第一章 氣體力學在窯爐中的應用

1、1 材料工程基礎 2 材料成分、制備工藝、組織結構及材料性能材料成分、制備工藝、組織結構及材料性能這四大要這四大要 素及其相互關系是當今材料科學與工程研究的主要任務。素及其相互關系是當今材料科學與工程研究的主要任務。 本課程圍繞本課程圍繞材料制備過程中的工程實際材料制備過程中的工程實際，以物理化學，以物理化學 過程中的三傳（過程中的三傳（質量、動量、能量質量、動量、能量），介紹相關的工程），介紹相關的工程 理論、工程應用和工程研究方法。理論、工程應用和工程研究方法。 3 氣體力學：宏觀上研究氣體平衡、流動規(guī)律的學科 氣體流動與窯爐操作、設計關系密切氣體流動與窯爐操作、設計關系密切 氣體流動狀態(tài)

2、、速度方向對熱交換過程影響氣體流動狀態(tài)、速度方向對熱交換過程影響 氣流混合對燃料燃燒影響氣流混合對燃料燃燒影響 氣流的分布對爐溫、爐壓影響氣流的分布對爐溫、爐壓影響 第一章 氣體力學在窯爐中的應用 4 本章節(jié)主要內容：本章節(jié)主要內容： 第一節(jié) 氣體力學基礎 1、氣體的物理屬性、氣體的物理屬性 狀態(tài)方程、膨脹性與壓縮性、粘性、浮力狀態(tài)方程、膨脹性與壓縮性、粘性、浮力 2、氣體動力學基本方程、氣體動力學基本方程 質量方程、能量方程、動量方程質量方程、能量方程、動量方程 第二節(jié) 窯爐內的氣體流動 1、不可壓縮氣體的流動、不可壓縮氣體的流動 窯爐流出、流入；分散垂直氣流法則窯爐流出、流入；分散垂直氣流

3、法則 2、可壓縮氣體的流動、可壓縮氣體的流動 通過漸縮噴嘴；通過拉伐爾噴嘴通過漸縮噴嘴；通過拉伐爾噴嘴 5 第一節(jié) 氣體力學基礎 mRTPV RTP M R 3.8314 一、氣體的物理屬性 或或 RJ/Kmol.k，MKg/Kmol （一） 理想氣體狀態(tài)方程 狀態(tài)方程、膨脹性與壓縮性、粘性狀態(tài)方程、膨脹性與壓縮性、粘性/浮力浮力 6 例：將例：將1000m3,0空氣送入加熱器中加熱，標況下空氣密度為空氣送入加熱器中加熱，標況下空氣密度為 1.293kg/m3， ，求加熱至 求加熱至250時氣體的體積和密度。時氣體的體積和密度。 解：解： ）（ ）（ 2 1 000 ttt mRTVp mRT

4、Vp 等壓過程，等壓過程，pt=p0 tt T T V V 00 2 1 得， ）（ ）（ 3 00 3 0 0 /67. 0)250273/(273293. 1 1916273/ )250273(1000 mkg T T m T TV V t t t t 7 1 dT d T 1 K 1 dP d P 1 N m 2 d dP d dP E P 1 （二）氣體的膨脹性、壓縮性 m3/kg 壓縮系數(shù)壓縮系數(shù) 氣體的體積彈性模量氣體的體積彈性模量 氣體的比容氣體的比容 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) 8 n n p pV nn TTV 11 nn pT 1 常數(shù)常數(shù) 常數(shù)常數(shù) 常數(shù)常數(shù) 氣體的膨脹系數(shù)和壓縮系

5、數(shù)的大小與膨脹或壓縮過程的特性有關，氣體的膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)的大小與膨脹或壓縮過程的特性有關， 還與熱量傳遞的多少有關，是一個變化量。還與熱量傳遞的多少有關，是一個變化量。 eq eq n /1 / V p c c q e 系統(tǒng)內氣體的內能增量系統(tǒng)內氣體的內能增量 加給系統(tǒng)的熱量加給系統(tǒng)的熱量 理想氣體的多變過程參數(shù)關系由多變過程（有熱量傳遞時，氣體的膨脹或壓理想氣體的多變過程參數(shù)關系由多變過程（有熱量傳遞時，氣體的膨脹或壓 縮過程）方程給出。縮過程）方程給出。 9 氣體膨脹性、壓縮性比液體大得多，屬于可壓縮流體。但窯爐 系統(tǒng)中煙氣近似于外界大氣壓。流速遠低于音速，壓強變化?。ú?超過0.5%

6、），雖然整個系統(tǒng)的溫度變化較大，但若溫度分段處理， 使氣體密度變化20%，可視為不可壓縮流體。 10 (三）氣體的粘性 有關粘性的幾個認識：有關粘性的幾個認識： 粘性是流體抵抗變形的能力。粘性是流體抵抗變形的能力。 一切流體都具有粘性，是流體固有的特性。一切流體都具有粘性，是流體固有的特性。 粘性剪切應力是粘性的具體表現(xiàn)。流體的粘性只有在運粘性剪切應力是粘性的具體表現(xiàn)。流體的粘性只有在運 動的流體中才表現(xiàn)出來。動的流體中才表現(xiàn)出來。 不考慮粘性作用的流體稱為無粘性流體或理想流體，考不考慮粘性作用的流體稱為無粘性流體或理想流體，考 慮粘性作用的流體成為粘性流體。慮粘性作用的流體成為粘性流體。 1

7、1 牛頓內摩擦定律牛頓內摩擦定律 dy d 2 /mN dy d s/1 剪切應力， ，Pa 速度梯度， sm / 2 t 5 . 1 0 ) 273 )( 273 273 ( T T C t 0 C 運動粘度，運動粘度， T的關系 查表11 （1）流體受剪切運動必定流動；）流體受剪切運動必定流動； （2）靜止的流體中剪切應力為零。）靜止的流體中剪切應力為零。 動力粘度，表示面積各為1m2并相距 1m的兩平板，以1m/s的速度作相對運動 時，因之間存在的流體互相作用所產生 的內摩擦力。單位Ns/m2 （PaS） 12 空氣、淡水和海水在不同溫度下的空氣、淡水和海水在不同溫度下的、 13 想一想

8、： 為什么隨著溫度的 升高，液體的粘度 減小，而氣體的粘 度增大？ 14 g a g a )( a 阿基米德浮力原理，單位體積氣體在空氣中浮力阿基米德浮力原理，單位體積氣體在空氣中浮力 合力：合力： 液體：液體： ，通常不考慮浮力的影響。，通常不考慮浮力的影響。 （四）空氣的浮力 氣體（窯爐熱氣體），氣體（窯爐熱氣體）， a 浮力浮力重力。窯爐系統(tǒng)中的熱氣體在沒有外界機械能加入重力。窯爐系統(tǒng)中的熱氣體在沒有外界機械能加入 的情況下，具有的情況下，具有自下而上自下而上自然流動的趨向。自然流動的趨向。 15 例：對于例：對于1m3密度為密度為0.5kg/m3的熱氣體自重僅為的熱氣體自重僅為4.9N

9、，浮，浮 力則為力則為11.76N，故不能忽略。，故不能忽略。 浮力方向：自下而上，與重力相反。浮力方向：自下而上，與重力相反。 浮力的大小：浮力的大?。?重力的大小：重力的大?。?)(NgV a )(NgV 16 二、氣體動力學基本方程 17 n靜力學基本方程式靜力學基本方程式 重力場作用下的靜止流體，將歐拉平衡微分方程式在重力場作用下的靜止流體，將歐拉平衡微分方程式在 密度不變的情況下進行積分求解，得到靜力學基本方程式：密度不變的情況下進行積分求解，得到靜力學基本方程式： constgzp 處于平衡狀態(tài)流體內的處于平衡狀態(tài)流體內的1、2點：點： 2211 gzpgzp gHpzzgpp 2

10、1221 )( 或寫成，或寫成， 18 例：例：如圖所示的窯爐，內部充滿熱煙氣，溫度為如圖所示的窯爐，內部充滿熱煙氣，溫度為1000，煙氣標態(tài)，煙氣標態(tài) 密度密度 為為1.30kg/m3，窯外空氣溫度，窯外空氣溫度20，空氣標態(tài)密度，空氣標態(tài)密度 為為 1.293kg/m3，窯底內外壓強相等窯底內外壓強相等，均為，均為1atm(101325Pa)。求距離窯。求距離窯 底底0.7m處窯內、外氣體壓強各多大？其相對壓強多大？處窯內、外氣體壓強各多大？其相對壓強多大？ 0 ,f 0,a 19 解：根據公式解：根據公式 t t T T0 0 則煙氣、空氣在則煙氣、空氣在1000,20時的密度分別為：時

11、的密度分別為： 3 3 /21. 1)20273/(273293. 1 /28. 0)1000273/(27330. 1 mkg mkg a f 根據基本方程式求出氣體壓強：根據基本方程式求出氣體壓強： PagHpp PagHpp fff aaa 1013237 . 081. 928. 0101325 1013177 . 081. 921. 1101325 21 21 距離底距離底0.7m處相對壓強：處相對壓強： Papp af 6101317101323 21 20 質量方程質量方程 （ ）： 單位時間內通過控制面的氣體凈流出量單位時間內通過控制面的氣體凈流出量+單位時間控制體內氣體質量變化

12、單位時間控制體內氣體質量變化=0 dFn F V dV V 0+ 21 氣體質量流量氣體質量流量 （一）穩(wěn)定態(tài)一元流（管流）質量方程 不可壓縮流體：密度近似為常數(shù)不可壓縮流體：密度近似為常數(shù) 質量方程：質量方程： FFF FFdFdFdFn0 11122212 mFwFw 222111 . 2211 VFwFw（1-18） V氣體的體積流量，氣體的體積流量，m3/s 22 n例：當流體在管道內作穩(wěn)例：當流體在管道內作穩(wěn) 定流動時，通過管道任一定流動時，通過管道任一 截面的質量流量都相等，截面的質量流量都相等， mFFF 333222111 故故 -，-，-斷面處：斷面處： 對于不可壓縮氣體，對

13、于不可壓縮氣體，不變，有：不變，有： VFFF 332211 即，即，氣體流速與截面積成反比。氣體流速與截面積成反比。 23 應用實例：應用實例： 例如，在河道窄的地方，水流得比較快；而在河道例如，在河道窄的地方，水流得比較快；而在河道 寬的地方，水流得比較慢。寬的地方，水流得比較慢。 24 （二）穩(wěn)定態(tài)一元流（管流）能量方程伯努利方程 歷史故事：歷史故事： 1912年秋天的一天，當時世界上年秋天的一天，當時世界上最大最大的遠洋輪船的遠洋輪船“奧林奧林 匹克匹克”號正在大海上航行，在離它號正在大海上航行，在離它100米遠的地方，有一艘比它米遠的地方，有一艘比它 小得多小得多的換甲巡洋艦的換甲巡

14、洋艦“豪克豪克”號與它號與它平行平行地疾駛著。地疾駛著。 可是卻發(fā)生了一件意外的事情：小船好象被大船可是卻發(fā)生了一件意外的事情：小船好象被大船吸吸了去似了去似 的，一點也的，一點也不服從舵手的操縱不服從舵手的操縱，竟一個勁地向，竟一個勁地向“奧林匹克奧林匹克”號號 沖去。最后，沖去。最后，“豪克豪克”號的船頭撞在號的船頭撞在“奧林匹克奧林匹克”號的船舷上，號的船舷上， 把把“奧林匹克奧林匹克”號撞了個大洞。號撞了個大洞。 25 尼爾尼爾伯努利，伯努利，1700年年1月月29日生日生 于尼德蘭的格羅寧根。于尼德蘭的格羅寧根。1724年，尼爾年，尼爾 獲得有關微積分方程的重要成果，從而獲得有關微積

15、分方程的重要成果，從而 轟動歐洲科學界。他著名的轟動歐洲科學界。他著名的流體力學流體力學 一書影響深遠。他同時是氣體動力學一書影響深遠。他同時是氣體動力學 專家。專家。 1726年，伯努利通過無數(shù)次實驗，發(fā)現(xiàn)了年，伯努利通過無數(shù)次實驗，發(fā)現(xiàn)了“邊界層表面邊界層表面 效應效應”：流體速度加快時。物體與流體接觸的界面上的壓力流體速度加快時。物體與流體接觸的界面上的壓力 會減小，反之壓力會增加。會減小，反之壓力會增加。為紀念這位科學家的貢獻，這一為紀念這位科學家的貢獻，這一 發(fā)現(xiàn)被稱為發(fā)現(xiàn)被稱為“伯努利效應伯努利效應”。 伯努利效應適用于包括氣體在內的一切流體。伯努利效應適用于包括氣體在內的一切流體

16、。 26 gz 2 2 u e p 動能動能 內能內能 壓力能壓力能 位能位能 控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內單位質量氣體的能量包括：控制系統(tǒng)，系統(tǒng)內單位質量氣體的能量包括： 能量守恒原理：能量守恒原理：在穩(wěn)態(tài)，單位時間傳入系統(tǒng)的熱量等于系在穩(wěn)態(tài)，單位時間傳入系統(tǒng)的熱量等于系 統(tǒng)內氣體能量增量與系統(tǒng)對外作出功率之和。統(tǒng)內氣體能量增量與系統(tǒng)對外作出功率之和。 27 m FF LudF p e u gzudF p e u gzQ 12 ) 2 () 2 ( 22 m FFFF LudF u udF p egzudF u udF p egzQ 11222 )( 2 )( 2 1 1 1 11 2 2 2 2 22

17、 對于穩(wěn)定態(tài)一元流動，氣體的熱力學參數(shù)在斷面上均勻對于穩(wěn)定態(tài)一元流動，氣體的熱力學參數(shù)在斷面上均勻 m L w m p egzm w m p egzmQ 2 )( 2 )( 2 1 1 1 1 11 2 2 2 2 2 221122 1 2 2 1 2 2 1 2 1 1 w udF u m F 2 2 2 2 2 2 2 2 w udF u m F 式中 、 平均動能修正系數(shù) 28 0 . 2 0 . 1 12 mm 層流時，層流時， 湍流時湍流時, 穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動 單位質量氣體的能量方程單位質量氣體的能量方程熱力學第一定律熱力學第一定律 m l wp egz wp egzq) 2 ()

18、2 ( 2 1 1 1 11 2 2 2 2 22 0 m l0q 未對外做機械功的絕熱流動，即未對外做機械功的絕熱流動，即 ， 22 2 2 2 2 22 2 1 1 1 11 wp egz wp egz 22 2 2 22 2 1 11 w hgz w hgz 或 p eh Tch p 對于理想氣體對于理想氣體 29 能量方程未說明氣體的性質及過程特點，不論理想氣體實際氣體，能量方程未說明氣體的性質及過程特點，不論理想氣體實際氣體， 可逆過程或不可逆過程，可壓縮氣體或不可壓縮氣體都適用?？赡孢^程或不可逆過程，可壓縮氣體或不可壓縮氣體都適用。 22 2 2 2 2 1 1 w h w hC

19、w h 2 2 0 wdwdh 21 ee 21 對可壓縮氣體的高速流動，可略去位能變化。對可壓縮氣體的高速流動，可略去位能變化。 或或 ， 窯爐系統(tǒng)氣體流動特點：壓強變化不大，但溫度變化較大，密窯爐系統(tǒng)氣體流動特點：壓強變化不大，但溫度變化較大，密 度變化也較大，屬于可壓縮氣體流動。但分段處理，每段氣溫變化度變化也較大，屬于可壓縮氣體流動。但分段處理，每段氣溫變化 不大，將該段氣體平均溫度下的密度近似為常數(shù)，即氣體在平均溫不大，將該段氣體平均溫度下的密度近似為常數(shù)，即氣體在平均溫 度下作等溫流動。度下作等溫流動。 30 22 2 2 22 2 1 11 w gzp w gzp 3 /mJ 單

20、流體伯努利方程單流體伯努利方程 L h L h w gzp w gzp 22 2 2 22 2 1 11 等溫流動沿途有阻力損失，等溫流動沿途有阻力損失， 31 二流體伯努利方程：二流體伯努利方程： 2211 gzpgzp aaaa 窯爐系統(tǒng)是和大氣連通的，爐內的熱氣體窯爐系統(tǒng)是和大氣連通的，爐內的熱氣體 受到大氣浮力的影響。對于窯爐外空氣相受到大氣浮力的影響。對于窯爐外空氣相 應兩個斷面的靜力學方程：應兩個斷面的靜力學方程： 式（式（1-26） 式（式（1-251-25）與（）與（1-261-26）相減得式（）相減得式（1-271-27）：）： Laaaa hgzppgzpp 2 )()(

21、2 )()( 2 2 222 2 1 111 用此式時，參考基準面應取在氣體斷面的下方。用此式時，參考基準面應取在氣體斷面的下方。 32 通常通常 a 上式第二相為負值，通常改寫為：上式第二相為負值，通常改寫為： Laa hgzpgzp 2 )( 2 )( 2 2 22 2 1 11 式（式（1-28） 應用此式時，參考基準面應取在氣體斷面的上方，如上圖所示。應用此式時，參考基準面應取在氣體斷面的上方，如上圖所示。 33 p )( a gz 2 2 w 窯內氣體表壓強（靜壓頭，窯內氣體表壓強（靜壓頭，hs） 窯內氣體受到的重力和浮力之和的位能（幾何壓頭，窯內氣體受到的重力和浮力之和的位能（幾何

22、壓頭， hge） 窯內氣體的動能（動壓頭，窯內氣體的動能（動壓頭，hw） Lkgeskges hhhhhhh 222111 a a p注：高程變化較大時，注：高程變化較大時，會變化會變化 256. 5 0 0 ) 0065. 0 1 ( a aa T H pp 256. 4 0 0 ) 0065. 0 1 ( a aa T H 、 0a p 0a T 0a 海平面處的大氣壓強、溫度、密度，海平面處的大氣壓強、溫度、密度， H海拔高度海拔高度 34 應用伯努利方程解題的注意事項： 分析流動分析流動：首先應分析所研究的流體是否符合伯努力方程的應用：首先應分析所研究的流體是否符合伯努力方程的應用 條

23、件；其次要弄清流體總體，即是要把研究的局部流動和流動總體條件；其次要弄清流體總體，即是要把研究的局部流動和流動總體 聯(lián)系起來。聯(lián)系起來。 方程的應用條件：方程的應用條件： a、流體流動必須是恒定流動；、流體流動必須是恒定流動； b、流體應是不可壓縮流體，但工程上遇到的大多數(shù)氣體可近似使用；、流體應是不可壓縮流體，但工程上遇到的大多數(shù)氣體可近似使用； 35 選取基準面：選取基準面：基準面可以任意選取，但必須是水平面。對同一方程基準面可以任意選取，但必須是水平面。對同一方程 中的兩個不同斷面，其計算基準只能是同一基準面。一般選取基準面中的兩個不同斷面，其計算基準只能是同一基準面。一般選取基準面 時

24、，若管道中為液體，基準面習慣取在截面之下；若管道中為氣體，時，若管道中為液體，基準面習慣取在截面之下；若管道中為氣體， 基準面習慣取在截面之上。水平流動時基準面習慣取在管道中心?；鶞拭媪晳T取在截面之上。水平流動時基準面習慣取在管道中心。 選取計算斷面：選取計算斷面：應選在緩變流處，為了便于計算，應將其中一個斷應選在緩變流處，為了便于計算，應將其中一個斷 面取在流動參數(shù)已知的位置上，并使未知數(shù)包含在所列方程中。面取在流動參數(shù)已知的位置上，并使未知數(shù)包含在所列方程中。 確定壓強基準：確定壓強基準：可用絕對壓強，亦可用相對壓強，但等號兩邊必須可用絕對壓強，亦可用相對壓強，但等號兩邊必須 一致。一致。

25、 方程中的能量損失一項應加在流動的末端，即下游斷面上方程中的能量損失一項應加在流動的末端，即下游斷面上。 36 )( l f hhhL )1 ( 2d 0 2 0 e fm t wL h )1 ( 2 0 2 0 lm t w h 273 1 n b Re 窯爐系統(tǒng)氣體流動阻力損失窯爐系統(tǒng)氣體流動阻力損失 Re 雷諾準數(shù)雷諾準數(shù) b、n 與流態(tài)及管壁相對粗糙度有關的系數(shù)。與流態(tài)及管壁相對粗糙度有關的系數(shù)。 w0 平均標態(tài)流速，平均標態(tài)流速， 局部阻力系數(shù)，查附錄二局部阻力系數(shù)，查附錄二 降低阻力系數(shù)的途徑：圓、平、直、緩、少。降低阻力系數(shù)的途徑：圓、平、直、緩、少。 37 流體流動的狀態(tài) 層流

26、：層流：流體中液體質點彼此互不混雜，質點運動軌跡呈流體中液體質點彼此互不混雜，質點運動軌跡呈 有條不紊的線形狀態(tài)流動。有條不紊的線形狀態(tài)流動。 湍流湍流：當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場：當流速增加到很大時，流線不再清楚可辨，流場 中有許多小旋渦。中有許多小旋渦。 Re2000 層流層流 2000Re4000 湍流湍流 38 水平流動：水平流動： 常數(shù) 2 2 1 wp 39 大家觀察到了什么大家觀察到了什么 現(xiàn)象？現(xiàn)象？ 40 兩船兩船之間之間的水流的水流流速大，壓強小流速大，壓強小 兩船兩船外側外側的水流的水流流速小，壓強大流速小，壓強大 輪船為什么會相撞？ 41 Q：向兩張紙中

27、間：向兩張紙中間 吹氣，現(xiàn)象是？吹氣，現(xiàn)象是？ 42 Q：用漏斗倒扣一個：用漏斗倒扣一個 乒乓球，向漏斗尖端乒乓球，向漏斗尖端 吹氣會是什么現(xiàn)象？吹氣會是什么現(xiàn)象？ 43 Q：飛機為什：飛機為什 么能升空？么能升空？ 44 【例】【例】如圖，風機吸入口直徑如圖，風機吸入口直徑200mm，壓力測量計測得，壓力測量計測得 水柱高度水柱高度40mm，空氣密度，空氣密度1.2kg/m3，不計氣體流動過程，不計氣體流動過程 的能量損失，求風機的風量？的能量損失，求風機的風量？ 45 解：選取圖中解：選取圖中-截面，則有：截面，則有：z1=z2 空氣靜止：空氣靜止：1=0，不計阻力損失，不計阻力損失hL=

28、0，p1為大氣壓強。為大氣壓強。 ghpp 水 21 列出列出12截面間的伯努利方程式：截面間的伯努利方程式： L hgzpgzp 22 2 2 22 2 1 11 3 /1.2mkg 代入數(shù)值得：代入數(shù)值得：m/s25.6 2 流量為：流量為： sm D FV/804. 06 .25 4 2 . 014. 3 4 3 2 2 2 2 46 【例】【例】從水池接一管路，如圖所示，從水池接一管路，如圖所示，H=7m，管內徑，管內徑 D=100mm，壓力表讀數(shù)為，壓力表讀數(shù)為0.5atm，從水池到壓力表之，從水池到壓力表之 間的水頭損失是間的水頭損失是1.5m，求流量。，求流量。 47 解：解：基

29、準面取在管道處，取基準面取在管道處，取1-11-1和和2-22-2兩個斷面，列出伯努兩個斷面，列出伯努 利方程：利方程： L hgzpgzp 22 2 2 22 2 1 11 其中，其中， ghzmzppppp Laaa 5 . 1, 0, 0,7,5 . 0, 12121 將上述量代入得，將上述量代入得， s/m54. 2 2 流量：流量： sm D F/0199. 054. 2 4 1 . 014. 3 4 V 3 2 2 2 22 48 【例】【例】如圖所示為一救火水龍帶，噴嘴和泵的相對位置如如圖所示為一救火水龍帶，噴嘴和泵的相對位置如 圖。泵出口圖。泵出口A壓力為壓力為2atm（表壓）

30、，泵排出管斷面直徑（表壓），泵排出管斷面直徑 50mm，噴嘴出口，噴嘴出口C直徑直徑20mm；水龍帶水頭損失為；水龍帶水頭損失為0.5m， 噴嘴水頭損失噴嘴水頭損失0.1m，試求噴嘴出口流速、泵排量和，試求噴嘴出口流速、泵排量和B點壓點壓 強。強。 49 50 51 伯努利方程的能量轉換： 幾何壓頭、靜壓頭、動壓頭之間可以相互轉變，但是只有幾何壓頭、靜壓頭、動壓頭之間可以相互轉變，但是只有通過動壓頭才通過動壓頭才 會引起能量損失。會引起能量損失。 52 熱氣體在垂直管道中運動時壓頭間的相互轉換：熱氣體在垂直管道中運動時壓頭間的相互轉換： 由上向下運動由上向下運動 53 【當熱氣體由上向下運動時

31、】【當熱氣體由上向下運動時】 氣體在管道內由氣體在管道內由IIII截面向截面向II截面流動的柏努利方程式：截面流動的柏努利方程式： Lkgeskges hhhhhhh 111222 管道截面未發(fā)生變化：管道截面未發(fā)生變化： 12 kk hh 基準面取在基準面取在-截面上：截面上： 0 2 ge h LgessLgess hhhhhhhh 112112 54 熱氣體在垂直管道中運動時壓頭間的相互轉換：熱氣體在垂直管道中運動時壓頭間的相互轉換： 由下向上運動由下向上運動 55 【當熱氣體由下向上運動時】【當熱氣體由下向上運動時】 氣體在管道內由氣體在管道內由IIII截面向截面向II截面流動的柏努利

32、方程式：截面流動的柏努利方程式： Lkgeskges hhhhhhh 222111 同樣有：同樣有： 12 kk hh0 2 ge h LgessLsges hhhhhhhh 112211 56 【總結】：當熱氣體從上往下運動時，動壓頭轉變?yōu)椤究偨Y】：當熱氣體從上往下運動時，動壓頭轉變?yōu)?壓頭損失，部分靜壓頭轉變?yōu)閯訅侯^，使動壓頭保持壓頭損失，部分靜壓頭轉變?yōu)閯訅侯^，使動壓頭保持 不變。同時部分靜壓頭又轉變?yōu)閹缀螇侯^，最后使不變。同時部分靜壓頭又轉變?yōu)閹缀螇侯^，最后使II 面靜壓頭減少。面靜壓頭減少。 57 58 壓頭的綜合轉變壓頭的綜合轉變 熱氣體由下向上在截面逐漸變小的垂直管道中流動，如圖

33、熱氣體由下向上在截面逐漸變小的垂直管道中流動，如圖1-6，取，取2-2為為 基準面，則有：基準面，則有：hg2=0 lksgksg hhhhhhh 222111 lkkssg hhhhhh)()( 12121 上式說明，熱氣體由下向上流動時，逐漸將幾何壓頭轉變?yōu)殪o上式說明，熱氣體由下向上流動時，逐漸將幾何壓頭轉變?yōu)殪o 壓頭、動壓頭，并消耗部分能量用于克服壓頭損失。壓頭、動壓頭，并消耗部分能量用于克服壓頭損失。 59 0 F （三）穩(wěn)定態(tài)一元流（管流）動量方程 穩(wěn)定態(tài)管流的動量方程穩(wěn)定態(tài)管流的動量方程 若合外力若合外力 則 1122 12 mmF )( 12 mF 12 mm 穩(wěn)定態(tài)流動動量方程

34、的物理意義表明穩(wěn)定態(tài)流動動量方程的物理意義表明：單單 位時間內流出控制體與流入控制體的流位時間內流出控制體與流入控制體的流 體動量之差等于作用在控制體內流體的體動量之差等于作用在控制體內流體的 合外力。合外力。 平均動量平均動量 修正系數(shù)修正系數(shù) 60 能量方程與動量方程的關系能量方程與動量方程的關系 相同點相同點：不考慮中間過程，只考慮始、末態(tài)。：不考慮中間過程，只考慮始、末態(tài)。 不同點不同點：當氣體密度變化時（：當氣體密度變化時（ ），能量方程只能計算壓力），能量方程只能計算壓力 能的差（能的差（ ），動量方程可直接計算出壓力差），動量方程可直接計算出壓力差 （ ），可用于并聯(lián)管排氣體動力

35、平衡計算、噴射器和噴），可用于并聯(lián)管排氣體動力平衡計算、噴射器和噴 射式煤氣燒嘴工作的理論計算。射式煤氣燒嘴工作的理論計算。 具體應用見具體應用見P9【例【例1-1】 21 1 1 2 2 pp 12 pp 61 第二節(jié) 窯爐內的氣體流動 1、不可壓縮氣體的流動（氣體在窯爐內的水平流動、垂直流動、 從孔口和爐門的流出和吸入等） 窯爐流出、流入 分散垂直氣流法則 2、可壓縮氣體的流動（高、中壓煤氣燒嘴，燃油霧化噴嘴，袋式 收塵器中的反吹噴嘴以及煤氣管道、油管道的吹掃噴嘴等） 通過拉伐爾噴嘴 通過漸縮噴嘴 62 窯爐內氣體水平、垂直，從孔口、爐門的流出或吸入大多屬于不窯爐內氣體水平、垂直，從孔口、

36、爐門的流出或吸入大多屬于不 可壓縮氣體流動。可壓縮氣體流動。 （一）氣體從窯爐內的流出和吸入（小孔、爐門）（一）氣體從窯爐內的流出和吸入（小孔、爐門） 窯爐內的流出（窯爐內的流出（正壓正壓）、窯爐內的吸入（）、窯爐內的吸入（負壓負壓） 一、不可壓縮氣體的流動 63 1、氣體通過小孔的流出和吸入 F F2 當氣體由一較大的空間突然經過 小孔向外流出時，氣體的靜壓頭 變?yōu)閯訅侯^，其壓強降低，速度 增加，在流出氣體的慣性作用下， 氣流發(fā)生收縮，在截面處形成 一個最小截面F2，這種現(xiàn)象稱為 縮流。 縮流系數(shù)：縮流系數(shù)： 64 lksgeksge hhhhhhh 222111 21gege hh 21

37、zz 21 a pp 20 2 s h lks hhh 21 22 2 2 2 2 1 ww PP a )(2)(2 1 1 11 2 aa PPPP w -截面間的伯努利方程：截面間的伯努利方程：取爐內截面為取爐內截面為1-1，最小截面為，最小截面為2-2；取??；取小 孔中心線所在的水平面為基準面孔中心線所在的水平面為基準面 條件：條件： 21kk hh 局部阻力系數(shù)局部阻力系數(shù) 速度系數(shù)，與氣體流出時的速度系數(shù)，與氣體流出時的 阻力有關阻力有關 （氣體近似等溫流動，通過（氣體近似等溫流動，通過 小孔壓差很小）小孔壓差很?。?65 )(2)(2)(2 111 222 aaa PP F PP

38、F PP FwFV 通過小孔通過小孔F截面流出的氣體體積流量截面流出的氣體體積流量V： 流量系數(shù) 式（式（1-42） 窯內氣體的密度窯內氣體的密度 66 n縮流系數(shù)縮流系數(shù)、速度系數(shù)、速度系數(shù)和流量系數(shù)和流量系數(shù)均由實驗確定，見表均由實驗確定，見表1-3。 n表表1-3中薄、厚壁劃分：中薄、厚壁劃分：依據氣流最小截面位置來區(qū)分。（薄壁、厚依據氣流最小截面位置來區(qū)分。（薄壁、厚 壁）壁） n同理，通過小孔同理，通過小孔F截面截面吸入的氣體體積流量吸入的氣體體積流量： a a PP FV )(2 1 構成厚壁條件：構成厚壁條件： e d5 . 3 外界空氣密度外界空氣密度 67 2、氣體通過爐門的

39、流出和吸入 爐門有一定高度爐門有一定高度，應，應考慮沿爐門高度上的靜壓頭變化對氣體考慮沿爐門高度上的靜壓頭變化對氣體 流出和吸入量的影響。流出和吸入量的影響。 68 單位時間內通過微元面積單位時間內通過微元面積dF的流量：的流量： 窯底處（零壓），窯底與高度窯底處（零壓），窯底與高度z之間的熱氣體伯努利方程：之間的熱氣體伯努利方程： )(2 az z PP dFdV szg hh 0 )()( aza ppzg 即：即： BdzdF dzz g B zg Bdz PP BdzdV a z a z az z 2 1 )(2)(2)(2 69 n對于整個爐門對于整個爐門 2 1 2 1 2 1 )

40、(2 Z Z a z Z Z dzz g BdVV ， )( )(2 3 2 2 3 2 3 12 zz g BV a 實際上，不同高度上的流量系數(shù)不相等，簡化為爐門平均流量 系 數(shù) （ 由實驗測定，為0.520.62）。 注意：注意：Z1，Z2分別為爐門下緣和上緣到分別為爐門下緣和上緣到零壓面零壓面的距離，的距離，m 70 由牛頓二項式展開得，由牛頓二項式展開得， 0 2 3 2 3 2 3 12 zHzz )(2 0 a gz FV 式中，式中，F(xiàn) 爐門截面積，爐門截面積，F(xiàn)=BH Z0 爐門中心線至零壓面的距離爐門中心線至零壓面的距離 式（式（1-46） 71 Note: 窯內為正壓，氣

41、體溢出，溢出量用式（窯內為正壓，氣體溢出，溢出量用式（1-45）或（）或（1-46）計）計 算，（算，（1-46）為近似計算，誤差隨著）為近似計算，誤差隨著Z0值的增大相應減小。值的增大相應減小。 （1-45）的推導，假設）的推導，假設 w1=w2，忽略，忽略hk1，計算出的溢出量與，計算出的溢出量與 實際有誤差。實際有誤差。 窯內為負壓，氣體吸入，計算公式為：窯內為負壓，氣體吸入，計算公式為： a a gz FV )(2 0 72 （二）分散垂直氣流法則（二）分散垂直氣流法則 概念：在硅酸鹽窯爐內，當一股氣流在垂直通道中被分概念：在硅酸鹽窯爐內，當一股氣流在垂直通道中被分 割成多股平行小氣流

42、時，叫割成多股平行小氣流時，叫分散垂直氣流分散垂直氣流。 73 blbgbsbs alagasas alagasas akakaaag alakasagakasag hhhh b hhhh hhhha hhwwh hhhhhhh , 2, 2, 1 , 2, 2, 1 , 2, 2, 1 , 2, 1, 2, 1, 1 , 2, 2, 2, 1, 1, 1 , 0 通道：對于 即： 等截面通道：對于 當氣流在垂直通道內自上而下流動時：（取有效斷面當氣流在垂直通道內自上而下流動時：（取有效斷面1-1和和2-2，以，以 1-1為基準面），對于為基準面），對于a通道：通道： 74 當氣流在垂直通道內

43、自下而上流動時：當氣流在垂直通道內自下而上流動時： blbgbsbs alagasas hhhh hhhh , 2, 2, 1 , 2, 2, 1 要使溫度在要使溫度在a、b通道內均勻分布，必須滿足通道內均勻分布，必須滿足a，b通道兩端的靜壓差通道兩端的靜壓差 相等，有：相等，有： bsbsasas hhhh , 2, 1, 2, 1 75 （1）當氣體自上而下流動時：）當氣體自上而下流動時： blbgalag hhhh , 2, 2 （2）當氣體自下而上流動時：）當氣體自下而上流動時： blbgalag hhhh , 2, 2 保證保證a，b通道內溫度均勻分布的條件：通道內的幾何壓頭和阻通道

44、內溫度均勻分布的條件：通道內的幾何壓頭和阻 力損失相等。力損失相等。 76 lg hh 溫度在溫度在a、b通道內的分布與氣流方向無關，主要決定于兩通道內的通道內的分布與氣流方向無關，主要決定于兩通道內的 阻力損失。當阻力損失。當 時，溫度在通道內才能分布均勻。時，溫度在通道內才能分布均勻。 blal hh , gl hh 溫度在溫度在a、b通道內的分布將取決于幾何壓頭的作用。通道內的分布將取決于幾何壓頭的作用。 若若a、b通道高度相等，兩通道內的幾何壓頭相等與否決定于通道內通道高度相等，兩通道內的幾何壓頭相等與否決定于通道內 的氣體密度。的氣體密度。 77 （1）若使熱氣體）若使熱氣體自上而下

45、流動，則幾何壓頭相當于阻力自上而下流動，則幾何壓頭相當于阻力，所以所以a通道內總通道內總 阻力減小，使得阻力減小，使得Va 增大增大，Vb 減小減小 ，因而，因而a通道內的熱氣體越來越多，通道內的熱氣體越來越多，ta就就 越來越高，直至越來越高，直至ta = tb ，最后最后a、b通道溫度均勻。通道溫度均勻。 （2）若使熱氣體）若使熱氣體自下而上流動，則幾何壓頭相當于推動力，自下而上流動，則幾何壓頭相當于推動力，所以所以a通道推通道推 動力減小，使得動力減小，使得a通道內的流量通道內的流量Va 減少，減少， Vb 增大增大，因而因而a通道內的熱氣體通道內的熱氣體 越來越少，越來越少，ta就越來

46、越低，從而導致就越來越低，從而導致a、b溫度分布更加不均勻。溫度分布更加不均勻。 法則的應用：法則的應用： 假定由于某種原因使假定由于某種原因使ta b ， 于是于是 hg2,a pa。 。 sa pp 90 分析式（分析式（157）和（）和（158）知：）知： （1）當背壓）當背壓 時，時， （2）當）當 時（向絕對真空環(huán)境噴射，達到極限速度）時（向絕對真空環(huán)境噴射，達到極限速度） 2s pp 2 0,0wm 2 0p 2max 22 11 s s s p wwRT 0m 0 絕對真空 （1-61） 91 最大流量最大流量 92 Ps P w 2 2 最大流量最大流量 maxm 2 01 s

47、 p p 臨界狀態(tài)臨界狀態(tài) cr 2cr cr s p p 2 s p p 式（式（162） 1 2 1 2 0 s cr cr p p d dm 93 由絕熱方程：由絕熱方程： 1nn T p 常數(shù) n p 常數(shù) 有：有： 11 crcrscr T pT p crs crs pp 1 1 1 2 1 crcr ss p p 1 2 1 crs scr Tp Tp 94 2 1 cr cr s s RTa aRT 22 11 s crscrcr s p wRTRTa 臨界流速：臨界流速： 1 1 max 2 1 crss mFp 最大質量流量：最大質量流量： Fcr=F2，為漸縮噴嘴的出口斷面

48、積。，為漸縮噴嘴的出口斷面積。 95 對于對于 漸縮型噴嘴，漸縮型噴嘴，w 沿沿 ABC 運動運動； 拉伐爾噴嘴，拉伐爾噴嘴，w 沿沿 ABD 運動運動； 無論何種噴嘴，無論何種噴嘴，m 沿沿 AEF 運動。運動。 96 擁塞效應：擁塞效應：流量達到一定值后，不再隨壓強比的減小而繼續(xù)流量達到一定值后，不再隨壓強比的減小而繼續(xù) 增加的現(xiàn)象。增加的現(xiàn)象。 擁塞效應原因擁塞效應原因： 1）可壓縮氣體在噴嘴中加速流動是降溫、降壓過程；）可壓縮氣體在噴嘴中加速流動是降溫、降壓過程； 2）當）當 時，時， 3） ，即，即 cr pp 2 cr TT 2 22 aw 1 2 2 2 a w Ma 97 【例

49、】已知壓縮空氣的壓強【例】已知壓縮空氣的壓強ps=5atm，反壓室壓強，反壓室壓強pa=2.8atm，壓，壓 縮空氣的溫度縮空氣的溫度Ts=288K，如采用圓形斷面漸縮型噴嘴，計算出口流，如采用圓形斷面漸縮型噴嘴，計算出口流 速為若干？當質量流量為速為若干？當質量流量為0.065kg/s時，計算出口面積為多少？時，計算出口面積為多少？ 98 解：解：確定壓力比：確定壓力比： 屬于亞音速氣流。屬于亞音速氣流。 壓縮空氣的滯止密度為：壓縮空氣的滯止密度為： 528. 056. 0 5 8 . 2 s a p p 3 /14. 6 288287 1013255 mkg RT p s s s sm p

50、 pp w ss s /9 .296 5 8 . 2 1 14. 6 1013255 14 . 1 4 . 12 1 1 2 4 . 1 14 . 1 1 - 2 2 25- 2 4 . 1 1 2 2 1 2 2222 104 . 59 .296 5 8 . 2 14. 6065. 0mFF w p p FwFm s s 99 （三）可壓縮氣體由漸縮至漸擴噴嘴外射流動 充分利用氣體的壓力能以獲得超音速的出口氣流速度（形充分利用氣體的壓力能以獲得超音速的出口氣流速度（形 成拉伐爾噴嘴）成拉伐爾噴嘴） 當環(huán)境壓強與滯止壓強之比小于臨界值時，氣體在噴嘴的當環(huán)境壓強與滯止壓強之比小于臨界值時，氣體在

51、噴嘴的 漸縮段加速，在喉部達到臨界速度；漸縮段加速，在喉部達到臨界速度； 在漸擴段氣體進一步加速，使剩余的壓力能轉為動能以獲在漸擴段氣體進一步加速，使剩余的壓力能轉為動能以獲 得超音速的氣流速度。得超音速的氣流速度。 100 1 1、氣體參數(shù)、噴嘴斷面積與速度變化關系、氣體參數(shù)、噴嘴斷面積與速度變化關系 )1 ( 1 2 )(2 2 22 s ss T T T R hhw 1 22 )( ss P P T T 噴嘴出口氣流速度：噴嘴出口氣流速度： )(1 1 2 12 2 ss s p pp w 101 22 2 2 2 2 2 w h w hhs0 wdwdh T R TCh p 1 T d

52、Ta T dTRT dT R dTCdh p 111 2 RTa 0 1 2 wdw T dTa w dw Ma w dw a w a wdw T dT 2 2 2 2 ) 1() 1() 1( 質量流量：質量流量： 21 1 222 222222 2 () 1 sss sss ppp mFwFwFp ppp 102 (1) (2) 由狀態(tài)方程由狀態(tài)方程 由絕熱方程由絕熱方程 w dw Ma T dT 2 ) 1( P dP T dT w dw P dP RTP T dTd P dP 常數(shù) P d P dP 1 (1) dTdpdddp Tpp 103 （3） 2 ddw Ma w （4） 2

53、 dpMa dw pw 表明，無論是亞音速或超音速流動，當氣體在噴嘴中加速 時，熱力學參數(shù) 都減??；減速時，都增大。Tp, 104 w dw F dF （5） mFw 常數(shù) 0 dFdwd Fw d w dw F dF w dw Ma F dF ) 1( 2 dx dF F 1 dx dw w Ma 1 ) 1( 2 105 討論： （1）對于亞音速流，）對于亞音速流，Ma1 00 dx dw dx dF 00 dx dw dx dF 即：在噴嘴即：在噴嘴 亞音速氣流漸縮段做加速運動，擴張段做減速運動。亞音速氣流漸縮段做加速運動，擴張段做減速運動。 （2）對于超音速流，）對于超音速流，Ma1

54、00 dx dw dx dF 00 dx dw dx dF 即：超音速氣流，漸縮段做減速運動，擴張段做加速運動，與伯努即：超音速氣流，漸縮段做減速運動，擴張段做加速運動，與伯努 力方程相反。力方程相反。 106 2 2、氣體參數(shù)、噴嘴斷面積與馬赫數(shù)、氣體參數(shù)、噴嘴斷面積與馬赫數(shù)Ma關系關系 Ma Ps P MaP Ma Ts T MaT Ma s Ma Ma a a Maa s 107 a w Ma RTa 1 2 1 2 1 1 2 1 1 2 2 ss s s s P PP P P T R w 式（式（1-50） 式（式（1-57） 108 1 )(1 1 2 SS p p p p Ma

55、s 1 )( P P s s 式（式（1-73） 1)( 1 2 1 P P Ma s 109 （1）壓強比：）壓強比： 12 ) 2 1 1( Ma P P s Ma P P s （2）溫度比：）溫度比： 12 ) 2 1 1 ( Ma T T s Ma T T s （3）密度比：）密度比： 1 1 2 ) 2 1 1 ( Ma s Ma s （4）音速比：）音速比： 2 1 2 ) 2 1 1 ( Ma a a s Ma a a s 110 Ma Fcr F （5） crcrcr wFFwm s cr s s crcr cr aMa P w w F F 1 2 )1(2 1 2 2 1 2

56、 1 1 1 Ma MaF F cr Ma Ma 728.1 )2.01( 4.1 32 111 本章小結：本章小結： 掌握：掌握： 氣體的物理屬性：膨脹性、壓縮性、粘性（動力粘度與運動粘氣體的物理屬性：膨脹性、壓縮性、粘性（動力粘度與運動粘 度）度） 流體能量間的相互轉換流體能量間的相互轉換 重點：重點： 流體流動的連續(xù)性方程流體流動的連續(xù)性方程 流體的伯努力方程流體的伯努力方程 流體的動量方程流體的動量方程 小孔、爐門溢氣計算小孔、爐門溢氣計算 分散垂直氣流法則分散垂直氣流法則 112 膨脹性：在一定的壓強下，流體的體積隨溫度的升高而增大的性質稱膨脹性：在一定的壓強下，流體的體積隨溫度的升

57、高而增大的性質稱 為流體的膨脹性。為流體的膨脹性。 壓縮性：在一定的溫度下，流體的體積隨壓強升高而縮小的性質稱為壓縮性：在一定的溫度下，流體的體積隨壓強升高而縮小的性質稱為 流體的壓縮性。流體的壓縮性。 d tV dV td 1 d 1 TT T P V VP 11 113 流體的粘性：流體的粘性： 粘性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。由流體的力學特點粘性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。由流體的力學特點 可知，靜止流體不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持續(xù)可知，靜止流體不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持續(xù) 作用下，流體要發(fā)生連續(xù)不斷地變形。但不同的流體在相同的作用下，流體要發(fā)生連續(xù)不斷地變形

58、。但不同的流體在相同的 剪切力作用下其變形速度是不同的，它反映了剪切力作用下其變形速度是不同的，它反映了抵抗剪切變形能抵抗剪切變形能 力力的差別，這種能力就是流體的粘性。的差別，這種能力就是流體的粘性。 液體的粘度隨著溫度的升高而降低，氣體的粘度隨著液體的粘度隨著溫度的升高而降低，氣體的粘度隨著 溫度的升高而增大。溫度的升高而增大。 114 流層間單位面積上的內摩擦力稱為切向應力流層間單位面積上的內摩擦力稱為切向應力，則，則 式中式中切向應力，切向應力，Pa。 在流體力學中還常引用動力粘度與密度的比值，稱為運在流體力學中還常引用動力粘度與密度的比值，稱為運 動粘度，用符號動粘度，用符號表示，即

59、表示，即 式中式中運動粘度，運動粘度，m2/s。 y w A F d d 115 連續(xù)方程的含義：連續(xù)方程的含義：在管路沒有泄漏和補充的情況下，在同一時間內，流進任在管路沒有泄漏和補充的情況下，在同一時間內，流進任 一截面的流體的質量和從另一截面流出的流體質量相等。一截面的流體的質量和從另一截面流出的流體質量相等。 對不可壓縮流體：對不可壓縮流體： 圓形管道：圓形管道： mFwFw 222111 2 1 2 1 2 2 1 )( d d F F w w wFv 116 應用連續(xù)性方程的注意點： 流體必須是穩(wěn)定流動；流體必須是穩(wěn)定流動； 流體必須是連續(xù)的；流體必須是連續(xù)的； 分清是可壓縮流體還是

60、不可壓縮流體，以便采用相應的公式；分清是可壓縮流體還是不可壓縮流體，以便采用相應的公式； 對中途有流體輸入或輸出的分支管道，連續(xù)性方程有不同的表達對中途有流體輸入或輸出的分支管道，連續(xù)性方程有不同的表達 式。式。 117 22 2 2 2 2 22 2 1 1 1 11 wp egz wp egz 22 2 2 22 2 1 11 w hgz w hgz Lkgeskges hhhhhhh 222111 對于水平流動：對于水平流動： 常數(shù) 2 2 1 wp 伯努利方程：伯努利方程： 118 應用伯努力方程解題的注意事項： 分析流動分析流動：首先應分析所研究的流體是否符合伯努力方程的應用：首先應