) 阶段 流体流速继续增大，颗粒开始松动， 流速达一定值时，颗粒产生明显位移，如液体沸腾， 有一个清晰的床层界面 。
(3) 颗粒（气力或液力）输送
流体流速进一步增大，当u =u0时，颗粒被带走。
流化床类似液体的特性
等温段分段处理法
• 在高温窑炉中，气体的组成、温度和压力的变 化，气体的密度是渐变的。
• 若截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通 道、局部孔口等作为研究对象，采取分段处理 的方法，在每个等温段中，等温、等压， =const，所以可视为不可压缩气体。
[Pa·s]
气体的粘度与温度的关系式： t
t
(
273 C T C
)
(
T) 273
3 2
[Pa·s]
μ0——273K时气体的黏度，空气μ0=1.720×10-5 Pa·s； 烟气μ0=1.587×10-5 Pa·s C——与气体的种类有关的常数，空气C=122，烟气 C=173。
•相对粘度的测定
我国常采用恩氏粘度： 200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出 所需要的时间t(s)与同体积的蒸馏水在20℃时， 从恩氏粘度计流出所需要的时间t0(s)的比值。
适用于理想气体状态方程式。
pV nRT m RT M
＝ m
V
pM RT
式中：T----热力学温度，K R----通用气体常数，R=8.3143 J/(mol.K) n ----气体的摩尔数，mol p ----压强，N/m2或Pa(绝对压强) V----体积，m3 m----气体的质量，kg M----气体的摩尔质量，kg/mol
(2) 流化床( 沸腾床 ) 阶段 流体流速继续增大，颗粒开始松动， 流速达一定值时，颗粒产生明显位移，如液体沸腾， 有一个清晰的床层界面 。
(3) 颗粒（气力或液力）输送
流体流速进一步增大，当u =u0时，颗粒被带走。
流化床类似液体的特性
第一章 气体力学在窑炉中的应用
(2)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：
z1g
p1
1 2
12
z2 g
p2
1 2
2 2
hL
(3)窑炉中热气体的伯努利方程：
z1 ( a
)g
p1
1 2
12
z2 (a
)g
p2
1 2
22
hL
(4)伯努利方程的简写式：
hs1 hk1 hs2 hk2
因为 hk1＞hk2
流体在一水平 的、逐渐扩张 的管道中流动
则 hs2＜hs1 即 hk→hs
同理流体在渐缩管道中流动时: hs→hk
（3）压头的综合转变 1-1和2-2的伯努力方程:
hg1 hs1 hk1 hg2 hs2 hk2 hL
通过小孔吸入的气体流量：
V＝F （ 2 pa p1 ) a
流量系数 μ =ε ψ 由实验确定
2、气体通过炉门的吸入和流出
A) 气体通过炉门的流出（炉内正压）
如图。设炉门高为H，宽为B
B
炉门与小孔区别为炉门内的压强 随高度而变化。
H
在炉门中心线上取一微元体dz 则微元体面积为：dF = B dz，
定义: 流体受热（或冷却）后改 变自身容积的特性
表示:
T
1 V
dV dT
(1/K)
气球受热 膨胀
膨胀系数β T—压强不变时，温度升高1K时, 流体体积的相对变化率
气体— 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大
1.1气体力学在窑炉中的应用
单击此处编辑母版标题样式 速度梯度为1时 1.1.4.2 粘度及其换算
单位接触面积 上的内摩擦力
•
单击此处编辑母版副标题样式 动力粘度
绝对粘度
运动粘度
du dy
粘度↑粘性 ↑ 流动性↓
28
1.1流体的物理性质
•相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，
我国常采用恩氏粘度。
αi—混合液体中各种液体的质量百分比，%
ρi—气体或液体混合物中各组分的密度，㎏／m3；
10
1.1流体的物理性质
（2）流体的密度与温度、压力的关系
1)液体：工程上液体的密度看作与温度、压力无关。
2)气体：密度与温度和压力有关。
P PV P V P 单击此处编辑母版标题样式 T T T T
单击此处编辑母版标题样式
液体— 膨胀系数很小，工程上一般不考虑
流体压缩性的区别:
• 单击此处编辑母版副标题样式
气体— 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大
21
1.1流体的物理性质
理想气体:
V0 273 t V T V0 V0 (1 T t ) T0 273
单击此处编辑母版标题样式 压强一定，t↑—— V ↑
单击此处编辑母版标题样式 18 44 28
i 1
m0 xi i0
0.12
n
• 单击此处编辑母版副标题样式
200℃时的烟气密度：
m m.0
T0 T 273 0.756(kg / m 3 ) 273 200
12
22.4 1.325(kg / m 3 )
• 单击此处编辑母版副标题样式
相邻流体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动
《热工基础与设备》第01章-窑炉气体力学-120页PPT资料
05.01.2020
14
流体的基本性质和力学模型
§1.2 流体流动特征量
温度 （ ℃ ，K）
压力 （Pa ，N/m2 )
绝对压强P 相对压强Ps
PPa 0 正压 PPa 0 负压 PPa 0 零压
05.01.2020
15
流体的基本性质和力学模型
流速与流量
m/s,Nm /s
f
uF
d
dy
f F
分析： 阻力 耗能
d dy
阻力 耗能
d dy
** 温度对流体粘度的影响
理想流体和实际流体
u
d
dy
05.01.2020
11
粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定: τ=μdω/dy （N/m2）
式中 dω/dy：速度梯度，1/s； τ：剪切(应)力，N/m2； μ：粘度，也称动力粘度系数，N·s/m2即 Pa·s。
9
在已往的液体计算中，极少考虑大气的浮力， 而在窑炉中所存在的热气体进行计算时，务必 要考虑气体所受的浮力。
例如：在20ºC大气中对于1m3密度为 0.5kg/m3的热气体自重仅为 4.9N ，浮力则 为 11.8N ，故不能忽略。
05.01.2020
10
流体的基本性质和力学模型
流体的粘滞性及内摩擦定律（牛顿定律）
μ0和C值见表1.1。
05.01.2020
13
表1.1 各种气体的μ0和C值
气体
空气
N2 O2 CO2 CO
H2 CH4 C2H4 NH3 SO2 H2O 发生炉煤气 燃烧产物
μ0×107 （Pa·s）
1.71 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.45 ~1.47
热工基础与窑炉分析
图1.6 动压头之间的转换
例4 如图1.7所示倒焰窑，高3.2m，窑内烟气温度为1200℃，烟气标态 密度ρf,0=1.3kg/m3，外界空气温度20℃，空气标态密度ρa,0=1.293kg/m3， 当窑底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求 三种情况下，窑顶以下空间静压头，几何压头分布状况。
图1.7
解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用 两气体静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在 窑顶II－II截面上。 列出静力学方程式
hs1 +hg1 = hs2 +hg2 由于基准面取在截面II上，hg2= 0 代入具体公式进行计算：
hg1 = Hg(ρa-ρf) ρa = ρa,0·T0/T = 1.293×273/293 = 1.20kg/m3 ρf = ρf,0·T0/T = 1.30×273/1473 = 0.24kg/m3 hg1 = 3.2×9.81×(1.20-0.24 )= 30Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时气体在管道内由II－II截面I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
图1.7b所示。其能量总和为：hs+hg=c2 =13Pa 在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如
图1.7c所示。其能量总和为：hs+hg=c3 =0
例4 如图1.7所示倒焰窑，高3.2m，窑内烟气温度为1200℃，烟气标态 密度ρf,0=1.3kg/m3，外界空气温度20℃，空气标态密度ρa,0=1.293kg/m3， 当窑底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求 三种情况下，窑顶以下空间静压头，几何压头分布状况。
图1.7
解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用 两气体静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在 窑顶II－II截面上。 列出静力学方程式
hs1 +hg1 = hs2 +hg2 由于基准面取在截面II上，hg2= 0 代入具体公式进行计算：
hg1 = Hg(ρa-ρf) ρa = ρa,0·T0/T = 1.293×273/293 = 1.20kg/m3 ρf = ρf,0·T0/T = 1.30×273/1473 = 0.24kg/m3 hg1 = 3.2×9.81×(1.20-0.24 )= 30Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时气体在管道内由II－II截面I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
图1.7b所示。其能量总和为：hs+hg=c2 =13Pa 在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如
图1.7c所示。其能量总和为：hs+hg=c3 =0
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
pf1-pa1=101323-101317=6Pa。
二、连续性方程式
连续性方程式表示为： 当流体在管道内作稳定流 动时，通过管道任一截面 的质量流量都相等。故I－I， 图1.2 流体在管道中的流动 II－II，III－III断面处：
f1u1ρ1=f2u2ρ2=f3u3ρ3=常数
对于不可压缩气体，ρ不变，故 f1u1=f2u2=f3u3=qv=常数 式中： qv：气体的体积流量，m3/s。 上式还可写成： u1/u2=f2/f1 即气体流速与截面面积成反比。
τ=μdu/dy N/m2 式中 du/dy：速度梯度，1/s； τ：剪切力，N/m2； μ：粘度，也称动力粘度系数，N· s/m2即Pa· s。 在流体力学计算中，也经常用 υ=μ/ρm2/s，υ 为运动粘度系数。
气体粘度与温度之间的关系表示为：
μt=μ0 [(273+C)/(T+C)](T/273)3/2 Pa· s
第一章 窑炉气体力学
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。本章的研究中心问题是气体流动。只有了解了 气体的特性，才能把流体力学的知识准确地应用于窑炉系统 的气体力学研究中。
第一章 窑炉气体力学
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
三、柏努利方程式
对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入 dp+ρgdz +ρd(u2/2)=0 积分得： p+ρgz+ρu2/2=常数 对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为：
p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2
若考虑流体在流动过程中因摩擦、冲击而消耗部分能量，1-2 处柏努利方程式为： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2+h l1-2
例3 如图，风机吸入口直径200mm， 压力测量计测得 水柱高度40mm， 空气密度1.2kg/m3， 不计气体流动过 程的能量损失，求风机的风量？
解：选取图中I－I、II－II截面，列出柏 努利方程式： p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρgz2+ρu22/2+hl1-2 因I、II截面处于同一高度，有z1=z2； 空气静止u1=0；不计压头损失，hl1-2=0， 得到：p1=p2+ρu22/2 因为P1为大气压强，p2=p1-40×9.81=p1-392.4， 所以有 ρu22/2 =392.4，u2=(392.4×2/1.2)0.5=25.6m/s 流量qv=uF=25.6×(π/4)×0.22=0.804 m3/s。
例2：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000℃，
烟气标态密度ρf,0为1.30kg/m3，窑外空气温度20℃，空气标态 密度ρa,0为1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为 1atm(101325Pa)。求距离窑底0.7m处窑内、外气体压强各多 大？其相对压强多大？
例2
解：根据公式ρt /ρo=To /Tt，则烟气、空气分别在 1000℃、20℃时的密度：
§2 气体力学基本定律
一、静力学基本方程式
重力场作用下的静止流体，将欧拉平衡微分方程 式在密度不变的情况下进行积分求解，得到静力学基 本方程式：
p+ρgz=常数
对处于平衡状态流体内的1、2点， p1+ρgz1= p2+ρgz2 为应用方便，上式可写成： p1=p2+ρg（z2－z1）=p2－ρgH
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
解：Vt=V0Tt /T0=1000×523/273=1916 m3 ρt=ρ0T0 /Tt=1.293×273/523 =0.67 kg/m3 由此可知，空气经过加热后体积明显增加， 密度明显下降，因此在窑炉的热工计算中，不 能忽略气体体积和气体密度随温度的 变化。
二、气体粘度与温度之间的关系
粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定
式中 μt：在t℃时气体的粘度，Pa· s； μ0：在0℃时气体的粘度，Pa· s；
T ：气体的温度，K；
C ：与气体性质有关的常数。几种气体的μ0和C 值见表1.1。
表1.1 各种气体的μ0和C值
气 体 μ0×107 （Pa· s） 1.71 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.45 ~1.47 C(K) 114 118 138 239.7 118 71.7 198 225.9 377 416 673 ~150 ~170 C值适用的温度范围 (℃) 0~300 50~100 17~186 －21~302 15~100 －21~302 17~100 －21~302 15~184 18~100 － － －
＊恒温条件下， T=常数 pυ=常数，p/ρ=常数 p1 /p2 =υ2 /υ1 =ρ1 /ρ2 ＊ 恒压条件下， p=常数 υ/T=常数，ρT=常数， υt/υ0=Tt/T0，Vt /V0=Tt /T0， ρt/ρo=To/Tt
例1 将1000m3，0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密
度为1.293kg/m3，求加热至250℃时气体的体积和密度。
气体的主要特征 气体力学基本定律 气体运动过程中的阻力损失 气体的流出 可压缩气体的流动 流股及流股作用下窑内气体运动 烟囱与喷射器 流态化原理
§1 气体的主要特征
一、理想气体状态方程 对于理想气体，温度－压强－体积之间的 关系可以用理想气体状态方程式表示： pV=nRT 由于 n=m/M，公式又可写成: pV=(m/M)RT
空 气 N2 O2 CO2 CO H2 CH4 C2H4 NH3 SO2 H2O 发生炉煤气 燃烧产物
三、气体所受的浮力
在已往的液体计算中，极少考虑大气的浮力，
而在窑炉中所存在的热气体进行计算时，务必要 考虑。 例如：对于1m3密度为0.5kg/m3的热气体自重 仅为4.9N，浮力则为11.76N，故不能忽略。
由于平均流速计算的动压头与各流线动压头的
平均值不等，为此应该引入修正系数a。
实际流体由I－I截面流至II－II截面时总流的柏努
利方程式可表示为：
2 ρ u 1 = p +ρgz +a p1+ρgz1+a1 2 2 2 2
2 ρ u 2 +h l1-2 2
a=2（圆管层流）；a=1.03－1.1（圆管湍流）
ρa=1.293×273/293=1.21kg/m3
ρf =1.30×273/(273+1000)=0.28kg/m3 根据基本方程式求出气体压强：
pa1=pa2-ρagH=101325-1.21×9.81×0.7=101317Pa
pf1=pf2-ρfgH=101325-0.28×9.81×0.7=101323Pa 距窑底0.7m处相对压强