《热工基础与设备》第01章-窑炉气体力学

2020/2/121第一章气体力学在窑炉中的应用流体的基本性质和力学模型流体静力学和流体动力学两流体伯努利方程气体力学在窑炉系统中的应用2020/2/122流体力学流动没有旋涡液体不可压缩关于它的游速用不着去猜度沿着流线鱼儿在巡游在狭窄的地方它得游快如飞梭前言2020/2/123流体力学小实验流体伯努利方程流体阻力损失2020/2/124惯性和重力特性密度(Kg/m³)比容(m³/Kg)重度(N/m³)VM/MV/VG/4.220M单一气体的标态密度iim..00混合气体的标态密度（Kg/Nm3）流体的基本性质和力学模型§1.1流体的物理属性g连续性与密度由流体质点或微团组成的连续介质2020/2/125**可压缩流体与不可压缩流体流体的基本性质和力学模型气体和液体的压缩性和膨胀性TPf,压缩性P—V膨胀性T—VTPfV,压缩性和膨胀性：温度、压力与密度的关系2020/2/126RTMmPVTRTMRPv'R=8314.3（J/Kmol.K)MRR'---气体常数（J/Kg.K)流体的基本性质和力学模型222111TVPTVP理想气体状态方程：2020/2/127＊恒温条件下：（压缩系数βP）222111TVPTVP理想气体状态方程βT=??p1/p2=ν2/ν1=ρ1/ρ2＊恒压条件下：（膨胀系数βT）T=常数pν=常数，p/ρ=常数βP=??p=常数V/T=常数，ρT=常数Vt/V0=Tt/T0，νt/ν0=Tt/T0，ρt/ρo=To/Tt2020/2/128（工业窑炉气体：高温、常压）标态与非标态的换算：)1(0tVVT)1(0tTtT10则如21PP2731T流体的基本性质和力学模型2020/2/129解答：例题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。Vt=V0Tt/T0=1000×523/273=1916m3ρt=ρ0T0/Tt=1.293×273/523=0.67kg/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。2020/2/1210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，浮力则为，故不能忽略。4.9N11.8N2020/2/1211流体的粘滞性及内摩擦定律（牛顿定律）dyduFfFfdydu阻力耗能dyddyd分析：阻力耗能**温度对流体粘度的影响理想流体和实际流体流体的基本性质和力学模型2020/2/1212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。在流体力学计算中，也经常用运动粘度系数表示:υ=μ/ρ,单位：m2/s2020/2/1213气体粘度与温度t之间的关系表示为：μt=μ0[(273+C)/(T+C)](T/273)3/2Pa·s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。流体粘度与温度关系2020/2/1214表1.1各种气体的μ0和C值气体μ0×107（Pa·s）C(K)C值适用的温度范围(℃)空气N2O2CO2COH2CH4C2H4NH3SO2H2O发生炉煤气燃烧产物1.711.661.871.371.660.841.200.960.961.170.82~1.45~1.47114118138239.711871.7198225.9377416673~150~1700~30050~10017~186－21~30215~100－21~30217~100－21~30215~18418~100－－－2020/2/1215温度（℃，K）压力（Pa，N/m2)相对压强Ps绝对压强P零压正压负压0aPP0aPP0aPP§1.2流体流动特征量流体的基本性质和力学模型2020/2/1216流速与流量∴FVFM，sNmsm/,/sNmsmV/,/33sKgM/标准状态流体的基本性质和力学模型2020/2/1217流体的基本性质和力学模型0如0T，稳定流动流动特征量与时间无关理想流体连续性刚体连续函数§1.3流体的力学模型不可压缩性常数2020/2/1218气体力学基本定律—流体静力学和动力学基本方程§2.1流体静力学流体静压强的特性(1)流体具有各个方向上的静压强。(2)流体静压强处处垂直于固体壁面，凡作用于静止流体的外力必然垂直指向流体表面，即内法线方向。(3)流体内部任一点的静压强大小与其作用面的方向无关。也就是说某一点的静压强在各个方向上大小相同。(4)液体的静压强仅与其高度或深度有关，而与容器的形状及放置方式无关。气体的静压强沿高度变化小，密闭容器可以认为静压强处处相等.2020/2/1219p+ρgz=常数1、流体静力学基本方程2020/2/1220流体静力学基本方程z方向：0)(dxdydzzpppdxdygdxdydzy方向：0dyyp0dzzpgdzx方向：0dxxpconstZXY2020/2/1221——欧拉微分方程/流体静力学微分方程0dpgdz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。constPgH2211PgHPgH不可压缩流体的流体静力学基本方程基准面取在下方，高度向上为正流体静力学基本方程mmNmmJPa*2/3/,2020/2/1222Z2hxyzZ1AP2w另一简单推导：（方法2）ΔFP2-ΔFP1-hΔFg=0由于h=Z1-Z2，代入上式，消去△F并移项，得出：P1+ρgZ1=P2+ρgZ2——流体静力学基本方程上式表明：静止流体内任意二个截面上的静压能与位能之和相等。或者说两者之各为常数。2020/2/12232211PgHPgH基准面零压面等压面2讨论H1=H2P1=P2--水平面为等压面P1P2压力传递（帕斯卡定律）H1H2P1P2上部位能下部位能下部压能上部压能--能量可以相互转换流体静力学基本方程--液面是压强的关系面ghPPa2--液面高度可以计算压强2112HHgPP2020/2/1224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？3应用举例（一）2020/2/1225解：根据公式ρt/ρo=To/Tt，则烟气、空气分别在1000℃、20℃时的密度：ρa=1.293×273/(273+20)=1.21（kg/m3）ρf=1.30×273/(273+1000)=0.28（kg/m3）根据基本方程式求出气体压强：pa1=pa2-ρagH=101325-1.21×9.81×0.7=101317Papf1=pf2-ρfgH=101325-0.28×9.81×0.7=101323Pa距窑底0.7m处相对压强：pf1-pa1=101323-101317=6（Pa）。2020/2/1226sinh倾斜式：应用举例（二）：U型压力计ghPghPbaghPPba设b»则ghPPbahhl2020/2/1227U行压力计测试容器中流体压力图试求容器中流体在1、2水平两点的压强差。设被测流体的密度为ρ，测量液的密度为ρA.1P1P22ωω例题：2020/2/1228解题：设1、2水平两点是容器中流体压强不同的两个测压点的压强，被测流体的密度为ρ，测量液的密度为ρA，一水平线a-a’为基准，U型管压力计的左、右边有：右边：Pa’=P2+mρg+hρAg;左边：Pa=P1+(m+h)ρg;按静力学原理有：Pa’=Pa，则ΔP=P1-P2=hg(ρA–ρ)(Pa)式中:h——测量指示液的高度（m);g——重力加速度（m/s2);ΔP——所测流体二点的压差（Pa).2020/2/1229解题：如果被测流体是气体，因ρ《ρA，则上式可简写为：如果U形管的一端（左端或右端）与大气压强P0相通（则P1=P0或P2=P0）则容器中气体的表压强为：ΔP=hgρA（Pa)P-P0=hgρA(Pa)2020/2/1230应用（三）：油压千斤顶2020/2/1231例题：油压千斤顶例题：如D=10d，a=500mmb=20mm,用力P作用在手柄上，试问该油压千斤顶能顶起多重的货物？流体静力学基本方程2020/2/1232海平面为基准面：H=0，T=Ta，P=Pa沿高度的温度降为：c/m高度h处的p为：'Rg)Th(ppaa1流体静力学基本方程例题：海拔高度与大气压的关系2020/2/1233海拔高度与大气压的关系海平面为基准面：H=0，T=Ta，P0=Pa沿高度的温度降为：c/m高度h处：H=h，T=Ta-H，Ph=PTRp'dTdHdHdTgdHdp代入静力学微分方程并积分又：'Rg)Th(ppaa1流体静力学基本方程2020/2/1234对于大气：R’=287.1;δ=0.0065如：pa=760mmHgTa=273kH=2000m则：p=？mmHg此时：氧浓度为海平面的？%.流体静力学基本方程2020/2/1235例题：已知油层的高度和密度为：h1=1m，=800kg/m3`；水层的高度和密度为：h1=0.8m，=1000kg/m3，试判断（1）pA=pA’，pB=pB’是否成立?（2）水在右边细玻璃管的高度h.21····papaBB’AA’油水h1h2H=？2020/2/1236物质不灭定律—质量守恒定理—连续性方程（标量方程）牛顿第二运动定律--动量守恒定理--动量方程（矢量方程）热力学第一定律--能量守恒定理—伯努利方程（标量方程）流体动力学基本方程§2.2流体动力学Fω1=Fω2=QVhs1+hg1+hk1=hs2+hg2+hk2+∑hMω1=Mω22020/2/12371、流体的流动类型（流态）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，=常数雷诺实验的装置：2020/2/1238雷诺实验的结果：↓层流↑过渡流↑↑湍流雷诺实验的内容：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。de雷诺准数Re=ToNo.42Re2300层流Re=2300‾4000过渡流Re4000湍流Re104稳定湍流2020/2/1239返回2020/2/1240返回2020/2/1241返回2020/2/1242临界速度：流体流态发生变化时的流体速度ｃｒSFde4当量直径deRe雷诺准数（Re)（定性尺寸）F：流体通道截面积；（m２）S：流体通道的浸润周边长（m）2020/2/1243速度分布=0.50max湍流层流Re104=0.80maxRe106=0.86maxRe108=0.90max2020/2/12442、连续性方程——不可压缩流体的质量方程连续性方程流体动力学222111FF2211FF对于圆管21221dd一维稳定管流的质量方程21MM（流体无吸入或漏损）21（不可压缩流体）2020/2/1245