第二章 热处理炉内气体运动

1、第二章热处理炉内气体运动热处理炉内气体的运动影响： 炉温的均匀性 炉内气氛的均匀性 炉内热交换 炉子的安全操作本章的主要内容：静止气体的能量、炉内气体与炉外气体的相互作用、气体运动的动力和阻力以及伯努利方程，并运用这些规律分析热处理炉内气体压力分布及其运动规律。本章的思路： 研究气体在运动中能量的转化，借以分析、计算和引导炉内气体运动状态。第一章21 气体静力学及应用一、静止气体的能量一、静止气体的能量 1、基本定义、基本定义a) 气体压力(P)：气体作用于容器单位面积上的力(Pa或N/m2)；b)相对压力(P)：同一水平面上容器内的P与大气压(P)之差； 测量方法：U形管法， PP Pgh

2、引申定义：相对零压(P P) 相对正压(P P) 相对负压(P P) 真空度：相对负压值？第一章c)气体静压能(ES): ES P 定义的由来：d WPAd lPd V ES d W/d VP 定义的理解：从力的角度：P为气体静压力； 从能量角度：P为气体静压能； 因此：气体压力是气体分子储存能量的一种表现形式。第一章d)气体位能(Ep)： Epg z 定义的由来：由一般物体位能定义引申而来； 对于 体积d V的静止气体，距基准面距离 z 时 的位能为： d V g z 则单位体积气体的位能为： Epd V g z / d V g z第一章2、静止气体的平衡方程式及压力分布 问题：问题： 容器

3、中静止气体的压力分布有何规律？ 考虑思路考虑思路： 将静止气体任意位置微元视为一整体； 分析其力学状态，根据静止条件求解其平 衡方程； 由平衡方程了解静止气体压力分布规律。第一章a)气体处于静止状态，受力必须平衡。即： 各力在x、y、z轴上的投影和为零。b)对于z轴方向有： 消去 并积分有： 该式表征了在重力场中不 可压缩流体的压力分布规 律。 第一章0gdMdxdydzdzdPPPdxdydxdyCgzPc)分析 在 为常数的静止气体中，压力沿高度方向 成线性分布，斜率为 。 静止气体中任一高度处的静压能与位能之和 为常数。 第一章2211gzPgzPgHPzzgPP21221g1d)结论

4、静止气体的绝对压力随高度的增大而减小， 且呈线性分布，其斜率为 。 该结论可近似地运用于一般炉内气体的压 力分布分析。第一章g1二、静止炉气对炉外空气的相对能量（压头的概念） 1、基本定义a)压头： 单位体积炉气与同水平面上炉外单位 体积空气能量差。b)静压头：单位体积炉气的静压能Pg与同水平面 单位体积炉外空气的静压能Pa之差， 以hs表示。 hs= Pg Pac)位压头：单位体积炉气的位能与同水平面上单 位体积炉外空气的位能差，以hp表示。 hp 第一章gzgzgzagag)(2、静止炉气压头分布规律 问题： 静止炉气的压头如何分布？ 考虑思路： 压头概念是与炉外气体密切相关的量， 考虑压

5、头分布时联系炉外气体量综合考虑； 先分析清静压头和位压头的分布，再 考虑总压头的规律。第一章a) 静压头的分布 根据静止气体压力分布规律， Pg与Pa的分布 呈两条不同斜率的直线，斜率分别为1/gg和1/ag，一般g022 气体动力学及伯努力方程一、气体流动的性质 1、气体流量和速度a)气体流量（q）：单位时间内通过给定面积的气体量； 体积流量： 质量流量：)( ,3smtVqv)( ,skgtMqm第一章 b)流量、速度和管道截面积的关系 基本关系： 考虑温度影响： 某温度 t 下的气体体积Vt 与标准状态的体积 V0有： 则：vfqVvfqm; )1 (0tVVt)/1 (;2731ttv

6、vtqqttVVt11)1 ()1 (000第一章c)有效性 气体流动时，通常分为高速和低速两类； 高速气流压力梯度很大，气体密度变化较大； 低速气流压力梯度很小，气体密度变化不大； 炉气在炉膛和烟道内流动属低速气流，可运用不可压缩气体推导出来的公式。 气体高速流动时，气流压力梯度很大，气体密度变化也较大，不能运用由不可压缩气体推导出来的公式。第一章 2、气体的流动形态层流：流体质点都作有规律的平行运动，流层间不相混合，质点没有径向运动；紊流：流体质点不仅沿前进方向运动，而且还向各个方向作不规则运动，不停地互相混合。 第一章管道中的紊流 流体在管道中作紊流流动时，并非在整个截面上都是紊流，在紧

7、贴管壁处存在一极薄（几分之一毫米）的层流，称为层流底层；流体在管内稳定紊流时，管道截面上的速度在靠近截面处变化最大，而在离流动壁面稍远处的紊流核心流速呈对数分布，速度变化很小。紊流越剧烈，速度越接近一致。第一章紊流形成条件四个物理量组成的无量纲数：雷诺数 :管道当量直径， ； :管道截面积， :管道周长；:速度,:粘度,:密度.决定了紊流发生与否，当2320时，层流失稳，逐渐成为紊流。 vdReSfd4dfSRe 3、气体的粘性a)概念：气体流动时，内部各层之间产生内摩擦力（或切应力）的性质为气体的粘性。 粘性的大小为粘度。b) 动力粘度系数 ：动力粘度系数（简称粘度） 单位： 第一章dndv

8、AFdndvAFsPac）温度的影响 :T温度时动力粘度系数； :273（K）时动力粘度系数;气体粘度随温度升高而增大。与压力关系不大。不考虑气体粘性的气体称为理想气体，有时为简化问题的分析过程，常忽略气体的粘性。230)273)(273(TCTCTT04、气体的动能与动压头 单位体积气体的动能: 气体的动压头：指管道内流动的单位体积气体相对于炉外空气所具有的动能，亦即管内外两种气体的动能差。222121vmvEd221vhd二、炉气在运动中的能量损失 存在两种主要能量损失形式：摩擦能量损失 ：局部能量损失：一般表达式：第一章fhph221vKhhhpfl1、摩擦能量损失 气体在管道内流动时因

9、气体与管道壁和气体分子间的摩擦力而产生的能量损失。 L：管道长度 d：管道当量直径 ：摩擦阻力系数 dfhhdL摩摩0.05（砖砌管道）0.045 （生锈金属管道）0.03 （光滑金属管道） 2局部能量损失 由局部阻力引起的能量损失即由于管道突然转向或截面变化而引起局部气流运动方向或速度改变，使气流内各质点间相互冲击或形成旋涡而造成该局部区域的能量损失。dphh局局局局0.8=0.5=0.25三、气体流动的连续性方程 根据质量守恒定律对于空间固定的封闭曲面气体作稳定流动时，流入的流体质量必然等于流出的流体质量。对于不可压缩流体，保持恒定，则： 四、伯努利方程及其应用 1伯努利方程表达式 a)能

10、量表示法 根据运动物体的能量守恒定律，当不可压缩的气体在管内作稳定流动时，气体能量在其流动过程中保持恒定。则：前图中I截面上气体的全部能量(压力能、位能、动能之和)等于截面上气体的全部能量(压力能、位能、动能之和)加上气体从截面I到截面的能量损失。 总能量守恒，而且压力能、位能、动能的能量形式之间可以相互转化。 vKvgzPvgzP2212122222111b)压头表示法 气体在流动过程中，任一压头的增大，必然伴有另一压头的相应减少，但总压头保持恒定。 2、伯努利方程在炉子上的应用炉气通过小孔的溢气流量可通过伯努力方程求解。条件：小孔截面积为f，面处于炉内，面处于炉外，炉内气体密度为炉外气体密度为 ga求解方法：伯努力方程：由于： vKvgzPvgzP2212122222111gPP 1aPP 2g21zz 2vvKK；局2222221vKvPPggag局gagPPKv)(2112局ggaVgHfvfq)(22k11五、热处理炉炉气运动的动力和形态五、热处理炉炉气运动的动力和形态动力：炉内不同部位的炉气的能量存在差异（静压能、位能或动能）动力：炉内不同部位的炉气的能量存在差异（静压能、位能或动能）形态：炉膛结构、热源位置形态：