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)、速度方向對熱

2、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；分散垂直氣流法則 2、可壓縮氣體的流

3、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 RTPMR3.8314一、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：）（）（21000tttmRTVpmRTVp等壓過程，等壓過程，pt=p0ttTTVV0021得，）（）（30030

4、0/67. 0)250273/(273293. 11916273/ )250273(1000mkgTTmTTVVtttt71dTdT1K1dPdP1Nm2ddPddPEP1（二）氣體的膨脹性、壓縮性 m3/kg 壓縮系數壓縮系數 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膨脹系數8nnppVnnTTV11nnpT1常數常數常數常數常數常數 氣體的膨脹系數和壓縮系數的大小與膨脹或壓縮過程的特性有關，氣體的膨脹系數和壓縮系數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。eqeqn/1/Vpccqe 系統(tǒng)內氣體的

5、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怀^0.5%），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

6、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。11牛頓內摩擦定律牛頓內摩擦定律dyd2/mNdyds/1剪切應力，Pa速度梯度，sm /2t5 . 10)273)(273273(TTCt0C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

7、。）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：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？14gaga)(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

8、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，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?。褐亓Φ拇笮。褐亓Φ拇笮。?(NgVa)(NgV16二、氣體動力學基本方程17n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

9、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：2211gzpgzpgHpzzgpp21221)(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

10、壓強各多大？其相對壓強多大？ 0 ,f0,a19解：根據公式解：根據公式ttTT00則煙氣、空氣在則煙氣、空氣在1000,20時的密度分別為：時的密度分別為：33/21. 1)20273/(273293. 1/28. 0)1000273/(27330. 1mkgmkgaf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：PagHppPagHppfffaaa1013237 . 081. 928. 01013251013177 . 081. 921. 11013252121距離底距離底0.7m處相對壓強：處相對壓強：Pappaf61013171013232120質量方程質量方程 （ ）：單位

11、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單位時間控制體內氣體質量變化=0dFnFVdVV0+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：密度近似為常數不可壓縮流體：密度近似為常數 質量方程：質量方程：FFFFFdFdFdFn011122212mFwFw222111.2211VFwFw（1-18）V氣體的體積流量，氣體的體積流量，m3/s22n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，mFFF333222111故故 -，

12、-，-斷面處：斷面處：對于不可壓縮氣體，對于不可壓縮氣體，不變，有：不變，有：VFFF332211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

13、換甲巡洋艦的換甲巡洋艦“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

14、得有關微積分方程的重要成果，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，伯努利通過無數次實驗，發(fā)現(xiàn)了年，伯努利通過無數次實驗，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

15、流體。26gz22uep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。27mFFLudFpeugzudFpeugzQ12)2()2(22mFFFFLudFuudFpegzudFuudFpegzQ11222)(2)(211111222222對于穩(wěn)定態(tài)一元流動，氣體的熱力學參數在斷面上均勻對于穩(wěn)定態(tài)一元流動，氣體的熱力學參數在斷面上均勻mLwm

16、pegzmwmpegzmQ2)(2)(2111111222222211221221221211wudFumF22222222wudFumF式中 、 平均動能修正系數 280 . 20 . 112 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mlwpegzwpegzq)2()2(2111112222220ml0q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，22222222211111wpegzwpegz2222222111whgzwhgz或pehTchp對于理想氣體對于理想氣體29 能量方程未說明氣體的

17、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。22222211whwhCwh220 wdwdh21ee 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?；蚧?， 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

18、度下的密度近似為常數，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，即氣體在平均溫度下作等溫流動。度下作等溫流動。302222222111wgzpwgzp3/mJ單流體伯努利方程單流體伯努利方程LhLhwgzpwgzp2222222111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：2211gzpgzpaaaa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

19、）與（）與（1-261-26）相減得式（）相減得式（1-271-27）：）：Laaaahgzppgzpp2)()(2)()(2222221111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：Laahgzpgzp2)(2)(22222111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。33p)(agz22w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

20、，窯內氣體受到的重力和浮力之和的位能（幾何壓頭， hge）窯內氣體的動能（動壓頭，窯內氣體的動能（動壓頭，hw）Lkgeskgeshhhhhhh222111aap注：高程變化較大時，注：高程變化較大時，會變化會變化256. 500)0065. 01 (aaaTHpp256. 400)0065. 01 (aaaTH、 0ap0aT0a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件；其次要弄清流體總體，即是要把研究

21、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，若管道中為液體，基準面習慣取在截面之下；若管道中為

22、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已知的位置上，并使未知數包含在所列方程中。面取在流動參數已知的位置上，并使未知數包含在所列方程中。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。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

23、損失一項應加在流動的末端，即下游斷面上。36)(l fhhhL)1 (2d020efmtwLh)1 (2020lmtwh2731nbRe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 雷諾準數雷諾準數 b、n 與流態(tài)及管壁相對粗糙度有關的系數。與流態(tài)及管壁相對粗糙度有關的系數。 w0 平均標態(tài)流速，平均標態(tài)流速， 局部阻力系數，查附錄二局部阻力系數，查附錄二降低阻力系數的途徑：圓、平、直、緩、少。降低阻力系數的途徑：圓、平、直、緩、少。37流體流動的狀態(tài)層流：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

24、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221wp39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？41Q：向兩張紙中間：向兩張紙中間吹氣，現(xiàn)象是？吹氣，現(xiàn)象是？42Q：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？43Q：飛機為什：

25、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=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：Lhgzpgzp22222221113/1.2mkg代入數值得：代入數值得：m/s25.62流量為

26、：流量為：smDFV/804. 06 .2542 . 014. 343222246【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，壓力表讀數為，壓力表讀數為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：Lhgzpgzp2222222111其中，其中，ghzmzpppppLaaa5 . 1, 0, 0,7,5 . 0,12121將上述量代入得，將上述量代

27、入得，s/m54. 22流量：流量：smDF/0199. 054. 241 . 014. 34V32222248【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），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。495051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

28、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】【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： Lkgeskgeshhhhhhh111222管道截面未發(fā)生變化：管道截面未發(fā)生變化：12kkhh基準面取在基準面取在-截面上：截面上：02gehLgessLgesshhhhhhhh11211254熱氣體在垂直管道中運動時壓頭間的相互轉換

29、：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截面流動的柏努利方程式：截面流動的柏努利方程式： Lkgeskgeshhhhhhh222111同樣有：同樣有：12kkhh02gehLgessLsgeshhhhhhhh11221156【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)閴侯^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

30、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。 5758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=0lksgksghhhhhhh222111lkkssghhhhhh)()(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。590 F（三）穩(wěn)定態(tài)一元流（管流）動量方程穩(wěn)定態(tài)管流

31、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112212mmF)(12mF12 mm穩(wěn)定態(tài)流動動量方程的物理意義表明穩(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修正系數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

32、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】211122pp12pp 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

33、的流出或吸入大多屬于不窯爐內氣體水平、垂直，從孔口、爐門的流出或吸入大多屬于不可壓縮氣體流動?？蓧嚎s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631、氣體通過小孔的流出和吸入 FF2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?？s流系數：縮流系數：64lksgeksgehhhhhhh22211121gege

34、hh21zz 21app 202shlkshhh212222221wwPPa)(2)(211112aaPPPPw-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?。蝗⌒】字行木€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：21kkhh局部阻力系數局部阻力系數速度系數，與氣體流出時的速度系數，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?。┬】讐翰詈苄。?5)(2)(2)(2111222aaaPPFPPFPPFwFV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：

35、流量系數 式（式（1-42）窯內氣體的密度窯內氣體的密度66n縮流系數縮流系數、速度系數、速度系數和流量系數和流量系數均由實驗確定，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：aaPPFV)(21構成厚壁條件：構成厚壁條件：ed5 . 3外界空氣密度外界空氣密度67 2、氣體通過爐門的流出和吸入 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

36、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：)(2azzPPdFdVszghh0)()(azappzg即：即：BdzdF dzzgBzgBdzPPBdzdVazazazz21)(2)(2)(269n對于整個爐門對于整個爐門212121)(2ZZazZZdzzgBdVV， )()(232232312zzgBVa實際上，不同高度上的流量系數不相等，簡化為爐門平均流量 系數 （ 由實驗測定，為0.520.62）。注意：注意：Z1，Z2分別為爐

37、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，m70由牛頓二項式展開得，由牛頓二項式展開得，023232312zHzz)(20agzFV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）71Note:窯內為正壓，氣體溢出，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

38、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：aagzFV)(2072（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。73blbgbsbsalagasasalagasasakakaaagalakasagakasaghhhhbhhhhhhhhahhwwhhhhhhhh, 2, 2, 1, 2, 2, 1, 2, 2, 1, 2, 1, 2, 1, 1, 2, 2, 2, 1, 1,

39、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自下而上流動時：當氣流在垂直通道內自下而上流動時：blbgbsbsalagasashhhhhhhh, 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：bsbsasashhhh, 2, 1, 2, 175（1）當氣體自上而下流動時：）當氣體自上而下流動時：b

40、lbgalaghhhh, 2, 2（2）當氣體自下而上流動時：）當氣體自下而上流動時：blbgalaghhhh, 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。76lghh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。blalhh,glhh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

41、，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

42、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。sapp 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）2spp20,0wm20p 2max2211ssspwwRT0m0 絕對真空（1-61

43、）91最大流量最大流量92PsPw22最大流量最大流量maxm201spp臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)cr2crcrspp2spp式（式（162）12120scrcrppddm93由絕熱方程：由絕熱方程：1nnT p常數np常數有：有：11crcrscrT pT pcrscrspp11121crcrsspp121crsscrTpTp9421crcrssRTaaRT2211scrscrcrspwRTRTa臨界流速：臨界流速：11max21crssmFp最大質量流量：最大質量流量：Fcr=F2，為漸縮噴嘴的出口斷面積。，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；

44、 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crpp 2crTT 222aw 1222awMa97【例】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=28

45、8K，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. 058 . 2sapp3/14. 62882871013255mkgRTpssssmpppwsss/9 .29658 . 2114. 6101325514 . 14 . 121124 . 114 . 11 -2225-24 . 1122122222104 . 59 .2965

46、8 . 214. 6065. 0mFFwppFwFmss99（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、噴嘴斷面積與速度變化關系、氣體參數、噴嘴斷

47、面積與速度變化關系)1 (12)(2222sssTTTRhhw122)(ssPPTT噴嘴出口氣流速度：噴嘴出口氣流速度：)(1 12122ssspppw1012222222whwhhs0 wdwdhTRTChp1TdTaTdTRTdTRdTCdhp1112RTa012wdwTdTawdwMawdwawawdwTdT2222) 1() 1() 1(質量流量：質量流量：2112222222222()1sssssspppmFwFwFpppp102(1) (2) 由狀態(tài)方程由狀態(tài)方程 由絕熱方程由絕熱方程wdwMaTdT2) 1( PdPTdTwdwPdPRTPTdTdPdP常數PdPdP1(1)dT

48、dpdddpTpp103（3）2ddwMaw （4）2dpMa dwpw 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 都減小；減速時，都增大。Tp,104wdwFdF（5）mFw常數0dFdwdFwdwdwFdFwdwMaFdF) 1(2dxdFF1dxdwwMa1) 1(2105討論：（1）對于亞音速流，）對于亞音速流，Ma100dxdwdxdF00dxdwdxdF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，Ma100dxdwdxdF00dxdwdxdF即：超音速氣

49、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、噴嘴斷面積與馬赫數、氣體參數、噴嘴斷面積與馬赫數Ma關系關系MaPsPMaPMaTsTMaTMasMaMaaaMaas107awMa RTa12121121122sssssPPPPPTRw式（式（1-50）式（式（1-57）1081)(112SSppppMas1)(PPss式（式（1-73）1)(121PPMas109（1）壓強比：）壓強比：12)211(MaPPsMaPPs（2）溫度比：）溫度比：12)211 (MaTTsMaTTs（3）密

50、度比：）密度比：112)211 (MasMas（4）音速比：）音速比：212)211 (MaaasMaaas110MaFcrF（5）crcrcrwFFwmscrsscrcrcraMaPwwFF12)1(212212111MaMaFFcrMaMa728.1)2.01(4.132111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、

51、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。 dtVdVtd1d1TTTPVVP11113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

52、，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。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

53、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，即表示，即 式中式中運動粘度，運動粘度，m2/s。ywAFdd115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：mFwFw2221112121221)(ddFFwwwFv 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

54、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。11722222222211111wpegzwpegz2222222111whgzwhgzLkgeskgeshhhhhhh222111對于水平流動：對于水平流動：常數221wp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：首先應分析所研究的流體是否符合

55、伯努力方程的應用條件；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氣體可近似使用；c、計算斷面應是緩變流截面，但當動能一項在總能量中所占比例很、計算斷面應是緩變流截面，但當動能一項在總能量中所占比例很小時，可將斷面取在急變流處作近似解。小時，可將斷面取在急變流處作近似解。119選取基準面：選取基準面：基準面可以任意選取，

56、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，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已知的位置上，并使未知數包含在所列方程中。

57、面取在流動參數已知的位置上，并使未知數包含在所列方程中。確定壓強基準：確定壓強基準：可用絕對壓強，亦可用表壓強，但等號兩邊必須一可用絕對壓強，亦可用表壓強，但等號兩邊必須一致。致。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。120n伯努利方程的應用：伯努利方程的應用： 兩船相撞；兩船相撞； 吹不落的乒乓球；吹不落的乒乓球； 站在地鐵安全線外站在地鐵安全線外 等等121)(21appFVaappFV)(21)(20agzFV氣體通過小孔流出：氣體通過小孔流出：氣體通過小孔吸入：氣體通過小孔吸入：氣體通過爐門流出：氣體通過爐門流出：不可壓縮

58、氣體流動計算：不可壓縮氣體流動計算：122分散垂直氣流法則：在分散垂直通道內，在分散垂直通道內，熱氣體應當自上而下流動熱氣體應當自上而下流動才能使氣流才能使氣流溫度均勻分布，溫度均勻分布，冷氣體應當自下而上流動冷氣體應當自下而上流動才能使氣流溫度才能使氣流溫度均勻分布。均勻分布。此法則主要應用于此法則主要應用于幾何壓頭起主要作用幾何壓頭起主要作用的通道內，如果通的通道內，如果通道內的阻力很大，此法則不適用。道內的阻力很大，此法則不適用。123【例題例題-1】 水泵汲入管外徑為水泵汲入管外徑為88.5mm，壁厚，壁厚4mm，壓出管外徑為，壓出管外徑為75.5mm，壁厚，壁厚3.75mm，汲入管的

59、流速為，汲入管的流速為1.2m/s，試求壓出，試求壓出管中水的流速？管中水的流速？124解：解：吸入管內徑吸入管內徑d1=88.524=80.5mm， 壓出管內徑壓出管內徑d2=75.523.75=68mm。設在吸入管和壓出管之間無泄漏，則：設在吸入管和壓出管之間無泄漏，則：水在壓出管的流速為水在壓出管的流速為1.68m/s。2211FwFw)/(68. 1)685 .80(2 . 1)(222112112smddwFFww125【例題【例題-2】 水從水箱流經直徑為水從水箱流經直徑為d1=10cm、d2=5cm、d3=2.5cm的管道流入大氣中，當出口流速為的管道流入大氣中，當出口流速為10

60、m/s時，求（時，求（1）體積）體積流量和質量流量；（流量和質量流量；（2）d1及及d2管道段的流速。管道段的流速。1262223333333.142.5 10104.9 10/44VdQu Aums331.0 104.9 104.9/mVQQkg s解解：（：（1）（2）有連續(xù)性方程：112233u Au Au A222312123444ddduuu222112233u du du d2223132212.5 10100.625/10 10duum sd2223232222.5 10102.5/5 10duum sd127【例題例題-3】 如圖所示。一水平漸縮管段，水從管中流過，已知：如圖所