《无机材料热工基础》课件第一章 气体力学基础

1、第一章 气体力学基础（6课时）目录1.1 研究对象与研究方法1.2 气体的主要物理性质1.3 气体静力学基本方程1.4 气体动力学基本方程1.5 压头损失1.6 压缩性气体流动研究对象：主要是烟气和空气。本章要点：窑炉气体力学用来研究窑炉工作过程中气体的宏观物理与化学行为。本章的研究中心问题是气体流动，只有了解了气体的特性，才能把流体力学的知识准确地应用于窑炉系统的气体力学研究中。1.1 研究对象与研究方法流体：液体和气体的总称。是一类受任何微小拉力或剪力作用下都能发生变形的物体。液体力学 气体力学 从研究对象分流体静力学 流体动力学 从研究内容分从研究方法 分 理论流体力学 实验流体力学 流

2、体力学研究流体平衡和运动规律的科学固体没有流动性 流体具有流动性 流体与固体区别 流体的连续性假设连续介质假设 流体看成是由大量的连续质点组成的连续的介质，每个质点是一个含有大量分子的集团，质点之间没有空隙。质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。连续介质假设给分析问题带来的方便 不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动。 能运用数学分析的连续函数工具。 把气体看作是连绵不断地充满整个空间的、不留任何空隙的连续介质。分子间隙连续介质1.2 气体的主要物理性质密度压缩性黏性密度定义：单位体积气体的质量。符号“”，单位：kg/m3均质气体：常用气体的密度空气=1.293 kg/m

3、3 氧气=1.429 kg/m3氢气=0.090 kg/m3 CO=1.250 kg/m3 CO2=1.976 kg/m3混合气体：i混合气体中各种气体的体积百分比, %i气体混合物中各组分的密度，kg/m3气体的状态方程 一定量的气体在平衡状态下，其体积、压力与温度的关系的表达式，称为气体的状态数值方程，即：R0 通用气体常数，8.314Jmol-1K-1 实践证明，气体在通常的条件下，一般都遵循状态方程的规律气体的密度与温度、压力的关系液体：工程上液体密度看作与温度、压力无关。气体：密度与温度和压力有关。理想气体：工业窑炉(PP0):T0、P0、0 标态时温度、压力、密度压缩性定义：气体受

4、压力作用时，体积缩小，密度增大的性质。温度一定, P , V 气体的压缩性很大。从热力学中可知，当温度不变时，完全气体的体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高1体积就比0时的体积膨胀1/273。可压缩流体/不可压缩流体 所以，通常把气体看成是可压缩流体，即它的密度不能作为常数，而是随压强和温度的变化而变化的。我们把密度随温度和压强变化的流体称为可压缩流体。 当气体在压强和温度的变化都很小时，其密度变化很小，可以将密度视为定值，可作为不可压缩流体处理。 这是一种简化处理的方式黏性 流体内质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质。 牛顿内摩擦定

5、律: 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，与两层流体之间的速度梯度成正比。(N) 数学表达式：动力粘度 温度升高，分子热运动加剧 ，动量交换增多 ，粘度增大。 压力变化对气体分子热运动影响不大。绝对粘度动力粘度 运动粘度 粘度粘性流动性理想流体：流体无粘性、完全不可压缩，运动时无抵抗剪切变形的能力。（简化）实际流体：流体具有粘性，运动时有抵抗剪切变形的能力。流体按变形特点又分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体:内摩擦力与速度梯度成直线关系非牛顿流体:内摩擦力与速度梯度成非直线关系1.3 气体静力学基本方程作用在气体上的力 质量力：作用在流体内每一个质点上的力，它的大小与流体的质

6、量成正比。（重力）。表面力：作用在被研究流体表面上的力，它的大小与流体的表面积成正比。表面力可分为切向力（内摩擦力）与法向力（压强产生的总压力）。对于静止流体或没有粘性的理想流体，切向表面力为零，只有法向表面力。 静止气体垂直作用于单位面积上的力，称为气体的静压强，简称压强，习惯上称为压力。单位为Pa。压强的表示方法：绝对压强：以绝对真空(绝对零压)为起算基准的 压强 相对压强：以当地大气压为起算基准的压强相对压强（表压）绝对压强大气压强正压：绝压大于大气压时的相对压强（0)负压: 绝压小于大气压时的相对压强（1-超音速流动； Ma=1 -音速流动； Ma1-亚音速流动。流速与断面的关系当Ma

7、1，va，(M2-1)1，va，(M2-1)0，dA与dv符号相同。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。当M=1，v=a，必有dA=0， 此时断面A称为临界断面Ae，为最小断面。在临界断面上，气流速度等于当地音速，还可称为临界速度。两种喷管渐缩喷管：流体在该管内流动为亚音速流动，在管嘴出口处为音速或亚音速。注意：出口处所能够达到的最大速度为音速. 即出口处Ma小于1，最大等于1，不可能大于1。1ps1p3 p4 3 4 P4=PcMa1缩放喷管(拉伐尔管)：流体在收缩管内流动为亚音速流动，在扩张管内为超音速流动，有一最小截面。最小截面Ma=1音速Ma1喉部出口处Ma大

8、于11.6.3三种流动状态滞止状态：该截面上速度为零的状态。极限速度：该截面上速度为最大的状态。临界状态：该截面上的速度等于音速的状态，即Ma=1的状态。气体通过拉伐尔管流出 拉伐尔喷管（亦称渐缩渐阔喷管）是瑞典人拉伐尔在1883年在蒸汽涡轮机上应用的喷管。喷管的截面积首先变小然后再变大，从中间通过的气体可被加速到超音速，而并不会产生撞击。气体在截面积最小处恰好达到声速。拉伐尔喷管计算 拉伐尔喷管内的流动计算一般有两类：正问题，即给定喷管面积比、反压与总压之比和总温，需要计算喷管内的流动状态及参数。逆问题（介绍），即给定喷管出口Ma，需确定面积比和反压比。若Ma1通常不需采用拉伐尔喷管，利用收

9、缩喷管即可达到要求。若Ma1 ，此时喉部必然是临界截面，计算喷管的面积比。 逆问题 当喉部达音速时，其质量流量为最大，在拉伐尔喷管的扩张管部分，虽然其速度已超过临界断面处，但密度随截面积增大而急剧降低，因此，质量流量不可能大于临界值。所以拉伐尔喷管出口处与临界断面两处的质量流量相等。作业1 设有一热气柱，其高为100m，在100m高处气柱上部所受的压力是99996Pa，若它的密度是0.4kg/m3，求热气柱下部地面上所受的压力是多少？2 如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000，烟气标态密度f,0为1.30kg/m3，窑外空气温度20，空气标态密度a,0为1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为1atm(101325