第一章 气体力学在窑炉中的应用

1、1材料工程基础2 材料成分、制备工艺、组织结构及材料性能材料成分、制备工艺、组织结构及材料性能这四大要这四大要素及其相互关系是当今材料科学与工程研究的主要任务。素及其相互关系是当今材料科学与工程研究的主要任务。 本课程围绕本课程围绕材料制备过程中的工程实际材料制备过程中的工程实际，以物理化学，以物理化学过程中的三传（过程中的三传（质量、动量、能量质量、动量、能量），介绍相关的工程），介绍相关的工程理论、工程应用和工程研究方法。理论、工程应用和工程研究方法。3气体力学：宏观上研究气体平衡、流动规律的学科 气体流动与窑炉操作、设计关系密切气体流动与窑炉操作、设计关系密切 气体流动状态、速度方向对热

2、交换过程影响气体流动状态、速度方向对热交换过程影响 气流混合对燃料燃烧影响气流混合对燃料燃烧影响 气流的分布对炉温、炉压影响气流的分布对炉温、炉压影响第一章 气体力学在窑炉中的应用4本章节主要内容：本章节主要内容：第一节 气体力学基础 1、气体的物理属性、气体的物理属性 状态方程、膨胀性与压缩性、粘性、浮力状态方程、膨胀性与压缩性、粘性、浮力 2、气体动力学基本方程、气体动力学基本方程 质量方程、能量方程、动量方程质量方程、能量方程、动量方程第二节 窑炉内的气体流动 1、不可压缩气体的流动、不可压缩气体的流动 窑炉流出、流入；分散垂直气流法则窑炉流出、流入；分散垂直气流法则 2、可压缩气体的流

3、动、可压缩气体的流动 通过渐缩喷嘴；通过拉伐尔喷嘴通过渐缩喷嘴；通过拉伐尔喷嘴5第一节 气体力学基础mRTPV RTPMR3.8314一、气体的物理属性或或RJ/Kmol.k，MKg/Kmol（一） 理想气体状态方程状态方程、膨胀性与压缩性、粘性状态方程、膨胀性与压缩性、粘性/浮力浮力6例：将例：将1000m3,0空气送入加热器中加热，标况下空气密度为空气送入加热器中加热，标况下空气密度为1.293kg/m3，求加热至求加热至250时气体的体积和密度。时气体的体积和密度。解：解：）（）（21000tttmRTVpmRTVp等压过程，等压过程，pt=p0ttTTVV0021得，）（）（30030

4、0/67. 0)250273/(273293. 11916273/ )250273(1000mkgTTmTTVVtttt71dTdT1K1dPdP1Nm2ddPddPEP1（二）气体的膨胀性、压缩性 m3/kg 压缩系数压缩系数 气体的体积弹性模量气体的体积弹性模量 气体的比容气体的比容膨胀系数膨胀系数8nnppVnnTTV11nnpT1常数常数常数常数常数常数 气体的膨胀系数和压缩系数的大小与膨胀或压缩过程的特性有关，气体的膨胀系数和压缩系数的大小与膨胀或压缩过程的特性有关，还与热量传递的多少有关，是一个变化量。还与热量传递的多少有关，是一个变化量。eqeqn/1/Vpccqe 系统内气体的

5、内能增量系统内气体的内能增量 加给系统的热量加给系统的热量 理想气体的多变过程参数关系由多变过程（有热量传递时，气体的膨胀或压理想气体的多变过程参数关系由多变过程（有热量传递时，气体的膨胀或压缩过程）方程给出。缩过程）方程给出。9 气体膨胀性、压缩性比液体大得多，属于可压缩流体。但窑炉系统中烟气近似于外界大气压。流速远低于音速，压强变化小（不超过0.5%），虽然整个系统的温度变化较大，但若温度分段处理，使气体密度变化20%，可视为不可压缩流体。10(三）气体的粘性有关粘性的几个认识：有关粘性的几个认识：粘性是流体抵抗变形的能力。粘性是流体抵抗变形的能力。一切流体都具有粘性，是流体固有的特性。一

6、切流体都具有粘性，是流体固有的特性。粘性剪切应力是粘性的具体表现。流体的粘性只有在运粘性剪切应力是粘性的具体表现。流体的粘性只有在运动的流体中才表现出来。动的流体中才表现出来。不考虑粘性作用的流体称为无粘性流体或理想流体，考不考虑粘性作用的流体称为无粘性流体或理想流体，考虑粘性作用的流体成为粘性流体。虑粘性作用的流体成为粘性流体。11牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律dyd2/mNdyds/1剪切应力，Pa速度梯度，sm /2t5 . 10)273)(273273(TTCt0C运动粘度，运动粘度，T的关系 查表11（1）流体受剪切运动必定流动；）流体受剪切运动必定流动；（2）静止的流体中剪切应力为零

7、。）静止的流体中剪切应力为零。动力粘度，表示面积各为1m2并相距1m的两平板，以1m/s的速度作相对运动时，因之间存在的流体互相作用所产生的内摩擦力。单位Ns/m2 （PaS）12空气、淡水和海水在不同温度下的空气、淡水和海水在不同温度下的、13想一想：为什么随着温度的升高，液体的粘度减小，而气体的粘度增大？14gaga)(a阿基米德浮力原理，单位体积气体在空气中浮力阿基米德浮力原理，单位体积气体在空气中浮力 合力：合力：液体：液体：，通常不考虑浮力的影响。，通常不考虑浮力的影响。（四）空气的浮力气体（窑炉热气体），气体（窑炉热气体），a 浮力浮力重力。窑炉系统中的热气体在没有外界机械能加入重

8、力。窑炉系统中的热气体在没有外界机械能加入的情况下，具有的情况下，具有自下而上自下而上自然流动的趋向。自然流动的趋向。15例：对于例：对于1m3密度为密度为0.5kg/m3的热气体自重仅为的热气体自重仅为4.9N，浮，浮力则为力则为11.76N，故不能忽略。，故不能忽略。浮力方向：自下而上，与重力相反。浮力方向：自下而上，与重力相反。浮力的大小：浮力的大小：重力的大小：重力的大小：)(NgVa)(NgV16二、气体动力学基本方程17n静力学基本方程式静力学基本方程式 重力场作用下的静止流体，将欧拉平衡微分方程式在重力场作用下的静止流体，将欧拉平衡微分方程式在密度不变的情况下进行积分求解，得到静

9、力学基本方程式：密度不变的情况下进行积分求解，得到静力学基本方程式：constgzp处于平衡状态流体内的处于平衡状态流体内的1、2点：点：2211gzpgzpgHpzzgpp21221)(或写成，或写成，18例：例：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000，烟气标态，烟气标态密度密度 为为1.30kg/m3，窑外空气温度，窑外空气温度20，空气标态密度，空气标态密度 为为1.293kg/m3，窑底内外压强相等窑底内外压强相等，均为，均为1atm(101325Pa)。求距离窑。求距离窑底底0.7m处窑内、外气体压强各多大？其相对压强多大？处窑内、外气体

10、压强各多大？其相对压强多大？ 0 ,f0,a19解：根据公式解：根据公式ttTT00则烟气、空气在则烟气、空气在1000,20时的密度分别为：时的密度分别为：33/21. 1)20273/(273293. 1/28. 0)1000273/(27330. 1mkgmkgaf根据基本方程式求出气体压强：根据基本方程式求出气体压强：PagHppPagHppfffaaa1013237 . 081. 928. 01013251013177 . 081. 921. 11013252121距离底距离底0.7m处相对压强：处相对压强：Pappaf61013171013232120质量方程质量方程 （ ）：单位

11、时间内通过控制面的气体净流出量单位时间内通过控制面的气体净流出量+单位时间控制体内气体质量变化单位时间控制体内气体质量变化=0dFnFVdVV0+21 气体质量流量气体质量流量（一）稳定态一元流（管流）质量方程不可压缩流体：密度近似为常数不可压缩流体：密度近似为常数 质量方程：质量方程：FFFFFdFdFdFn011122212mFwFw222111.2211VFwFw（1-18）V气体的体积流量，气体的体积流量，m3/s22n例：当流体在管道内作稳例：当流体在管道内作稳定流动时，通过管道任一定流动时，通过管道任一截面的质量流量都相等，截面的质量流量都相等，mFFF333222111故故 -，

12、-，-断面处：断面处：对于不可压缩气体，对于不可压缩气体，不变，有：不变，有：VFFF332211即，即，气体流速与截面积成反比。气体流速与截面积成反比。23应用实例：应用实例：例如，在河道窄的地方，水流得比较快；而在河道例如，在河道窄的地方，水流得比较快；而在河道宽的地方，水流得比较慢。宽的地方，水流得比较慢。24（二）稳定态一元流（管流）能量方程伯努利方程历史故事：历史故事： 1912年秋天的一天，当时世界上年秋天的一天，当时世界上最大最大的远洋轮船的远洋轮船“奥林奥林匹克匹克”号正在大海上航行，在离它号正在大海上航行，在离它100米远的地方，有一艘比它米远的地方，有一艘比它小得多小得多的

13、换甲巡洋舰的换甲巡洋舰“豪克豪克”号与它号与它平行平行地疾驶着。地疾驶着。 可是却发生了一件意外的事情：小船好象被大船可是却发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，一点也的，一点也不服从舵手的操纵不服从舵手的操纵，竟一个劲地向，竟一个劲地向“奥林匹克奥林匹克”号号冲去。最后，冲去。最后，“豪克豪克”号的船头撞在号的船头撞在“奥林匹克奥林匹克”号的船舷上，号的船舷上，把把“奥林匹克奥林匹克”号撞了个大洞。号撞了个大洞。 25尼尔尼尔伯努利，伯努利，1700年年1月月29日生日生 于尼德兰的格罗宁根。于尼德兰的格罗宁根。1724年，尼尔年，尼尔 获得有关微积分方程的重要成果，从而获

14、得有关微积分方程的重要成果，从而 轰动欧洲科学界。他著名的轰动欧洲科学界。他著名的流体力学流体力学 一书影响深远。他同时是气体动力学一书影响深远。他同时是气体动力学 专家。专家。 1726年，伯努利通过无数次实验，发现了年，伯努利通过无数次实验，发现了“边界层表面边界层表面效应效应”：流体速度加快时。物体与流体接触的界面上的压力流体速度加快时。物体与流体接触的界面上的压力会减小，反之压力会增加。会减小，反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献，这一为纪念这位科学家的贡献，这一发现被称为发现被称为“伯努利效应伯努利效应”。 伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体。伯努利效应适用于包括气体在内的一切

15、流体。26gz22uep动能动能 内能内能 压力能压力能 位能位能控制系统，系统内单位质量气体的能量包括：控制系统，系统内单位质量气体的能量包括： 能量守恒原理：能量守恒原理：在稳态，单位时间传入系统的热量等于系在稳态，单位时间传入系统的热量等于系统内气体能量增量与系统对外作出功率之和。统内气体能量增量与系统对外作出功率之和。27mFFLudFpeugzudFpeugzQ12)2()2(22mFFFFLudFuudFpegzudFuudFpegzQ11222)(2)(211111222222对于稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上均匀对于稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上均匀mLwm

16、pegzmwmpegzmQ2)(2)(2111111222222211221221221211wudFumF22222222wudFumF式中 、 平均动能修正系数 280 . 20 . 112 mm层流时，层流时，湍流时湍流时,稳定流动稳定流动 单位质量气体的能量方程单位质量气体的能量方程热力学第一定律热力学第一定律mlwpegzwpegzq)2()2(2111112222220ml0q未对外做机械功的绝热流动，即未对外做机械功的绝热流动，即，22222222211111wpegzwpegz2222222111whgzwhgz或pehTchp对于理想气体对于理想气体29 能量方程未说明气体的

17、性质及过程特点，不论理想气体实际气体，能量方程未说明气体的性质及过程特点，不论理想气体实际气体，可逆过程或不可逆过程，可压缩气体或不可压缩气体都适用。可逆过程或不可逆过程，可压缩气体或不可压缩气体都适用。22222211whwhCwh220 wdwdh21ee 21对可压缩气体的高速流动，可略去位能变化。对可压缩气体的高速流动，可略去位能变化。或或， 窑炉系统气体流动特点：压强变化不大，但温度变化较大，密窑炉系统气体流动特点：压强变化不大，但温度变化较大，密度变化也较大，属于可压缩气体流动。但分段处理，每段气温变化度变化也较大，属于可压缩气体流动。但分段处理，每段气温变化不大，将该段气体平均温

18、度下的密度近似为常数，即气体在平均温不大，将该段气体平均温度下的密度近似为常数，即气体在平均温度下作等温流动。度下作等温流动。302222222111wgzpwgzp3/mJ单流体伯努利方程单流体伯努利方程LhLhwgzpwgzp2222222111等温流动沿途有阻力损失，等温流动沿途有阻力损失，31二流体伯努利方程：二流体伯努利方程：2211gzpgzpaaaa窑炉系统是和大气连通的，炉内的热气体窑炉系统是和大气连通的，炉内的热气体受到大气浮力的影响。对于窑炉外空气相受到大气浮力的影响。对于窑炉外空气相应两个断面的静力学方程：应两个断面的静力学方程：式（式（1-26）式（式（1-251-25

19、）与（）与（1-261-26）相减得式（）相减得式（1-271-27）：）：Laaaahgzppgzpp2)()(2)()(2222221111用此式时，参考基准面应取在气体断面的下方。用此式时，参考基准面应取在气体断面的下方。32通常通常a上式第二相为负值，通常改写为：上式第二相为负值，通常改写为：Laahgzpgzp2)(2)(22222111式（式（1-28）应用此式时，参考基准面应取在气体断面的上方，如上图所示。应用此式时，参考基准面应取在气体断面的上方，如上图所示。33p)(agz22w窑内气体表压强（静压头，窑内气体表压强（静压头，hs）窑内气体受到的重力和浮力之和的位能（几何压头

20、，窑内气体受到的重力和浮力之和的位能（几何压头， hge）窑内气体的动能（动压头，窑内气体的动能（动压头，hw）Lkgeskgeshhhhhhh222111aap注：高程变化较大时，注：高程变化较大时，会变化会变化256. 500)0065. 01 (aaaTHpp256. 400)0065. 01 (aaaTH、 0ap0aT0a海平面处的大气压强、温度、密度，海平面处的大气压强、温度、密度，H海拔高度海拔高度34应用伯努利方程解题的注意事项：分析流动分析流动：首先应分析所研究的流体是否符合伯努力方程的应用：首先应分析所研究的流体是否符合伯努力方程的应用条件；其次要弄清流体总体，即是要把研究

21、的局部流动和流动总体条件；其次要弄清流体总体，即是要把研究的局部流动和流动总体联系起来。联系起来。方程的应用条件：方程的应用条件：a、流体流动必须是恒定流动；、流体流动必须是恒定流动；b、流体应是不可压缩流体，但工程上遇到的大多数气体可近似使用；、流体应是不可压缩流体，但工程上遇到的大多数气体可近似使用；35选取基准面：选取基准面：基准面可以任意选取，但必须是水平面。对同一方程基准面可以任意选取，但必须是水平面。对同一方程中的两个不同断面，其计算基准只能是同一基准面。一般选取基准面中的两个不同断面，其计算基准只能是同一基准面。一般选取基准面时，若管道中为液体，基准面习惯取在截面之下；若管道中为

22、气体，时，若管道中为液体，基准面习惯取在截面之下；若管道中为气体，基准面习惯取在截面之上。水平流动时基准面习惯取在管道中心。基准面习惯取在截面之上。水平流动时基准面习惯取在管道中心。选取计算断面：选取计算断面：应选在缓变流处，为了便于计算，应将其中一个断应选在缓变流处，为了便于计算，应将其中一个断面取在流动参数已知的位置上，并使未知数包含在所列方程中。面取在流动参数已知的位置上，并使未知数包含在所列方程中。确定压强基准：确定压强基准：可用绝对压强，亦可用相对压强，但等号两边必须可用绝对压强，亦可用相对压强，但等号两边必须一致。一致。方程中的能量损失一项应加在流动的末端，即下游断面上方程中的能量

23、损失一项应加在流动的末端，即下游断面上。36)(l fhhhL)1 (2d020efmtwLh)1 (2020lmtwh2731nbRe窑炉系统气体流动阻力损失窑炉系统气体流动阻力损失 Re 雷诺准数雷诺准数 b、n 与流态及管壁相对粗糙度有关的系数。与流态及管壁相对粗糙度有关的系数。 w0 平均标态流速，平均标态流速， 局部阻力系数，查附录二局部阻力系数，查附录二降低阻力系数的途径：圆、平、直、缓、少。降低阻力系数的途径：圆、平、直、缓、少。37流体流动的状态层流：层流：流体中液体质点彼此互不混杂，质点运动轨迹呈流体中液体质点彼此互不混杂，质点运动轨迹呈有条不紊的线形状态流动。有条不紊的线形

24、状态流动。湍流湍流：当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场：当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小旋涡。中有许多小旋涡。Re2000 层流层流2000Re4000 湍流湍流38水平流动：水平流动：常数221wp39大家观察到了什么大家观察到了什么现象？现象？40两船两船之间之间的水流的水流流速大，压强小流速大，压强小两船两船外侧外侧的水流的水流流速小，压强大流速小，压强大轮船为什么会相撞？41Q：向两张纸中间：向两张纸中间吹气，现象是？吹气，现象是？42Q：用漏斗倒扣一个：用漏斗倒扣一个乒乓球，向漏斗尖端乒乓球，向漏斗尖端吹气会是什么现象？吹气会是什么现象？43Q：飞机为什：

25、飞机为什么能升空？么能升空？44【例】【例】如图，风机吸入口直径如图，风机吸入口直径200mm，压力测量计测得，压力测量计测得水柱高度水柱高度40mm，空气密度，空气密度1.2kg/m3，不计气体流动过程，不计气体流动过程的能量损失，求风机的风量？的能量损失，求风机的风量？ 45解：选取图中解：选取图中-截面，则有：截面，则有：z1=z2空气静止：空气静止：1=0，不计阻力损失，不计阻力损失hL=0，p1为大气压强。为大气压强。ghpp水21列出列出12截面间的伯努利方程式：截面间的伯努利方程式：Lhgzpgzp22222221113/1.2mkg代入数值得：代入数值得：m/s25.62流量为

26、：流量为：smDFV/804. 06 .2542 . 014. 343222246【例】【例】从水池接一管路，如图所示，从水池接一管路，如图所示，H=7m，管内径，管内径D=100mm，压力表读数为，压力表读数为0.5atm，从水池到压力表之，从水池到压力表之间的水头损失是间的水头损失是1.5m，求流量。，求流量。47解：解：基准面取在管道处，取基准面取在管道处，取1-11-1和和2-22-2两个断面，列出伯努两个断面，列出伯努利方程：利方程：Lhgzpgzp2222222111其中，其中，ghzmzpppppLaaa5 . 1, 0, 0,7,5 . 0,12121将上述量代入得，将上述量代

27、入得，s/m54. 22流量：流量：smDF/0199. 054. 241 . 014. 34V32222248【例】【例】如图所示为一救火水龙带，喷嘴和泵的相对位置如如图所示为一救火水龙带，喷嘴和泵的相对位置如图。泵出口图。泵出口A压力为压力为2atm（表压），泵排出管断面直径（表压），泵排出管断面直径50mm，喷嘴出口，喷嘴出口C直径直径20mm；水龙带水头损失为；水龙带水头损失为0.5m，喷嘴水头损失喷嘴水头损失0.1m，试求喷嘴出口流速、泵排量和，试求喷嘴出口流速、泵排量和B点压点压强。强。495051伯努利方程的能量转换：几何压头、静压头、动压头之间可以相互转变，但是只有几何压头、静

28、压头、动压头之间可以相互转变，但是只有通过动压头才通过动压头才会引起能量损失。会引起能量损失。52热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换：热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换：由上向下运动由上向下运动53【当热气体由上向下运动时】【当热气体由上向下运动时】气体在管道内由气体在管道内由IIII截面向截面向II截面流动的柏努利方程式：截面流动的柏努利方程式： Lkgeskgeshhhhhhh111222管道截面未发生变化：管道截面未发生变化：12kkhh基准面取在基准面取在-截面上：截面上：02gehLgessLgesshhhhhhhh11211254热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换

29、：热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换：由下向上运动由下向上运动55【当热气体由下向上运动时】【当热气体由下向上运动时】气体在管道内由气体在管道内由IIII截面向截面向II截面流动的柏努利方程式：截面流动的柏努利方程式： Lkgeskgeshhhhhhh222111同样有：同样有：12kkhh02gehLgessLsgeshhhhhhhh11221156【总结】：当热气体从上往下运动时，动压头转变为【总结】：当热气体从上往下运动时，动压头转变为压头损失，部分静压头转变为动压头，使动压头保持压头损失，部分静压头转变为动压头，使动压头保持不变。同时部分静压头又转变为几何压头，最后使不变。同时部

30、分静压头又转变为几何压头，最后使II面静压头减少。面静压头减少。 5758压头的综合转变压头的综合转变热气体由下向上在截面逐渐变小的垂直管道中流动，如图热气体由下向上在截面逐渐变小的垂直管道中流动，如图1-6，取，取2-2为为基准面，则有：基准面，则有：hg2=0lksgksghhhhhhh222111lkkssghhhhhh)()(12121上式说明，热气体由下向上流动时，逐渐将几何压头转变为静上式说明，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，并消耗部分能量用于克服压头损失。压头、动压头，并消耗部分能量用于克服压头损失。590 F（三）稳定态一元流（管流）动量方程稳定态管流

31、的动量方程稳定态管流的动量方程若合外力若合外力则112212mmF)(12mF12 mm稳定态流动动量方程的物理意义表明稳定态流动动量方程的物理意义表明：单单位时间内流出控制体与流入控制体的流位时间内流出控制体与流入控制体的流体动量之差等于作用在控制体内流体的体动量之差等于作用在控制体内流体的合外力。合外力。平均动量平均动量修正系数修正系数60能量方程与动量方程的关系能量方程与动量方程的关系相同点相同点：不考虑中间过程，只考虑始、末态。：不考虑中间过程，只考虑始、末态。不同点不同点：当气体密度变化时（：当气体密度变化时（ ），能量方程只能计算压力），能量方程只能计算压力能的差（能的差（ ），动

32、量方程可直接计算出压力差），动量方程可直接计算出压力差（ ），可用于并联管排气体动力平衡计算、喷射器和喷），可用于并联管排气体动力平衡计算、喷射器和喷射式煤气烧嘴工作的理论计算。射式煤气烧嘴工作的理论计算。具体应用见具体应用见P9【例【例1-1】211122pp12pp 61第二节 窑炉内的气体流动1、不可压缩气体的流动（气体在窑炉内的水平流动、垂直流动、从孔口和炉门的流出和吸入等） 窑炉流出、流入 分散垂直气流法则2、可压缩气体的流动（高、中压煤气烧嘴，燃油雾化喷嘴，袋式收尘器中的反吹喷嘴以及煤气管道、油管道的吹扫喷嘴等） 通过拉伐尔喷嘴 通过渐缩喷嘴62 窑炉内气体水平、垂直，从孔口、炉门

33、的流出或吸入大多属于不窑炉内气体水平、垂直，从孔口、炉门的流出或吸入大多属于不可压缩气体流动。可压缩气体流动。（一）气体从窑炉内的流出和吸入（小孔、炉门）（一）气体从窑炉内的流出和吸入（小孔、炉门） 窑炉内的流出（窑炉内的流出（正压正压）、窑炉内的吸入（）、窑炉内的吸入（负压负压）一、不可压缩气体的流动631、气体通过小孔的流出和吸入 FF2当气体由一较大的空间突然经过小孔向外流出时，气体的静压头变为动压头，其压强降低，速度增加，在流出气体的惯性作用下，气流发生收缩，在截面处形成一个最小截面F2，这种现象称为缩流。缩流系数：缩流系数：64lksgeksgehhhhhhh22211121gege

34、hh21zz 21app 202shlkshhh212222221wwPPa)(2)(211112aaPPPPw-截面间的伯努利方程：截面间的伯努利方程：取炉内截面为取炉内截面为1-1，最小截面为，最小截面为2-2；取小；取小孔中心线所在的水平面为基准面孔中心线所在的水平面为基准面条件：条件：21kkhh局部阻力系数局部阻力系数速度系数，与气体流出时的速度系数，与气体流出时的阻力有关阻力有关（气体近似等温流动，通过（气体近似等温流动，通过小孔压差很小）小孔压差很小）65)(2)(2)(2111222aaaPPFPPFPPFwFV通过小孔通过小孔F截面流出的气体体积流量截面流出的气体体积流量V：

35、流量系数 式（式（1-42）窑内气体的密度窑内气体的密度66n缩流系数缩流系数、速度系数、速度系数和流量系数和流量系数均由实验确定，见表均由实验确定，见表1-3。n表表1-3中薄、厚壁划分：中薄、厚壁划分：依据气流最小截面位置来区分。（薄壁、厚依据气流最小截面位置来区分。（薄壁、厚壁）壁）n同理，通过小孔同理，通过小孔F截面截面吸入的气体体积流量吸入的气体体积流量：aaPPFV)(21构成厚壁条件：构成厚壁条件：ed5 . 3外界空气密度外界空气密度67 2、气体通过炉门的流出和吸入 炉门有一定高度炉门有一定高度，应，应考虑沿炉门高度上的静压头变化对气体考虑沿炉门高度上的静压头变化对气体流出和

36、吸入量的影响。流出和吸入量的影响。68单位时间内通过微元面积单位时间内通过微元面积dF的流量：的流量：窑底处（零压），窑底与高度窑底处（零压），窑底与高度z之间的热气体伯努利方程：之间的热气体伯努利方程：)(2azzPPdFdVszghh0)()(azappzg即：即：BdzdF dzzgBzgBdzPPBdzdVazazazz21)(2)(2)(269n对于整个炉门对于整个炉门212121)(2ZZazZZdzzgBdVV， )()(232232312zzgBVa实际上，不同高度上的流量系数不相等，简化为炉门平均流量 系数 （ 由实验测定，为0.520.62）。注意：注意：Z1，Z2分别为炉

37、门下缘和上缘到分别为炉门下缘和上缘到零压面零压面的距离，的距离，m70由牛顿二项式展开得，由牛顿二项式展开得，023232312zHzz)(20agzFV式中，式中，F 炉门截面积，炉门截面积，F=BH Z0 炉门中心线至零压面的距离炉门中心线至零压面的距离式（式（1-46）71Note:窑内为正压，气体溢出，溢出量用式（窑内为正压，气体溢出，溢出量用式（1-45）或（）或（1-46）计）计算，（算，（1-46）为近似计算，误差随着）为近似计算，误差随着Z0值的增大相应减小。值的增大相应减小。（1-45）的推导，假设）的推导，假设 w1=w2，忽略，忽略hk1，计算出的溢出量与，计算出的溢出量

38、与实际有误差。实际有误差。窑内为负压，气体吸入，计算公式为：窑内为负压，气体吸入，计算公式为：aagzFV)(2072（二）分散垂直气流法则（二）分散垂直气流法则 概念：在硅酸盐窑炉内，当一股气流在垂直通道中被分概念：在硅酸盐窑炉内，当一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流时，叫割成多股平行小气流时，叫分散垂直气流分散垂直气流。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：对于即：等截面通道：对于当气流在垂直通道内自上而下流动时：（取有效断面当气流在垂直通道内自上而下流动时：（取有效断面1-1和和2-2，以，以1-1为基准面），对于为基准面），对于a通道：通道：74当气流在垂直通道内自下而上流动时：当气流在垂直通道内自下而上流动时：blbgbsbsalagasashhhhhhhh, 2, 2, 1, 2, 2, 1要使温度在要使温度在a、b通道内均匀分布，必须满足通道内均匀分布，必须满足a，b通道两端的静压差通道两端的静压差相等，有：相等，有：bsbsasashhhh, 2, 1, 2, 175（1）当气体自上而下流动时：）当气体自上而下流动时：b

40、lbgalaghhhh, 2, 2（2）当气体自下而上流动时：）当气体自下而上流动时：blbgalaghhhh, 2, 2 保证保证a，b通道内温度均匀分布的条件：通道内的几何压头和阻通道内温度均匀分布的条件：通道内的几何压头和阻力损失相等。力损失相等。76lghh温度在温度在a、b通道内的分布与气流方向无关，主要决定于两通道内的通道内的分布与气流方向无关，主要决定于两通道内的阻力损失。当阻力损失。当 时，温度在通道内才能分布均匀。时，温度在通道内才能分布均匀。blalhh,glhh温度在温度在a、b通道内的分布将取决于几何压头的作用。通道内的分布将取决于几何压头的作用。若若a、b通道高度相等

41、，两通道内的几何压头相等与否决定于通道内通道高度相等，两通道内的几何压头相等与否决定于通道内的气体密度。的气体密度。77（1）若使热气体）若使热气体自上而下流动，则几何压头相当于阻力自上而下流动，则几何压头相当于阻力，所以所以a通道内总通道内总阻力减小，使得阻力减小，使得Va 增大增大，Vb 减小减小 ，因而，因而a通道内的热气体越来越多，通道内的热气体越来越多，ta就就越来越高，直至越来越高，直至ta = tb ，最后最后a、b通道温度均匀。通道温度均匀。（2）若使热气体）若使热气体自下而上流动，则几何压头相当于推动力，自下而上流动，则几何压头相当于推动力，所以所以a通道推通道推动力减小，使

42、得动力减小，使得a通道内的流量通道内的流量Va 减少，减少， Vb 增大增大，因而因而a通道内的热气体通道内的热气体越来越少，越来越少，ta就越来越低，从而导致就越来越低，从而导致a、b温度分布更加不均匀。温度分布更加不均匀。法则的应用：法则的应用：假定由于某种原因使假定由于某种原因使ta b ， 于是于是 hg2,a pa。sapp 90分析式（分析式（157）和（）和（158）知：）知：（1）当背压）当背压 时，时，（2）当）当 时（向绝对真空环境喷射，达到极限速度）时（向绝对真空环境喷射，达到极限速度）2spp20,0wm20p 2max2211ssspwwRT0m0 绝对真空（1-61

43、）91最大流量最大流量92PsPw22最大流量最大流量maxm201spp临界状态临界状态cr2crcrspp2spp式（式（162）12120scrcrppddm93由绝热方程：由绝热方程：1nnT p常数np常数有：有：11crcrscrT pT pcrscrspp11121crcrsspp121crsscrTpTp9421crcrssRTaaRT2211scrscrcrspwRTRTa临界流速：临界流速：11max21crssmFp最大质量流量：最大质量流量：Fcr=F2，为渐缩喷嘴的出口断面积。，为渐缩喷嘴的出口断面积。95对于对于 渐缩型喷嘴，渐缩型喷嘴，w 沿沿 ABC 运动运动；

44、 拉伐尔喷嘴，拉伐尔喷嘴，w 沿沿 ABD 运动运动； 无论何种喷嘴，无论何种喷嘴，m 沿沿 AEF 运动。运动。96拥塞效应：拥塞效应：流量达到一定值后，不再随压强比的减小而继续流量达到一定值后，不再随压强比的减小而继续增加的现象。增加的现象。拥塞效应原因拥塞效应原因：1）可压缩气体在喷嘴中加速流动是降温、降压过程；）可压缩气体在喷嘴中加速流动是降温、降压过程；2）当）当 时，时，3） ，即，即crpp 2crTT 222aw 1222awMa97【例】已知压缩空气的压强【例】已知压缩空气的压强ps=5atm，反压室压强，反压室压强pa=2.8atm，压，压缩空气的温度缩空气的温度Ts=28

45、8K，如采用圆形断面渐缩型喷嘴，计算出口流，如采用圆形断面渐缩型喷嘴，计算出口流速为若干？当质量流量为速为若干？当质量流量为0.065kg/s时，计算出口面积为多少？时，计算出口面积为多少？98解：解：确定压力比：确定压力比： 属于亚音速气流。属于亚音速气流。压缩空气的滞止密度为：压缩空气的滞止密度为：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）可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴外射流动充分利用气体的压力能以获得超音速的出口气流速度（形充分利用气体的压力能以获得超音速的出口气流速度（形成拉伐尔喷嘴）成拉伐尔喷嘴）当环境压强与滞止压强之比小于临界值时，气体在喷嘴的当环境压强与滞止压强之比小于临界值时，气体在喷嘴的渐缩段加速，在喉部达到临界速度；渐缩段加速，在喉部达到临界速度；在渐扩段气体进一步加速，使剩余的压力能转为动能以获在渐扩段气体进一步加速，使剩余的压力能转为动能以获得超音速的气流速度。得超音速的气流速度。100 1 1、气体参数、喷嘴断面积与速度变化关系、气体参数、喷嘴断

47、面积与速度变化关系)1 (12)(2222sssTTTRhhw122)(ssPPTT喷嘴出口气流速度：喷嘴出口气流速度：)(1 12122ssspppw1012222222whwhhs0 wdwdhTRTChp1TdTaTdTRTdTRdTCdhp1112RTa012wdwTdTawdwMawdwawawdwTdT2222) 1() 1() 1(质量流量：质量流量：2112222222222()1sssssspppmFwFwFpppp102(1) (2) 由状态方程由状态方程 由绝热方程由绝热方程wdwMaTdT2) 1( PdPTdTwdwPdPRTPTdTdPdP常数PdPdP1(1)dT

48、dpdddpTpp103（3）2ddwMaw （4）2dpMa dwpw 表明，无论是亚音速或超音速流动，当气体在喷嘴中加速时，热力学参数 都减小；减速时，都增大。Tp,104wdwFdF（5）mFw常数0dFdwdFwdwdwFdFwdwMaFdF) 1(2dxdFF1dxdwwMa1) 1(2105讨论：（1）对于亚音速流，）对于亚音速流，Ma100dxdwdxdF00dxdwdxdF即：在喷嘴即：在喷嘴 亚音速气流渐缩段做加速运动，扩张段做减速运动。亚音速气流渐缩段做加速运动，扩张段做减速运动。（2）对于超音速流，）对于超音速流，Ma100dxdwdxdF00dxdwdxdF即：超音速气

49、流，渐缩段做减速运动，扩张段做加速运动，与伯努即：超音速气流，渐缩段做减速运动，扩张段做加速运动，与伯努力方程相反。力方程相反。106 2 2、气体参数、喷嘴断面积与马赫数、气体参数、喷嘴断面积与马赫数Ma关系关系MaPsPMaPMaTsTMaTMasMaMaaaMaas107awMa RTa12121121122sssssPPPPPTRw式（式（1-50）式（式（1-57）1081)(112SSppppMas1)(PPss式（式（1-73）1)(121PPMas109（1）压强比：）压强比：12)211(MaPPsMaPPs（2）温度比：）温度比：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本章小结：本章小结：掌握：掌握： 气体的物理属性：膨胀性、压缩性、粘性（动力粘度与运动粘气体的物理属性：膨胀性、压缩性、粘性（动力粘度与运动粘度）度） 流体能量间的相互转换流体能量间的相互转换重点：重点： 流体流动的连续性方程流体流动的连续性方程 流体的伯努力方程流体的伯努力方程 流体的动量方程流体的动量方程 小孔、

51、炉门溢气计算小孔、炉门溢气计算 分散垂直气流法则分散垂直气流法则112膨胀性：在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称膨胀性：在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。为流体的膨胀性。压缩性：在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为压缩性：在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。流体的压缩性。 dtVdVtd1d1TTTPVVP11113流体的粘性：流体的粘性： 粘性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点粘性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续可知

52、，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不断地变形。但不同的流体在相同的作用下，流体要发生连续不断地变形。但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了抵抗剪切变形能抵抗剪切变形能力力的差别，这种能力就是流体的粘性。的差别，这种能力就是流体的粘性。 液体的粘度随着温度的升高而降低，气体的粘度随着液体的粘度随着温度的升高而降低，气体的粘度随着温度的升高而增大。温度的升高而增大。114流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力，则，则 式中式中切向应力，切向应力，Pa。 在流体力

53、学中还常引用动力粘度与密度的比值，称为运在流体力学中还常引用动力粘度与密度的比值，称为运动粘度，用符号动粘度，用符号表示，即表示，即 式中式中运动粘度，运动粘度，m2/s。ywAFdd115连续方程的含义：连续方程的含义：在管路没有泄漏和补充的情况下，在同一时间内，流进任在管路没有泄漏和补充的情况下，在同一时间内，流进任一截面的流体的质量和从另一截面流出的流体质量相等。一截面的流体的质量和从另一截面流出的流体质量相等。对不可压缩流体：对不可压缩流体：圆形管道：圆形管道：mFwFw2221112121221)(ddFFwwwFv 116应用连续性方程的注意点：流体必须是稳定流动；流体必须是稳定流

54、动；流体必须是连续的；流体必须是连续的；分清是可压缩流体还是不可压缩流体，以便采用相应的公式；分清是可压缩流体还是不可压缩流体，以便采用相应的公式；对中途有流体输入或输出的分支管道，连续性方程有不同的表达对中途有流体输入或输出的分支管道，连续性方程有不同的表达式。式。11722222222211111wpegzwpegz2222222111whgzwhgzLkgeskgeshhhhhhh222111对于水平流动：对于水平流动：常数221wp伯努利方程：伯努利方程：118应用伯努力方程解题的注意事项：分析流动分析流动：首先应分析所研究的流体是否符合伯努力方程的应用：首先应分析所研究的流体是否符合

55、伯努力方程的应用条件；其次要弄清流体总体，即是要把研究的局部流动和流动总体条件；其次要弄清流体总体，即是要把研究的局部流动和流动总体联系起来。联系起来。方程的应用条件：方程的应用条件：a、流体流动必须是恒定流动；、流体流动必须是恒定流动；b、流体应是不可压缩流体，但工程上遇到的大多数气体可近似使用；、流体应是不可压缩流体，但工程上遇到的大多数气体可近似使用；c、计算断面应是缓变流截面，但当动能一项在总能量中所占比例很、计算断面应是缓变流截面，但当动能一项在总能量中所占比例很小时，可将断面取在急变流处作近似解。小时，可将断面取在急变流处作近似解。119选取基准面：选取基准面：基准面可以任意选取，

56、但必须是水平面。对同一方程基准面可以任意选取，但必须是水平面。对同一方程中的两个不同断面，其计算基准只能是同一基准面。一般选取基准面中的两个不同断面，其计算基准只能是同一基准面。一般选取基准面时，若管道中为液体，基准面习惯取在截面之下；若管道中为气体，时，若管道中为液体，基准面习惯取在截面之下；若管道中为气体，基准面习惯取在截面之上。水平流动时基准面习惯取在管道中心。基准面习惯取在截面之上。水平流动时基准面习惯取在管道中心。选取计算断面：选取计算断面：应选在缓变流处，为了便于计算，应将其中一个断应选在缓变流处，为了便于计算，应将其中一个断面取在流动参数已知的位置上，并使未知数包含在所列方程中。

57、面取在流动参数已知的位置上，并使未知数包含在所列方程中。确定压强基准：确定压强基准：可用绝对压强，亦可用表压强，但等号两边必须一可用绝对压强，亦可用表压强，但等号两边必须一致。致。方程中的能量损失一项应加在流动的末端，即下游断面上方程中的能量损失一项应加在流动的末端，即下游断面上。120n伯努利方程的应用：伯努利方程的应用： 两船相撞；两船相撞； 吹不落的乒乓球；吹不落的乒乓球； 站在地铁安全线外站在地铁安全线外 等等121)(21appFVaappFV)(21)(20agzFV气体通过小孔流出：气体通过小孔流出：气体通过小孔吸入：气体通过小孔吸入：气体通过炉门流出：气体通过炉门流出：不可压缩

58、气体流动计算：不可压缩气体流动计算：122分散垂直气流法则：在分散垂直通道内，在分散垂直通道内，热气体应当自上而下流动热气体应当自上而下流动才能使气流才能使气流温度均匀分布，温度均匀分布，冷气体应当自下而上流动冷气体应当自下而上流动才能使气流温度才能使气流温度均匀分布。均匀分布。此法则主要应用于此法则主要应用于几何压头起主要作用几何压头起主要作用的通道内，如果通的通道内，如果通道内的阻力很大，此法则不适用。道内的阻力很大，此法则不适用。123【例题例题-1】 水泵汲入管外径为水泵汲入管外径为88.5mm，壁厚，壁厚4mm，压出管外径为，压出管外径为75.5mm，壁厚，壁厚3.75mm，汲入管的

59、流速为，汲入管的流速为1.2m/s，试求压出，试求压出管中水的流速？管中水的流速？124解：解：吸入管内径吸入管内径d1=88.524=80.5mm， 压出管内径压出管内径d2=75.523.75=68mm。设在吸入管和压出管之间无泄漏，则：设在吸入管和压出管之间无泄漏，则：水在压出管的流速为水在压出管的流速为1.68m/s。2211FwFw)/(68. 1)685 .80(2 . 1)(222112112smddwFFww125【例题【例题-2】 水从水箱流经直径为水从水箱流经直径为d1=10cm、d2=5cm、d3=2.5cm的管道流入大气中，当出口流速为的管道流入大气中，当出口流速为10

60、m/s时，求（时，求（1）体积）体积流量和质量流量；（流量和质量流量；（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）有连续性方程：112233u Au Au A222312123444ddduuu222112233u du du d2223132212.5 10100.625/10 10duum sd2223232222.5 10102.5/5 10duum sd127【例题例题-3】 如图所示。一水平渐缩管段，水从管中流过，已知：如图所