硅酸盐热工基础第二章PPT

1、2n1-1 气体力学基础气体力学基础n1-2 窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动n1-3 烟囱和喷射器烟囱和喷射器 第一章第一章 气体力学在窑炉中的应用气体力学在窑炉中的应用31-1 气体力学基础气体力学基础n气体力学：从宏观角度研究气体平衡和流动规律的气体力学：从宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门学科。一门学科。n窑炉内气体：主要是烟气和空气；特点：低压，常窑炉内气体：主要是烟气和空气；特点：低压，常温或高温温或高温可近似作为理想气体可近似作为理想气体n炉内气体的作用：载热剂、反应剂、雾化剂。炉内气体的作用：载热剂、反应剂、雾化剂。n窑内气体流动：从燃料的气化、雾化、燃烧，生成窑内气

2、体流动：从燃料的气化、雾化、燃烧，生成的高温烟气，余热回收到烟气排除；的高温烟气，余热回收到烟气排除； 特点特点:多数为不可压缩（通过喷嘴为可压缩的）多数为不可压缩（通过喷嘴为可压缩的）n流动气体应用：设计和操作窑炉流动气体应用：设计和操作窑炉41-1 气体力学基础气体力学基础n1 基本概念基本概念 n2 气体的物理属性气体的物理属性n3 气体力学基本方程式气体力学基本方程式52 2 气体的物理属性气体的物理属性2.1 2.1 理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体特征：理想气体特征：任何温度和压力下，气任何温度和压力下，气体分子之间不存在相互作用力，而分子体分子之间不存在相互作用力，而分子

3、本身的体积可以忽略不计（即认为气体本身的体积可以忽略不计（即认为气体分子是不占体积的质点，气体流动时分分子是不占体积的质点，气体流动时分子之间无粘性）。子之间无粘性）。6当气体的当气体的温度温度 20、压力压力 200atm时，时，可以近似为理想气体，其可以近似为理想气体，其 p、t 和和 三个热三个热力学参数之间遵从理想气体状态方程。力学参数之间遵从理想气体状态方程。 窑内气体三个特征窑内气体三个特征： （1）压强变化范围小；）压强变化范围小； （2）温度变化范围大；）温度变化范围大； （3）窑内热气体受窑外冷气体浮力影响大。）窑内热气体受窑外冷气体浮力影响大。7根据以上特点，窑内气体经过等

4、温处理后，可根据以上特点，窑内气体经过等温处理后，可以适用于理想气体状态方程式。以适用于理想气体状态方程式。KkgJMRRmRTTMRmTRnPV/气体常数式中：式中：T-热力学温度，热力学温度，K （T= t + 273.15） R-通用气体常数，通用气体常数，R=8314.3 J/(kmolK) n -气体的摩尔数，气体的摩尔数，kmol p -绝对压强，绝对压强，N/m2或或Pa V-体积，体积，m3 m-气体的质量，气体的质量，kg M-气体的摩尔质量，气体的摩尔质量，kg/kmolVmRTp8KkgJMRR/气体常数干燥空气干燥空气 M=29kg/kmolM=29kg/kmolR=8

5、314.3/29=R=8314.3/29=286.7286.7J/kg.KJ/kg.K05.287273293. 1101325TPRRTp空气空气1 1个大气压个大气压 273K 273K 密度密度1.293kg/m1.293kg/m3 3一般空气取一般空气取R=287J/kg.KR=287J/kg.K9膨胀性：膨胀性：是指气体温度升高时，是指气体温度升高时，气体所占有的体积增大、密度气体所占有的体积增大、密度减小的特性。用体积膨胀系数减小的特性。用体积膨胀系数 T 表示。表示。dTdvv1 1/K式中：式中：v -比容，即单位质量气体的体积，比容，即单位质量气体的体积，m3/kg T 的物

6、理意义的物理意义-压强一定时，温度升高压强一定时，温度升高1， 气体体积的相对变化率。气体体积的相对变化率。 气球受气球受热膨胀热膨胀2.2 2.2 气体的膨胀性和压缩性气体的膨胀性和压缩性10一定温度范围内的平均膨胀系数：一定温度范围内的平均膨胀系数：TVVT11/K 液体液体的膨胀系数很小，工程上一般不考虑。的膨胀系数很小，工程上一般不考虑。 气体气体的膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大。的膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大。流体膨胀性的区别：流体膨胀性的区别：温度变化很大时温度变化很大时须考虑体积变化须考虑体积变化11理想气体：理想气体：)1 (2732730000tVtVTTVVT

7、理想气体膨胀系数：理想气体膨胀系数：TT1273115.2731T标准状态下：标准状态下：压强一定，压强一定，T V 12压缩性：压缩性：是指作用于气体上是指作用于气体上的压强增大时，气体所占有的压强增大时，气体所占有的体积减小、密度增大的特的体积减小、密度增大的特性。用压缩系数性。用压缩系数 p 表示。表示。dpdvvp1m2/N或或1/Pa p的物理意义的物理意义气体温度一定时，气体压气体温度一定时，气体压 强增加强增加1Pa，气体体积的相对变化率。，气体体积的相对变化率。温度一定，温度一定，p V 13p理想气体的压缩系数理想气体的压缩系数：标准状态下：标准状态

8、下：pVVp1某一压强某一压强p范围内的平均压缩系数：范围内的平均压缩系数：14理想气体：理想气体：ppVV002112ppVV 或或液体液体的压缩系数很小，可视为不可压缩流体。的压缩系数很小，可视为不可压缩流体。气体气体的压缩系数很大，为可压缩流体。的压缩系数很大，为可压缩流体。特殊情况：特殊情况：压压强变化很大时强变化很大时考虑压缩性考虑压缩性特殊情况：特殊情况：压强变化压强变化较小时视为不可压缩较小时视为不可压缩流体压缩性的区别：流体压缩性的区别：温度一定，温度一定，p V 15标准状态：标准状态：温度：温度：0 压强：压强：1atm（1atm=101325Pa）标态参数表示：标态参数表

9、示：物理量下角标加物理量下角标加“ ” 单位前面加大写单位前面加大写“N”【规定】【规定】例：标态密度：例：标态密度： o 单位单位kg/Nm3 标态流速：标态流速：wo 单位单位Nm/s 标态体积：标态体积：Vo 单位单位Nm316令：标准状态参数：令：标准状态参数：po To Vo o wo 任意状态参数：任意状态参数：p T V w对于对于不可压缩气体不可压缩气体：ppo根据理想气体状态方程，得：根据理想气体状态方程，得：TpVTVp所以有：所以有：TTppVV17膨胀性随膨胀性随t 变化。变化。 其中：其中：T= t +T = t +273.15 K15.2731所以：所以：TTVVt

10、VTTVV118【推论推论】体积体积:)1 (00tVTTVVm3 流速流速(截面积不变时截面积不变时)：)1 (twTTww 密度密度: （反比）（反比）tTT1质量流量：质量流量：m= const Kg/s19所以，所以，关键是区分是否可压缩性气体？关键是区分是否可压缩性气体？窑内及管道内一个等温段中窑内及管道内一个等温段中: = const, 是是不可压缩气体不可压缩气体喷射器、烧嘴等个别情况：喷射器、烧嘴等个别情况： p 变化大（变化大（ p 0.2atm），）， w大（接近或大于当地音速）大（接近或大于当地音速） 此时此时 const，是，是可压缩气体可压缩气体20气体的膨胀性和压缩

11、性n气体的压缩性和膨胀性通常可以用膨胀系数气体的压缩性和膨胀性通常可以用膨胀系数和压缩系数来表示：和压缩系数来表示：n膨胀系数膨胀系数n压缩系数压缩系数工程上也常用工程上也常用 的倒数，称为气体的的倒数，称为气体的体积弹性模数体积弹性模数E E来表示压缩性来表示压缩性pdpdvvp11/PadTdvv1 1/KddpdvdpvEp1N/m221理想气体过程的多变方程理想气体过程的多变方程多变过程：有热量传递的气体的膨胀或压缩过程多变过程：有热量传递的气体的膨胀或压缩过程 CPTCTTCPPn-1-11-绝热方程绝热方程22（1 1）牛顿内摩擦定律）牛顿内摩擦定律粘粘性性流体内质点或流层间流体内

12、质点或流层间因相对运动而产生的内摩擦力因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质以反抗相对运动的性质粘性产生粘性产生的原因的原因相邻流体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动相邻流体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动流体分子的热运动，使两层流体间有分子相流体分子的热运动，使两层流体间有分子相互掺混产生动量交换互掺混产生动量交换相邻流层间相对运动相邻流层间相对运动2.3 2.3 气体的粘性气体的粘性所以，粘性是内摩擦力的表现！所以，粘性是内摩擦力的表现！23dydwFfxN 数学表达式：数学表达式：牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：运动流体的内摩擦力的大小运动流体的内摩擦力的大小与两层流体的接触面积成正比

13、，与两层流体之与两层流体的接触面积成正比，与两层流体之间的速度梯度成正比。间的速度梯度成正比。dydwFfxPa单位面积上的内摩擦力：单位面积上的内摩擦力：式中：式中： -动力粘度，单位：动力粘度，单位：Ns/m2 = Pas -剪切力，剪切力，N/m2或或Pa dydwx-速度梯度，速度梯度，1/s dy -相邻两层气体间的距离，相邻两层气体间的距离，mFdww dywffF内摩力的方向与流内摩力的方向与流体运动方向相反体运动方向相反动力粘动力粘度度24（2 2）粘度及其换算）粘度及其换算绝对粘度绝对粘度动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度 dydw速度梯度为速度梯度为1 1时时单位接触面积单

14、位接触面积上的内摩擦力上的内摩擦力 粘度粘度粘性粘性流动性流动性理想流体理想流体 实际流体实际流体 流体无粘性、完全不可压缩，流体无粘性、完全不可压缩，运动时无抵抗剪切变形的能力。运动时无抵抗剪切变形的能力。 流体具有粘性，运动时有抵抗流体具有粘性，运动时有抵抗剪切变形的能力剪切变形的能力 。流体流体25 00ttE 相对粘度相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，我国常采用恩氏粘度。用雷氏秒等，我国常采用恩氏粘度。 40010)0631. 00731. 0(EE（m2/s）恩氏粘度与运动粘度的关系：恩氏粘度与运动粘度的关系： 恩氏粘度：恩氏粘度：200ml20

15、0ml试液，在测定温度下，从恩氏粘试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出所需要的时间度计流出所需要的时间t(s)t(s)与同体积的与同体积的蒸馏水在蒸馏水在2020时从恩氏粘度计流出所时从恩氏粘度计流出所需要的时间需要的时间t t0 0(s)(s)的比值。的比值。粘度粘度较小较小粘度粘度较大较大26粘度与温度的关系粘度与温度的关系流体的粘度受压强的影响很小，温度的变化对流体的粘度受压强的影响很小，温度的变化对粘度影响很大。粘度影响很大。液体液体 液体产生内摩擦力的主要原因：液体产生内摩擦力的主要原因：分子引力分子引力 分析：分析：温度升高，液体体积膨胀，分子间温度升高，液体体积膨胀，分子间距加大

16、，引力减小，粘度减小。距加大，引力减小，粘度减小。 27气体气体 产生内摩擦力的主要原因：产生内摩擦力的主要原因：分子热运动引分子热运动引起的动量交换起的动量交换 分析：分析：温度升高，分子热运动加剧温度升高，分子热运动加剧 ，动量交换增多动量交换增多 ，粘度增大。，粘度增大。 28气体动力粘度与温度的关系式：气体动力粘度与温度的关系式：C 与气体性质有关的与气体性质有关的 常数常数(p3页表页表1-1) 。23)273()273(TCTCPas空气：空气： 0=1.7210-6； C =122烟气：烟气： 0=1.5110-6； C =17329其中：其中：d -是气体管道的内径是气体管道的

17、内径 -称为运动粘度，称为运动粘度， , m2/s液体：液体：t （因温度升高，液体中内聚力减小）（因温度升高，液体中内聚力减小）气体：气体：t （因温度升高，分子热运动加剧，（因温度升高，分子热运动加剧， 紊乱程度增大，动量交换增加。）紊乱程度增大，动量交换增加。）雷诺数：雷诺数：dwdwRe)(tf粘度与温度的关系：粘度与温度的关系：牛顿型流体牛顿型流体剪应力符牛顿内摩擦定律剪应力符牛顿内摩擦定律非非牛顿型流体牛顿型流体剪应力不符合牛顿内摩擦定律剪应力不符合牛顿内摩擦定律实际实际流体流体302.4 2.4 空气的浮力空气的浮力原理原理：阿基米德定律。：阿基米德定律。设：设：一流体中，一物体

18、，体积一流体中，一物体，体积V则，浮力：则，浮力：F = V 流体流体g重力：重力：P = V 物体物体g P(重力重力) F(浮力浮力)31讨论：讨论：(1) 假设假设1m3流体（液体）在空气中流体（液体）在空气中则：则：P=9810N（ ） F=11.77N（ ）3OHm/kg100023am/kg2 . 1PF，所以液体在空气中的浮力可忽略不所以液体在空气中的浮力可忽略不计。所以说计。所以说水总是由高处向低处流动。水总是由高处向低处流动。注注：0oC时空气的密度时空气的密度 20oC时空气的密度时空气的密度3, aNm/kg293. 13C20, am/kg205. 1重力：重力：P =

19、 V 物体物体g浮力：浮力：F = V 流体流体g32(2) 假设是假设是1m3热空气在冷空气中热空气在冷空气中则：则：P=5.89N ( ) F=11.77N ( )3m/kg6 . 0烟320, am/kg20. 1冷可见，可见，P 0 由此可见，热烟气在没有机械能加入由此可见，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，的情况下，将会在净浮力的作用下，热烟气由下向上自动流动。热烟气由下向上自动流动。重力：重力：P = V 物体物体g浮力：浮力：F = V 流体流体g123end333 气体力学基本方程式气体力学基本方程式(1)理想气体状态方程理想气体状态方程(2)质量守恒质量守

20、恒连续性方程连续性方程(3)能量守恒能量守恒伯努利方程伯努利方程 三大守恒三大守恒(4)动量守恒动量守恒欧拉冲量方程欧拉冲量方程研究、讨论气体流动问题时，涉及到的物理研究、讨论气体流动问题时，涉及到的物理量有四个（量有四个（p、T、 、w），构成四个方程组：），构成四个方程组：343 气体动力学基本方程式气体动力学基本方程式n3.1 质量守恒原理质量守恒原理连续性连续性方程方程( (稳定态一元流稳定态一元流) )n对具有一个入口断面对具有一个入口断面F F1 1和一个和一个出口断面出口断面F F2 2的稳定态管流的稳定态管流 在在1-11-1截面截面, ,气体质量流量气体质量流量 m m1 1

21、=F=F1 11 11 1 在在2-22-2截面截面, ,气体质量流量气体质量流量 m m2 2=F=F2 22 22 2111FudFF35n稳定流动时，单位时间内通过稳定流动时，单位时间内通过截面和截面和截面的质量流量相等截面的质量流量相等 F111=F222=m若气体为不可压缩气体若气体为不可压缩气体1=2F11=F22=V=常数常数m3/S结论结论:不可压缩气体做稳定流动时不可压缩气体做稳定流动时,横截面积越小处横截面积越小处,流速流速越大越大.36不可压缩气体不可压缩气体2211FwFw1221FFww212221ddww若是圆形管道：若是圆形管道：公式建立的条件：公式建立的条件：无

22、分支、无汇合，无加入、无泄漏、等无分支、无汇合，无加入、无泄漏、等温、等压。温、等压。373.2 能量守恒原理能量守恒原理伯努利方程伯努利方程3.2.1 伯氏方程在窑炉中的应用形式伯氏方程在窑炉中的应用形式（1）理想气体）理想气体假设：假设：(1)不可压缩理想气体，无粘性，无摩擦力；不可压缩理想气体，无粘性，无摩擦力； (2)变截面管道，稳定而连续的流动；变截面管道，稳定而连续的流动； (3)无外功输入，也无加热或冷却设备。无外功输入，也无加热或冷却设备。则：气体流动时无能量损失和内能的增减，只有则：气体流动时无能量损失和内能的增减，只有位能、动能、静压能位能、动能、静压能三种能量之间的相互转

23、换。三种能量之间的相互转换。381-1截面截面(上游上游)：p1、T1、 1、w12-2截面截面(下游下游)：p2、T2、 2、w2根据伯努利方程：根据伯努利方程：(a) 对对单位质量、受单位质量、受1N重力重力的流体的流体gwgpZgwgpZ222222221111392222222111112121wpgZwpgZ222221112121wpgZwpgZ 等温段中，等温段中， const(该段气体平均温度下的密度该段气体平均温度下的密度)(b) 对对单位体积单位体积(1m3)、受重力、受重力 gN的气体的气体 (热工中热工中) 单位：单位：J/m3 = N/m2 = Pa40上式的上式的应

24、用条件应用条件：（1）理想气体，无粘性，无能量损失；）理想气体，无粘性，无能量损失；（2）气体在渐变流截面管中作稳定流动，沿流线，）气体在渐变流截面管中作稳定流动，沿流线， 无旋涡，其参数不受时间影响；无旋涡，其参数不受时间影响；（3）不可压缩气体，）不可压缩气体， p 0.2atm，分段等温，分段等温, =const；（4）仅受重力场作用，不受磁场等影响。）仅受重力场作用，不受磁场等影响。（5）动能是对整个截面而言的，所以）动能是对整个截面而言的，所以w是整个截面是整个截面 的平均值；的平均值；（6）截面高度）截面高度Z是指截面形心点与基准面的距离。是指截面形心点与基准面的距离。 基准面在气

25、体断面下方基准面在气体断面下方Z叫高度，为正值；叫高度，为正值；基准面在气体断面上方时，基准面在气体断面上方时，Z叫深度，为负值。叫深度，为负值。41（2）实际气体）实际气体实际气体有粘性，流动过程中有能量损失。实际气体有粘性，流动过程中有能量损失。)2, 1(222221112121LhwpgZwpgZ)2, 1(Lh表示气体从表示气体从1-1截面流至截面流至2-2截面截面 的总能量损失的总能量损失42管内热气体由管内热气体由1-1至至2-2的伯氏方程：的伯氏方程：)2, 1(222221112121LhwpgZwpgZ管外相同高度上空气由管外相同高度上空气由1-1至至2-2的伯氏方程的伯氏

26、方程 ：（假设空气是静止的）（假设空气是静止的）2,21 ,1aaaapgZpgZ（3）适用于两流体的伯努利方程）适用于两流体的伯努利方程43因窑炉系统与外界大气是相连通的，考虑外界冷因窑炉系统与外界大气是相连通的，考虑外界冷空气对窑内热气体的浮力作用，两式相减，得：空气对窑内热气体的浮力作用，两式相减，得：因热气体的因热气体的 a ,换基准面换基准面(新基准面新基准面)：211 ,1121)()(wppgZaa) 21 (222 ,2221)()(LaahwppgZ211 ,1121)()(wppgHaa)21 (222,2221)()(LaahwppgH基准面在气体断面上方，向下为正值；4

27、4 上式简写：上式简写：)21 (222111Lksgeksgehhhhhhh上式中每一项都称为上式中每一项都称为“压头压头”（相对压头），（相对压头），使用时注意基准面的选取使用时注意基准面的选取!基准面取在气体断面的上方基准面取在气体断面的上方,向下为正值特点：特点：上部断面的上部断面的hge 下部断面的下部断面的hs适用于两流体的伯努利方程适用于两流体的伯努利方程约定：约定：上游为上游为“1-1”截面，下游为截面，下游为“2-2”截面截面 453.2.2 公式中各项压头的物理意义公式中各项压头的物理意义压头压头表示表示单位体积的气体所具有的能量单位体积的气体所具有的能量； 单位：单位：

28、J/m3，Pa压强压强表示表示单位面积上的力单位面积上的力。 单位：单位：N/m2，Pa)21 (222111Lksgeksgehhhhhhh适用于二流体的伯氏方程适用于二流体的伯氏方程:46几何压头实际上即几何压头实际上即单位体积的热气体在净浮力的单位体积的热气体在净浮力的作用下所具有的位能作用下所具有的位能：(F-P)H0方向总向上，热烟气会由下向上自动流动。方向总向上，热烟气会由下向上自动流动。t烟烟 hge ( a- ) 热烟气热烟气 a ta 3.2.2.1 几何压头（几何压头（geometry head）hge = H( a- ) g J/m3, Pa物理意义：物理意义：管道内单位

29、体积的热气体和管道外管道内单位体积的热气体和管道外同高度上单位体积冷空气具有的位能差。同高度上单位体积冷空气具有的位能差。沿高度上的分布沿高度上的分布: :上小下大上小下大. .基准面设在上方基准面设在上方, ,基准面上基准面上h hgege=0=0473.2.2.2 静压头（静压头（static head）hs = p-pa J/m3, Pa物理意义：物理意义：管道内单位体积热气体比管道外同管道内单位体积热气体比管道外同一水平面上同体积冷空气多具有的静压能一水平面上同体积冷空气多具有的静压能。 hs 0，正压，向外逸热气正压，向外逸热气0，零压零压0，负压，向内吸冷气负压，向内吸冷气由静压头

30、造成的气体流动，其方向总是由压强由静压头造成的气体流动，其方向总是由压强大的地方流向压强小的地方。大的地方流向压强小的地方。凡出口与大气相通处凡出口与大气相通处,其静其静压头为零压头为零沿高度上的分布上大下小沿高度上的分布上大下小 hs 48测量：测量：可用各种压力表测其可用各种压力表测其“表压表压”。 压头与表压数值上相等，但物理意义不同。压头与表压数值上相等，但物理意义不同。表压表压单位面积上的力，有方向，是压强。单位面积上的力，有方向，是压强。压头压头1m3气体的压力差，无方向，是能量。气体的压力差，无方向，是能量。测量时，一测量时，一端与大气相端与大气相通，另一端通，另一端与热气体相与

31、热气体相通，管口通，管口于气流方向于气流方向493.2.2.3 动压头（动压头（kinetic head）测量：测量：用毕托管测量用毕托管测量全压全压= 动压动压+ 静压静压全压力全压力静压力静压力wJ/m3, Pa221whk物理意义：物理意义：单位体积单位体积气体流动时所具有的气体流动时所具有的动能。动能。503.2.2.4 压头损失（压头损失（Loss of head）hL ,(1-2) =hf + hl J/m3, Pa物理意义：物理意义：单位体积气体由截面单位体积气体由截面1-1流至截面流至截面 2-2过程中损失的总能量。过程中损失的总能量。其中：其中： l 流程长度，流程长度，m

32、d 管道内径（园形管道）管道内径（园形管道） 当量内径（非园形管道）当量内径（非园形管道）de = 4F/s 摩擦阻力系数（无因次）摩擦阻力系数（无因次） J/m3, Pakfhdlh（1）摩擦阻力）摩擦阻力hf （friction resistance）51摩擦阻力系数可用下式计算：摩擦阻力系数可用下式计算： = f(Re,)b/(Ren)式中式中b、n是与管壁相对粗糙度是与管壁相对粗糙度()有关的系数有关的系数层流时：层流时：b=1，n=64 ， =1/ Re64湍流时：参阅下表（教材湍流时：参阅下表（教材P7页表页表1-2）52 Re2300时，流体作时，流体作层流层流流动；流动； Re

33、4000时，流体作时，流体作湍流湍流流动；流动； 2300 Re 4000时，属时，属过渡流过渡流。在这个范。在这个范围内，流体的流动状态是不稳定的，可能转围内，流体的流动状态是不稳定的，可能转向层流，也可能转向湍流。实验条件好时，向层流，也可能转向湍流。实验条件好时，上临界值可延至上临界值可延至104以上。以上。53（2）局部阻力）局部阻力hl（local resistance）当气流通道局部变形，如当气流通道局部变形，如扩张、收缩、捌弯、扩张、收缩、捌弯、汇流、分支、设闸板等障碍物汇流、分支、设闸板等障碍物时，气流速度与时，气流速度与方向均发生变化，气体质点与质点间、质点与方向均发生变化，

34、气体质点与质点间、质点与管壁间发生碰撞，形成旋涡等，产生局部的能管壁间发生碰撞，形成旋涡等，产生局部的能量损失。量损失。hlocal=hk J/m3, Pa（3）综合阻力综合阻力h综合综合= 综综hk J/m3, Pa54减小阻力的途径：减小阻力的途径：hf w1.81.9, hL w2经验经验(窑炉通道窑炉通道)： 300400C，w经验经验= 23 Nm/s 600800C，w经验经验= 1.52.0 Nm/s（2）减小阻力系数）减小阻力系数 ：“园、平、直、缓、少园、平、直、缓、少”（3）减小窑内料垛对烟气流动的阻力）减小窑内料垛对烟气流动的阻力（1）减小）减小hk1.2.3end553

35、.2.3 压头转换压头转换-用压头转变图表示用压头转变图表示约定：约定：上游为上游为“1-1”截面，下游为截面，下游为“2-2”截截面面根据二流体伯努利方程：根据二流体伯努利方程： hge1 +hs1 +hk1 = hge2 +hs2 +hk2 +hL,(1-2) 用压头转变图来表示压头之间的转换用压头转变图来表示压头之间的转换+-h1Hh256（1）hge hs热气体在热气体在截面积不变的垂直管道截面积不变的垂直管道中流动时，流速中流动时，流速不变，所以动压头不变。不变，所以动压头不变。 即即 hk1 = hk2 当热气体当热气体由下向上由下向上流动时：流动时：2-2为基准面为基准面 hge

36、2=0 hge1 +hk1 = hs2 -hs1 +hk2 +hL,(1-2)几何压头的减小增加了静压头几何压头的减小增加了静压头,几何压头是推动力几何压头是推动力。57当热气体当热气体由下向上由下向上流动时：压头转变图流动时：压头转变图几何压头是推动力几何压头是推动力58热气体在垂直热气体在垂直管道由中管道由中由上由上向下向下流动，且流动，且管径不变管径不变1-11-1和和2-22-2的伯努力方程的伯努力方程:1-1:1-1为基准面为基准面即即h hs sh hg g （几何压头视为（几何压头视为“能量损失能量损失”） 表示静压头转换成了几何压头，此表示静压头转换成了几何压头，此时时几何压头

37、变成一种几何压头变成一种“阻力阻力”。Lksgksghhhhhhh222111hg1=0Lgsshhhh221-当热气体当热气体由上向下由上向下流动时：流动时：590 1当热气体当热气体由上向下由上向下流动时：压头转变图流动时：压头转变图几何压头是阻力几何压头是阻力6061流体在一水平流体在一水平的、逐渐扩张的、逐渐扩张的管道中流动的管道中流动2211kskshhhh同理流体在渐缩管道中流动时同理流体在渐缩管道中流动时: :hshk1-11-1和和2-22-2的伯努力方程的伯努力方程: :因为因为h hk1k1h hk2k2即即h hk kh hs s则则 h hs2s2h hs s1 1热气

38、体在热气体在渐扩渐扩(或渐缩或渐缩)的水平管道的水平管道中流动。即中流动。即 hge1=hge2（2）hk hs压头转变图如何画？压头转变图如何画？w1w2112262热气体由下向上在热气体由下向上在截面逐渐变小的垂截面逐渐变小的垂直管道中流动直管道中流动Lksgksghhhhhhh2221111-11-1和和2-22-2的伯努力方程的伯努力方程: :Lkkssghhhhhh)()(12121 热气体由下向上流动时，逐渐将热气体由下向上流动时，逐渐将几何压头转变为静压头、动压头，并几何压头转变为静压头、动压头，并消耗部分能量用于克服压头损失。消耗部分能量用于克服压头损失。2-22-2截面为基准

39、面截面为基准面,h,hg2g2=0,=0,则则: :（3）综合转换）综合转换如热气体在如热气体在收缩形垂直管道收缩形垂直管道内向上流动内向上流动(如烟囱中如烟囱中)63（3）综合转换）综合转换在烟囱中在烟囱中若基准面选在若基准面选在2-2，则，则 hge 2=0， hs2=0， hs1 0即烟囱底部总是负压（抽力），相当于：即烟囱底部总是负压（抽力），相当于：hge1= - hs1 + (hk2- hk1)+h L, (1-2)压头转变图如何画？压头转变图如何画？64h L .(1-2)hk2hge1压头压头流流程程hs1hk1hge1 + hs1 + hk1 = hk2+h L, (1-2)

40、压头转变图压头转变图 aw1w21122若基准面选在若基准面选在2-2，则，则 hge 2=0， hs2=0， hs10作业：作业：P64页页 1-3、1-4(p2 - p3)F3 = (m1+m2)w3 (m1w1 + m2w2)其中：其中： w 2 m3= m1+m271hge hs示意图示意图hgehk流流程程hs h L .1-2压头压头 a1122w2 w1- hge hs +hL,(1-2) 7273窑炉内：窑炉内：(101325 200) Pa (1 0.002) atm管道内、烧嘴内：管道内、烧嘴内： (101325 20000)Pa (1 0.2)atm单位换算：单位换算：

41、1atm=101325Pa 0.1MPa=100KPa74采取分段处理的方法，在每个等温段中，等温、采取分段处理的方法，在每个等温段中，等温、等压，等压， = const，所以可视为，所以可视为不可压缩气体不可压缩气体。温度温度时间时间751221aw2,p2w1,p1Z1Z2基准面基准面H1H2新基准面新基准面761-2 窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动主要有三种类型：窑炉系统内的气体流动主要有三种类型：（1）不可压缩气体的流动，）不可压缩气体的流动， = const（2）可压缩气体的流动，）可压缩气体的流动， const（3）射流（流股）射流（流股）771 不可

42、压缩气体的流动不可压缩气体的流动 在高温窑炉中，由于气体的组成、温度在高温窑炉中，由于气体的组成、温度和压力的变化，气体的密度是渐变的。但若和压力的变化，气体的密度是渐变的。但若截取某一有限单元体，如截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通水平炉膛、垂直通道、局部孔口道、局部孔口等作为研究对象，则可视为恒等作为研究对象，则可视为恒密度（不可压缩）气体的流动。密度（不可压缩）气体的流动。 即当温度波动大时，取等温段分段考虑。即当温度波动大时，取等温段分段考虑。781.1 气体通过炉墙小孔的流出和吸入气体通过炉墙小孔的流出和吸入)21 (222111Lksgeksgehhhhhhh 列列1-1至至2

43、-2截面伯氏方程：截面伯氏方程：(3) p2 = pa 是水平流动（是水平流动（Z1=Z2），且气体），且气体 通过小孔时压差很小（通过小孔时压差很小（ 1= 2）(2) F2 F1 w1 w2，w1 0 hk1 0 hge1 = hge2 hs2 = 0分析分析79因此上面伯努利方程可改写成：因此上面伯努利方程可改写成：hs1 = hk2 + hL, 1-2 =(1+) hk2)(2)(211112aappppw流出气量：流出气量：)(2)(211222aappFVppFFwwFV流流221211wppa80流量系数：流量系数： = 其中：其中：缩流系数：缩流系数： =F2/F11速度系数：

44、速度系数：同理，同理，当当hs1 B 假设流动假设流动自上而下自上而下，开始，开始tA tB，即，即A通道推动力通道推动力AgehBgeh VBtA直至直至tA= tB 相反，若气体相反，若气体自下而上自下而上流动流动(此时几何压头此时几何压头是推动力是推动力)，则当发生扰动使，则当发生扰动使tA B VA VBtA，即，即A通道阻力通道阻力AgehBgeh几何压头几何压头是阻力是阻力90结论结论:（1）烟气）烟气(热气体热气体)加热制品时，热气体加热制品时，热气体从从上向下上向下走叫走叫“倒焰倒焰”(此时几何压头为阻力此时几何压头为阻力)，水平温差小；水平温差小；（2）空气冷却制品时，冷气体

45、）空气冷却制品时，冷气体从下向上从下向上升升叫叫“升焰升焰”(此时几何压头为推动力此时几何压头为推动力)，水平，水平温温差小。差小。 9192分散垂直气流法则的使用条件分散垂直气流法则的使用条件(适用条件适用条件)： 应用于几何压头起主要作用的通道，应用于几何压头起主要作用的通道，如传统的倒焰窑、蓄热室等。如传统的倒焰窑、蓄热室等。分散垂直气流法则不适用于：分散垂直气流法则不适用于：（1）阻力很大的窑；）阻力很大的窑；（2）流动速度很大或者说压差大的窑。）流动速度很大或者说压差大的窑。93圆形倒焰窑工作流程示意图圆形倒焰窑工作流程示意图941、窑室 2、燃烧室 3、档火墙 4、喷火口 5、吸火

46、孔 6、支烟道 7、主烟道 8、窑门 9、窑孔顶 10、窑箍 11、看火孔间歇式倒焰窑95 热气体产生于燃烧室，经挡火墙、喷火口至窑顶，然后从上向下流动，经产品料垛间空隙，将制品加热，再经吸火孔、支烟道、主烟道，最后经烟囱排入大气。由于火焰自上而下流动，所以称之为倒焰窑。作业：作业：64页页1-54.5end962 2 可压缩气体的流动可压缩气体的流动即：即： p p/ /p p0 0 20% 20%，或者或者 p p 20kPa20kPa时时2.1 2.1 特点和假设特点和假设1.1. 气体的压强在流动过程中是逐渐降低的气体的压强在流动过程中是逐渐降低的 流道短流速高可看作绝热过程流道短流速

47、高可看作绝热过程 符合绝热方程符合绝热方程CPTCTTCPP-1-11-3.3.气体流动是一维流动气体流动是一维流动3.4.5end972.1 音速和马赫数音速和马赫数音速（音速（a）：）：声波在气体中的传播速度，声波在气体中的传播速度，或者说是声波在弹性介质中的传播速度。或者说是声波在弹性介质中的传播速度。 声波是因机械振动引起的机械弹性波，声波是因机械振动引起的机械弹性波，是纵波（压缩、放松交替进行）。是纵波（压缩、放松交替进行）。98Ea 其中：其中： 音速，音速，m/s E 介质的弹性模数，介质的弹性模数，w/m2 介质的密度，介质的密度，kg/m3a因声波在气体中的传播速度很大，引起

48、的温度因声波在气体中的传播速度很大，引起的温度变化很微弱，可以认为是绝热可逆（等熵）过变化很微弱，可以认为是绝热可逆（等熵）过程。由理想气体的多变方程，得声波在静止流程。由理想气体的多变方程，得声波在静止流体及静止理想气体中的传播速度为：体及静止理想气体中的传播速度为：pTRa99若介质为空气，若介质为空气， =1.4，R =287（J/kgK）则空气中的音速为：则空气中的音速为：TTa04.202874 . 1 可见，可见，音速是气体（介质）温度的函数，音速是气体（介质）温度的函数，是一个状态函数；音速的大小反映了气体的可是一个状态函数；音速的大小反映了气体的可压缩程度；音速的方向与飞行物飞

49、行方向相反。压缩程度；音速的方向与飞行物飞行方向相反。100awMa 其中：其中：Maa1，w 1，w ，为超音速流动为超音速流动1012.2 可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出罐内罐内(0-0面面)：ws 0 ，滞止状态（滞止状态（static） 滞止参数：滞止参数：ps、Ts、 s ws( 0)2-2截面（出口处）：截面（出口处）：w达到最大。达到最大。流动过程中：流动过程中：p 、w 、 、T 即气体在流动过程中，不仅即气体在流动过程中，不仅hs （p ） ，而，而且且内能内能 （T ）；1022.2.1 压强变化规律压强变化规律流动过程中：流动过程中：psp1p2=p

50、a 可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状态方程（理想气体多变方程）：态方程（理想气体多变方程）：constpVconstp或：或： 其中：其中： 为绝热指数，为绝热指数， = Cp/CV 单原子气体：单原子气体： =1.6 双原子气体：双原子气体： =1.4 多原子气体：多原子气体： =1.3103任一截面处压强（任一截面处压强（p）与）与 之比，恒之比，恒等于滞止状态下等于滞止状态下ps/ s 之比。之比。sspp11即：即：2.2.2 密度变化规律密度变化规律由上得：由上得：111sspp其中：其中：p1/ps1，1/ 1，所以所以 1/ s 1， 即即 1

51、 s 1042.2.3 温度变化规律温度变化规律绝热过程绝热过程 p 相当于膨胀，内能相当于膨胀，内能 ，所以，所以T 111TpTpsss111ssppTT其中：其中：p1/ps 1，( -1) / 1所以：所以：T1/Ts 1，即即T1 pa ）114wmaxspp2 crwQmABCDEFGW2=f1(p2/ps)Qm=f2(p2/ps)Qm,max临界状态临界状态是流量最大状态是流量最大状态此时：此时：w2 = w2,cr= a （等于当地音速）（等于当地音速） cr = p2,cr/ps （临界压强比）（临界压强比）拥塞效应拥塞效应流量流量达到一达到一定值后，定值后，流速流速不再随压

52、强不再随压强比的减小而继续增大的现比的减小而继续增大的现象。象。115由流量方程对压强比（由流量方程对压强比（ ）求导并令其等于零）求导并令其等于零0ddm同理可推得：同理可推得： 1, 212scrcrpp即令：即令：得：得：1162112scraacrcrsscraRTpw1211max12sscrpFm12scrTT（2）温度比）温度比（3）音速比）音速比（4）临界流速）临界流速（5）最大流量）最大流量（1）密度比）密度比1112scr1172.3 可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴的流动可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴的流动拉伐尔（拉伐尔（Larals）喷嘴（）喷嘴（nozzle）：）： 2-2断面

53、断面(喉部喉部)：Ma=1 2-2断面以前断面以前(收缩段收缩段)： Ma1118 气体参数与流速的关系气体参数与流速的关系（由能量方程（由能量方程 和理想气体状态方程导出）和理想气体状态方程导出）wdwMaTdT2) 1( wdwMad2wdwMapdp2119(2) 流速与截面积的关系流速与截面积的关系(由连续性方程导出由连续性方程导出)wdwMaFdF) 1(2(c) 超音速流动时：超音速流动时：Ma1， (Ma2-1)0 dF dw 正消长关系正消长关系(a) 亚音速流动时：亚音速流动时：Ma1，(Ma2-1)0 dF dw 负消长关系负消长关系 (b) 跨音速流动时：跨音速流动时：M

54、a 1，dF 、dw不变不变120由连续性方程式由连续性方程式wF = C，取对数并微分，取对数并微分， d/+dw/w+dF/F= 0 a2 = dp/d a2= w2/M2 dp/=-wdw， 1/FdF = (M21)1/wdw三、流速与断面的关系三、流速与断面的关系121（1）当当M 1，wa，(M21) 1，wa，(M21) 0， dF与与dw符号相符号相同。流速与断面成正比，其原因是由于超音速流同。流速与断面成正比，其原因是由于超音速流体密度变化大于速度变化。体密度变化大于速度变化。（3）当当M=1，w=a，必有，必有dF=0， 此时断面此时断面F称为临称为临界断面界断面Fe，为最小断面。在临界断面上，气流速，为最小断面。在临界断面上，气流速度等于当地音速度等于当地音速ae，还可称为临界速度，还可称为临界速度w