气体力学原理

11气体力学原理目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。燃料燃烧需要供入炉内大量空气，并在炉内产生大量的炉气。高温的炉气是传热的介质，当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两种：一种叫自由流动，一种叫强制流动。自由流动是由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的流动；强制流动是由于外界的机械作用而引起的气体流动，如鼓风机鼓风产生的压力差。1.1气体的主要物理性质和气体平衡方程式1、气体的主要物理性能液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质——流动性。液体和气体统称为流体。由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和所受的外力按原来的大小向各个方向传递，这是气体与液体的共同性。气体和液体又各自具有不同的特性：⑴液体是不可压缩性流体（或称非弹性流体）；气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。在研究气体运动时，应注意气体的体积和密度随温度和压力的变2化，此为气体区别于液体的一个显著特性。⑵液体在流动过程中基本不受周围大气的影响；气体在流动过程中受周围大气的影响。气体的主要物理性能如下：⑴气体的温度温标是指衡量温度高低的标尺，它规定了温度的起点（零点）和测量温度的单位。目前国际上常用的温标有摄氏温标和绝对温标两种：a、摄氏温标：在标准大气压下（760mmHg），把纯水的冰点定为零度，沸点定为100度，在冰点与沸点之间等分为100个分格，每一格的刻度就是摄氏温度1度，用符号t表示，其单位符号为℃。b、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号T表示，其单位符号为K。这种温标是以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为0K，并以水的三相点温度为基本定点，定为273.16K，于是1K就是水的三相点热力学温度16.2731。绝对温标与摄氏温标的关系：T＝273.15+tK气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常取为气体的始端温度t1和终端温度t2的算术平均值，即：32ttt21均⑵气体的压力a、定义：由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用，气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体的压力。气体压力是气体的一种内力，它是表示气体对外作用力大小的一个物理参数。b、压力的单位在工程单位制即米制中，气体的压力大小有以下三种表示方法：①以单位面积上所受的作用力来表示，例如：公斤/cm2(kgf/cm2）或公斤/m2(kgf/m2)。②用液柱高度来表示：例如米水柱(mH2O)、毫米水柱(mmH2O)和毫米汞柱(mmHg)。③用大气压来表示：大气重量对地球表面上所造成的压力称为大气压力，常用单位是mmHg。大气压力的数值随着所在地区海拔高度的升高而降低。国际上规定：将纬度45°海平面上测得的全年平均大气压力760mmHg定为一个标准大气压，或者称为物理大气压，它与其它压力单位的换算关系是：1标准大气压(atm)=760mmHg=1.0332kgf/cm2=10332kgf/m2=10332mmH2O工程上为了计算方便，规定1kgf/cm2作为一个工程大气压，简4称气压(at)，则：1工程大气压(at)＝1kgf/cm2=10000kgf/m2=10mH2O=10000mmH2O=735.6mmHg由此可得lmmH2O=1kgf/m2lmmHg=13.6mmH2O在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕，其代号为Pa。l帕斯卡是指1m2表面上作用1牛顿（N）的力，即：1Pa=lN/m21kPa=1000N/m21MPa=106N/m2米制与国际单位制压力换算关系如下：1标准大气压=1.0332kgf/cm2=101325Pa=101.325kPa=0.101325MPa1工程大气压=l.0kgf/cm2=98060Pa=98.066kPa=0.098066MPa1mH2O=9806.6Pa=9.8066kPa1mmH2O=9.8086Pa≈9.81Pac、气体的压力与温度的关系当一定质量的气体其体积保持不变（即等容过程）时，气体的压力随温度呈直线变化，即：Pt=Po（l+βt）式中：5Pt、Po——分别为t℃和0℃时气体的压力；β——体积不变时气体的压力温度系数。根据实验测定，一切气体的压力温度系数都近似地等于2731。d、绝对压力和表压力气体的压力有绝对压力和表压力两种表示方法。以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力，通常以符号绝P表示。设备内气体的绝对压力与设备外相同高度的实际大气压的差称为气体的表压力，常以符号表P表示。表压力和绝对压力的关系为：绝P＝表P—大气P式中：绝P——设备内气体的绝对压力；大气P——设备外同高度的实际大气压；表P——设备内气体的表压力。⑴当气体的表压为正值时，称此气体的表压为正压;⑵当气体的表压为负值时，称此气体的表压为负压，负压那部分的数值，称为真空度;⑶当气体的表压为零值时，称此气体的表压为零压。具有零压的面常称为零压面。1、气体的主要物理性能⑶气体的体积6气体的体积是表示气体所占据的空间大小的物理参数。每千克气体具有的体积称为气体的比容，用符号ν表示，单位是m3/kg。a、气体体积与温度关系l千克质量的气体，在恒压条件下，其体积与其绝对温度成正比，即:ttooTTνν式中：To——0℃时气体的绝对温度，K；Tt——t℃时气体的绝对温度，K；νo——标准状态下1千克气体的体积，m3;νt——压力为101325Pa温度为t℃时1千克气体的体积，m3。设V代表m千克质量气体的体积，上式两端同乘以m，则可得:ttooTVTV当压力不变时，气体的体积随温度升高而增大，随温度降低而减小。为了计算方便，上式常写成：3oo0totm273t1V273t273VTTVV式中2731常用符号β表示，称为气体的温度膨胀系数。∴)t1(VVotβm3b、气体体积与压力的关系l千克质量的气体，在恒温条件下，其体积与其绝对压力成反比，即7PvvPvP2211式中:P1、P2、……P——相同温度下气体的各绝对压力，Pa或N/m2;v1、v2、……v——各相应压力下气体的比容，m3/kg。同理对m千克质量气体可得:PVVPVP2211式中:V1、V2、……V——各相应压力下m千克气体的体积，m3。结论：气体的体积或比容随气体压力的增大而降低，随气体压力的降低而增大。c、气体的状态方程式表明气体的温度、压力、体积的综合关系式称为气体的状态方程式。对于1千克理想气体的状态方程式为RTPvTvPTvP222111式中：T1、T2、……T——气体的各绝对温度，K;P1、P2、……P——气体的各绝对压力，N/m2;v1、v2、……v——气体在各相应温度和相应压力下的比容，m3/kg；R——气体常数，J/kg·K。R的物理意义：1千克质量的气体在定压下，加热升高lK时所8做的膨胀功。如果气体的质量不是l千克而是m千克，则可得到适用于m千克气体的状态方程式：mRTPVTVPTVP222111当已知P、V、T三个参数时，可按下式计算出气体的质量m:RTPVm对于1kmo1的气体，可以写出它的状态方程式，即在气体状态方程式各项分别乘以M:MRTPvMMR称为通用气体常数（或摩尔气体常数），对于所有理想气体，其数值都等于8314。(4)气体的密度单位体积气体具有的质量称为气体的密度，用符号ρ表示，单位是kg/m3。单位质量的气体所占有的体积称为气体的比容，用符号ν表示，单位是m3/kg。比容与密度互为倒数，即1ν冶金生产中常见的气体（如煤气、炉气等）都是由几种简单气体组成的混合气体。混合气体在标准状态下的密度可用下式计算：93nn2211m/Kgaaa混式中：ρ1、ρ2、……ρn——各组成物在标准态下的密度，Kg/m3;a1、a2、……an——各组成物在混合气体中的百分数，%。a、气体密度随温度的变化在标准大气压时，气体在t℃下的质量和体积分别为m和Vt时，则在t℃下气体的密度为：t1Vmottβρρkg/m3各种热气体的密度都小于常温下大气的密度，亦即设备内的热气体都轻于设备外的大气。b、气体密度随压力的变化在恒温条件下的气体密度与气体绝对压力的关系式：ρρρPPP2211式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相应压力下的气体密度，kg/m3。c、气体密度随气体温度和压力的变化气体密度随温度和压力的变化关系式为：RTPTPTP222111ρρρ式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相应压力和各相应温度下的气体密度，kg/m3。10气体密度随气体压力而变化的特性称为气体的可压缩性。对于可压缩性气体而言，气体密度同时随气体温度和气体压力按下式的关系而变化。RTPTPTP222111ρρρ(5)气体的重度单位体积气体具有的重量称为气体的重度，用符号γ表示，单位是N/m3。当气体重量为G牛顿，在标准状态下的体积为Vo米m3时，则此气体在标准状态下的重度γo为：3oom/NVGγ当重力加速度g＝9.8m/s时，气体的重量G(N)与气体的质量m(kg/m3)间存在如下的关系：G=mgN气体在标准状态下密度和重度的关系为3ooN/mgργ气体的重度也随气体的温度和气体的压力而变。1.1.2阿基米德原理对固体和液体而言，阿基米德原理的内容可表达如下：固体在液体中所受的浮力，等于所排开同体积该液体的重量。此原理同样亦适用于气体。设有一个倒置的容器，如图1—3所示，高为H，截面积为11f，容器内盛满热气（密度为ρ），四周皆为冷空气（密度为ρ′），热气的重量为：G气=Hfgρ同体积空气的重量为：热气在空气中的重力应为：G气-G空)(HfgGGGρρ空气∵ρ小于ρ′，∴热气在空气中的重力必是负值，也就是说热气在冷气中实际上具有一种上升力。若上式之两边各除以f，则单位面积上的气柱所具有的上升力可写成下面的形式：)(Hghρρ上式说明，单位面积上气柱所具有的上升力决定于气柱之高度和冷、热气体的密度差。1.1.3气体平衡方程式气体平衡方程式是研究静止气体的压力变化规律的方程式。自然界内不存在绝对静止的气体。但是可认为某些气体（如大气、煤气罐内的煤气、炉内非流动方向上的气体等）是处于相对静止状态。下面分析相对静止气体的压力变化规律。l、气体绝对压力的变化规律如图1—4所示，在静止的大气中取一个底面积为f平ρ空HfgG12方米、高度为H米的长方体气柱。如果气体处于静止状态，则此气柱的水平方向和垂直方向的力都应该分别处于平衡状态。在水平方向上，气柱只受到其外部大气的压力作用，气柱在同一水平面上受到的是大小相等，方向相反的压力。这些互相抵消的压力使气柱在水平方向上保持力的平衡而处于静止状态。在垂直方向上，气柱受到三个力的作用：（1）向上的I面处大气的总压力P1f，N；（2）向下的Ⅱ面处大气的总压力P2f，N；（3）向下的气柱总重量G=Hfgρ，N。气体静止时，这些力应保持平衡，即P1f=P2f+Hfgρ当f=lm2时，则得P1=P2+Hgρ(1)式中：P1——气体下部的绝对压力，Pa；P2——气体上部的绝对压力，Pa；H——P1面和P2面间的高度差，m；ρ——气体的密度，kg/m3；g——重力加速度，9.81m/s2。13(1)式为气体绝对压力变化规律的气体平衡方程式。上式说明：静止气体沿高度方向上绝对压力的变化规律是下部气体的绝对压力大于上部气体的绝对压力，上下两点间的绝对压力差等于此两点间的高度差乘以气体在实际状态下的平均密度与重力加速度之积。2、气体表压力的变化规律生产中多用表压力表示气体的压力。下面分析静止气体内表压力的变化关系。如图1—5所示，炉内是实际密度为ρ的静止炉气，炉外是实际密度为ρ′的大气。炉气在各面处的绝对压力分别为P1、P2和Po，表压力分别为1P表、2P表和0P表。下面分析炉气表压力沿高度方向上的变化情况。炉气在I面