硅酸盐工业热工基础第一章分析课件

热工过程与设备第一章1.2窑炉系统内的气体流动不可压缩气体的流动可压缩气体的流动气体射流熟练掌握了解了解及自学热工过程与设备1

热工过程与设备第一章一、不可压缩气体的流动（一）气体从窑炉内的流出和吸入1、气体通过小孔的流出和吸入静压头转变为动压头，使压强降低、速度增加．ⅡⅡw1ρ1P1F1zⅠⅠFw2,ρ2P2,F2热工过程与设备2

热工过程与设备第一章流出气体在惯性作用下，气流会发生收缩，在Ⅱ截面处形成最小的截面F2，这种现象称为缩流。缩流系数：（气流最小截面与小孔截面的比值）ⅡⅡw1ρ1P1F1zⅠⅠFw2,ρ2P2,F2小孔的位置热工过程与设备3

热工过程与设备第一章Ⅰ截面（窑内）：Ⅱ截面（气流最小截面）：气流通过小孔的压差极小：Question：如何衡量流出气体的快慢、多少

？

w1ρ1P1F1zⅠⅠFw2,ρ2P2,F2热工过程与设备4

热工过程与设备第一章列Ⅰ-Ⅱ间伯努利方程，计算：热工过程与设备5

热工过程与设备第一章热工过程与设备6

热工过程与设备第一章热工过程与设备7

热工过程与设备第一章***缩流系数、速度系数、流量系数均应由实验确定。也可查表（P13）。***薄壁和厚壁的概念：气流最小截面在孔口外——薄壁气流最小截面在孔口内——厚壁热工过程与设备8

热工过程与设备第一章

热工过程与设备9

热工过程与设备第一章Question：小孔为其它形状

？

形状大小热工过程与设备10

热工过程与设备第一章2、气体通过炉门的流出和吸入***沿炉门高度上的静压头的变化对气体流出和吸入量有影响。单位时间内通过微元面积dF的流量，为：dF炉门热工过程与设备11

热工过程与设备第一章

窑底与z间的伯努利方程为：热工过程与设备12热工过程与设备第一章

把近似看作常数，作为平均流量系数，则热工过程与设备13

热工过程与设备

第一章

热工过程与设备14总结】小孔炉门总结】小孔炉门15试一试】其它形状炉门情形如何计算?

☺试一试】其它形状炉门情形如何计算?☺16根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头则相反。即：上部断面的静压头大于下部断面的静压头。？？？、浮力看成重力，重力作用明显，浮力可忽略时，上部小、下部大。浮力作用明显，重力可忽略时，上部大、下部小。根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头17例题1-10某窑炉的窑墙厚为240mm,上下各有一个直径为200mm的小孔，两孔间垂直距离为1m,窑内气体温度为1000℃，烟气标态密度为1.32kg/m3，外界空气温度为20℃，窑内零压面在两个小孔垂直距离的中间。求通过上下两个小孔的漏气量。1122001m0.5m厚240mmΦ200mm例题1-10某窑炉的窑墙厚为240mm,上下各有一个直径18（1）解：（1）解：19硅酸盐工业热工基础第一章分析课件20硅酸盐工业热工基础第一章分析课件21硅酸盐工业热工基础第一章分析课件22根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头则相反。即：上部断面的静压头大于下部断面的静压头。本题：零压头在两小孔中间，所以上孔肯定为正压（气体溢出），下孔为负压（吸入空气）。所以有：解法2根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头23硅酸盐工业热工基础第一章分析课件24解法3解法325

热工过程与设备第一章（二）分散垂直气流法则垂直分散气流：一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流。垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，冷气体自下而上流动。问题：设a、b通道等截面，则为保证a、b通道内温度均匀，应具备什么条件？

ⅠⅠⅡ

Ⅱ

ab热工过程与设备26

热工过程与设备第一章a通道伯努利方程:Ⅰ截面为基准面，则：

a通道等截面，则：气流自上而下流动时，则：

热工过程与设备27

热工过程与设备第一章气流自下而上流动时，则：

条件：欲使a、b通道温度均匀，需使a、b两端静压差相等，即：ⅠⅠⅡ

Ⅱ

热工过程与设备28

热工过程与设备第一章a、b通道温度分布均匀的条件是：气体自上而下流动时：气体自下而上流动时：通道内的几何压头和阻力损失相等。所以热工过程与设备29

热工过程与设备第一章分析两种情况：？？？热工过程与设备30

热工过程与设备第一章①热气体自下而上流动时：具体分析热气体情形：假若

几何压头为推动力原因：P6热工过程与设备31

热工过程与设备第一章②热气体自上而下流动时：

假若1几何压头为阻力热工过程与设备32①冷气体自下而上流动时：②冷气体自上而下流动时：垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，

冷气体自下而上流动。课下自学内容

ⅠⅠⅡ

Ⅱ

ⅠⅠⅡ

Ⅱ

①冷气体自下而上流动时：②冷气体自上而下流动时：垂直分散33分散垂直气流法则适用条件热工过程与设备几何压头起主要作用的通道分散垂直气流法则适用条件热工过程与设备几何压头起主要作用的通34

热工过程与设备第一章1.2窑炉系统内的气体流动不可压缩气体的流动可压缩气体的流动气体射流熟练掌握了解了解自学热工过程与设备35伯努利方程的适用气体：不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动二、可压缩气体的流动可压缩气体能量方程：可压缩气体怎样做能量的换算？伯努利方程的适用气体：不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动36可压缩气体是否有伯努利方程？可压缩气体是否有伯努利方程？37热工过程与设备第一章

可压缩气体绝热流动的伯努利方程：—绝热指数单原子气体，双原子气体（包括空气），多原子气体（包括过热蒸汽）热工过程与设备38热工过程与设备第一章

热工过程与设备39例题1-11为获得较高空气流速，使煤气与空气充分混合，采用高压空气流经图示气体喷嘴，在1、2界面测得高压空气压强分别为P1=12at，P2=10at（1at=98070Pa），1处流速w1=1000m/s,温度t1=27℃，求喷嘴出口速度w2为多少？。1122例题1-11为获得较高空气流速，使煤气与空气充分混合，采40例题解例题解41热工过程与设备第一章

可压缩气体流动与不可压缩气体区别显著。不可压缩流动时，只有热交换才能引起流体温度变化；但可压缩流动时，温度可随流速而变。静止温度Ts下，流速增加，温度降低可压缩不可压缩气体的区别，可用于选择或天空或判断热工过程与设备42热工过程与设备第一章

（一）音速和马赫数1、声波在气体中的传播速度-音速方程式音速：声波在弹性介质中的传播速度。（a，m/S）

音速声音来源于物体振动，该振动会引起介质压强和密度的微弱变化，这种微扰动在介质中依次传播，就是声音的传播过程。热工过程与设备43热工过程与设备第一章

考察声波在气体中传播时引起温差变化很小传播速度很大声音在气体中传播属于可逆绝热过程（等熵，q=0）即等熵时：热工过程与设备44热工过程与设备第一章

[如]空气，，，则声音在空气中传播速度为音速与温度有关，也为状态参数；与地域、季节等有关音速大小反映气体可压缩程度，音速越大则气体的可压缩程度越小。热工过程与设备45热工过程与设备第一章

2、马赫数管流某界面气流速度w,m/S当地音速a则逆气流方向，声波传播速度为：其中：热工过程与设备46热工过程与设备第一章

气体流动可根据Ma大小来分类Ma＜＜

1，不可压缩流动Ma＜

1，亚音速流动Ma≈1，跨音速流动Ma＞1，超音速流动热工过程与设备47热工过程与设备第一章

滞止（滞留）参数：流体处于静止状态，流速为0

的参数（以下表s表示）滞止参数一定时，气流中的音速大小取决于气流速度。热工过程与设备48热工过程与设备第一章

可压缩流体流速与断面的关系不可压缩流体，流速与断面反比。可压缩流体，可压缩不可压缩气体的对比，可用于选择或天空或判断热工过程与设备49热工过程与设备第一章

可见：Ma＞1（超音速流动）时，流速与断面呈正比。流速随断面增大而增大，随断面减小而减小。Ma＜1（亚音速流动）时，流速与断面呈反比。流速随断面增大而减小，随断面减小而增大。Ma＝1时，ｄＦ＝０，对应临界断面。热工过程与设备50热工过程与设备第一章

（二）可压缩气体通过渐缩喷嘴流出1、流量和流速（高压气体）①罐容量足够大，气体参数可视为常数②罐容量足够大，气体流速视为零，处于滞留（滞止）状态，（以下标S标出）气体流出过程001122流速增加、压强下降气体在喷嘴中流速大，可视为绝热。热工过程与设备51热工过程与设备第一章

理想、可压缩气体能量方程：（注意：不能用伯努利方程）热工过程与设备52热工过程与设备第一章

理想气体焓：热工过程与设备53热工过程与设备第一章

绝热过程：由绝热方程：由：热工过程与设备54热工过程与设备第一章

由：***实际：热工过程与设备55热工过程与设备第一章

2、极限速度和临界速度（1）极限速度讨论：热工过程与设备56热工过程与设备第一章

试验：若想维持气体滞止参数和出口断面F2，采取一定手段使喷嘴出口处压强Pa可连续调节。则：环境压力Pa由Ps起逐渐下调，则出口处压强P2等于Pa也连续下降。但P2下降有一限度，Pa小到一定值时，P2不再随之下降，而是P2〉Pa。气源气柜调节阀抽气机喷嘴Pa热工过程与设备57热工过程与设备第一章

（2）临界速度m有最大值E点定义：E点对应的状态为临界状态，相应参数为临界参数（用下标cr表示）ABD(wmax)EmwGmmax热工过程与设备58热工过程与设备第一章

由绝热方程：问题：怎样求？

临界参数仅与滞止参数和气体绝热指数有关热工过程与设备59热工过程与设备第一章

**临界速度等于当地音速热工过程与设备60热工过程与设备第一章

mwABC(wcr)D(wmax)EF(mmax)G拥塞效应热工过程与设备61热工过程与设备第一章

可压缩气体由渐缩喷嘴外射流出的极限：压强（背压）：低至临界压强温度：低至临界温度速度：高至临界速度，当地音速马赫数：1热工过程与设备62热工过程与设备第一章

（三）可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴外射流出渐缩渐扩管—拉伐尔喷嘴：利用气体压力能获得超音速出口气流喉部：渐缩、渐扩的结合部。收缩段扩张段热工过程与设备63热工过程与设备第一章

热工过程与设备64ABD(wmax)EmwGmmaxABD(wmax)EmwGmmax65热工过程与设备第一章

1、气体参数与喷嘴断面积与速度变化的关系等熵流动，热力学参数变化——速度变化能量方程、理想气体状态方程

能量方程：

（1）

热工过程与设备66热工过程与设备第一章

状态方程：

绝热方程：

**dw〉0，则dP、dρ、dT均〈0（2）

（3）

改书上错热工过程与设备67热工过程与设备第一章

状态连续性方程：

（4）

（4，）

热工过程与设备68热工过程与设备第一章

**亚音速气流在渐缩段加速、在渐扩管减速；超音速气流在渐缩段减速、在渐扩管加速；热工过程与设备69热工过程与设备第一章

渐缩喷嘴对应滞止压强不需过高。P22拉伐尔喷嘴对应滞止压强要高于临界压强。实际操作时：热工过程与设备70热工过程与设备第一章

2、气体参数与喷嘴断面积与马赫数的关系已知：热工过程与设备71热工过程与设备第一章

热工过程与设备72热工过程与设备第一章

热工过程与设备73热工过程与设备第一章

热工过程与设备74热工过程与设备第一章

热工过程与设备75硅酸盐工业热工基础第一章分析课件76

热工过程与设备第一章1.2窑炉系统内的气体流动不可压缩气体的流动可压缩气体的流动气体射流熟练掌握了解了解自学热工过程与设备77热工过程与设备第一章

三、气体射流射流：

气体脱离了原来限制它流动的管道，不再受固体壁面的限制，而在空间连续扩散流动。(喷射到窑内的可燃气；烟囱冒出的烟气等。)与管流有本质区别。因不再受璧面的影响限制、与周围气体接触混合层流射流：管嘴直径较小，喷出气量小时，在管嘴出口处形成层流射流。湍流射流：管嘴直径较大，喷出气体流速较大时，在管嘴出口处形成湍流射流。热工过程与设备78热工过程与设备第一章

自由射流：气体喷射到充满静止介质的无限空间中去，射流完全不受固体壁面的限制。受限射流：气体喷射到有限空间时，射流要受到空

间的部分限制。研究射流规律目的：P27热工过程与设备79热工过程与设备第一章

（一）自由射流(湍流)等温自由射流：喷出气流与周围介质

温度、密度相等

非等温自由射流：喷出气流与周围介质存在温度差、密度差热工过程与设备80热工过程与设备第一章

1、自由射流的形成和特点（1）自由射流的形成和外形特点热工过程与设备81湍流：气体横纵向流动，喷出气体则与周围空气不断掺和，交换能量、动量，一起向前流动。流量、横断面不断增大，流速不断降低，形成向周围扩散的锥形体，最终消失在空气中。湍流：气体横纵向流动，喷出气体则与周围空气不断掺和，交换能量82转折截面外边界内边界M边界层开始段主段外边界内边界极点M极角核心收缩角边界层核心区转折截面开始段主段转折截面外边界内边界M边界层开始段主段外边界内边界极点M极角83热工过程与设备第一章

外边界：速度等于零的边界内边界：速度保持初速度的边界极点：外边界的交点极角：外边界与x轴的夹角核心收缩角：内边界与x轴的夹角边界层：内、外边界之间的区域核心区：保持初速度的区域转折截面：只有x轴上一点还保持初速度的截面开始段：喷嘴出口至转折面之间的射流区域主段：转折面以后至射流消失的射流区域热工过程与设备84热工过程与设备第一章

②近似认为自由射流内部压强不变，等于周围气体的压强。沿x轴动量不变、动能减小。（2）自由射流的流动特点①自由射流可近似认为是一维流动。

③自由射流内各截面上速度分布有相似性热工过程与设备85M开始段主段Rx1Rx2M开始段主段Rx1Rx286转折截面外边界内边界M边界层开始段主段压强P动量mw流量V动能中心速度转折截面外边界内边界M边界层开始段主段压强P动量mw流量87热工过程与设备第一章

2、自由射流中各运动参数的变化关系（阿勃拉莫维奇）（1）主段①极角α

主段

湍流系数改错热工过程与设备88热工过程与设备第一章

②射流半径Rx

主段

热工过程与设备89热工过程与设备第一章

③轴心速度wc

动量守恒主段

热工过程与设备90热工过程与设备第一章

④体积流量Vx

⑤平均流速

⑥质量平均流速

热工过程与设备91热工过程与设备第一章

（2）开始段开始段

转折面

主段①核心区长度L（开始段的长度）

热工过程与设备92热工过程与设备第一章

开始段

转折面

主段②喷嘴出口断面至极点距离③核心收缩角

热工过程与设备93热工过程与设备第一章

核心区流量

④体积流量

边界层内流量

总体积流量

热工过程与设备94热工过程与设备第一章

⑤截面平均速度

热工过程与设备95热工过程与设备第一章

3、矩形射流及平面射流（1）矩形射流气体从矩形截面出口喷出的射流折算为截面相等的圆截面平面射流热工过程与设备96热工过程与设备第一章

（2）平面射流气体从狭长缝隙中喷出的射流。热工过程与设备97热工过程与设备第一章

P33，表1-7热工过程与设备98热工过程与设备第一章

4、温差射流及浓差射流射流的周围气体的温度和密度与喷射气体不同，使自由射流的温度和浓度发生变化。喷射气体与周围气体混合

发生热量、质量交换热量扩散较动量扩散快温度边界层比速度边界层发展快简化：温度、浓度边界层与速度边界层一致。热工过程与设备99热工过程与设备第一章

（1）轴心温差和轴心浓差Ⅰ：射流与周围温差较小时：***下标c：轴心

下标o：出口处Ⅱ：射流与周围温差较大时：热工过程与设备100热工过程与设备第一章

（2）射流弯曲射流与周围气体密度不等，重力、浮力不平衡造成。①射流直线水平热射流，射流向上弯曲冷射流，射流向下弯曲热工过程与设备101热工过程与设备第一章

②射流垂直——不弯曲

垂直向上垂直向下热射流冷射流热工过程与设备102③射流即不水平又不垂直热射流

冷射流

③射流即不水平又不垂直103热工过程与设备第一章

（二）受限射流（三）常见的特殊射流（四）旋转射流热工过程与设备104

热工过程与设备第一章1.2窑炉系统内的气体流动不可压缩气体的流动可压缩气体的流动气体射流熟练掌握了解了解及自学热工过程与设备105

热工过程与设备第一章一、不可压缩气体的流动（一）气体从窑炉内的流出和吸入1、气体通过小孔的流出和吸入静压头转变为动压头，使压强降低、速度增加．ⅡⅡw1ρ1P1F1zⅠⅠFw2,ρ2P2,F2热工过程与设备106

热工过程与设备第一章流出气体在惯性作用下，气流会发生收缩，在Ⅱ截面处形成最小的截面F2，这种现象称为缩流。缩流系数：（气流最小截面与小孔截面的比值）ⅡⅡw1ρ1P1F1zⅠⅠFw2,ρ2P2,F2小孔的位置热工过程与设备107

热工过程与设备第一章Ⅰ截面（窑内）：Ⅱ截面（气流最小截面）：气流通过小孔的压差极小：Question：如何衡量流出气体的快慢、多少

？

w1ρ1P1F1zⅠⅠFw2,ρ2P2,F2热工过程与设备108

热工过程与设备第一章列Ⅰ-Ⅱ间伯努利方程，计算：热工过程与设备109

热工过程与设备第一章热工过程与设备110

热工过程与设备第一章热工过程与设备111

热工过程与设备第一章***缩流系数、速度系数、流量系数均应由实验确定。也可查表（P13）。***薄壁和厚壁的概念：气流最小截面在孔口外——薄壁气流最小截面在孔口内——厚壁热工过程与设备112

热工过程与设备第一章

热工过程与设备113

热工过程与设备第一章Question：小孔为其它形状

？

形状大小热工过程与设备114

热工过程与设备第一章2、气体通过炉门的流出和吸入***沿炉门高度上的静压头的变化对气体流出和吸入量有影响。单位时间内通过微元面积dF的流量，为：dF炉门热工过程与设备115

热工过程与设备第一章

窑底与z间的伯努利方程为：热工过程与设备116热工过程与设备第一章

把近似看作常数，作为平均流量系数，则热工过程与设备117

热工过程与设备

第一章

热工过程与设备118总结】小孔炉门总结】小孔炉门119试一试】其它形状炉门情形如何计算?

☺试一试】其它形状炉门情形如何计算?☺120根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头则相反。即：上部断面的静压头大于下部断面的静压头。？？？、浮力看成重力，重力作用明显，浮力可忽略时，上部小、下部大。浮力作用明显，重力可忽略时，上部大、下部小。根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头121例题1-10某窑炉的窑墙厚为240mm,上下各有一个直径为200mm的小孔，两孔间垂直距离为1m,窑内气体温度为1000℃，烟气标态密度为1.32kg/m3，外界空气温度为20℃，窑内零压面在两个小孔垂直距离的中间。求通过上下两个小孔的漏气量。1122001m0.5m厚240mmΦ200mm例题1-10某窑炉的窑墙厚为240mm,上下各有一个直径122（1）解：（1）解：123硅酸盐工业热工基础第一章分析课件124硅酸盐工业热工基础第一章分析课件125硅酸盐工业热工基础第一章分析课件126根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头则相反。即：上部断面的静压头大于下部断面的静压头。本题：零压头在两小孔中间，所以上孔肯定为正压（气体溢出），下孔为负压（吸入空气）。所以有：解法2根据P6，上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头127硅酸盐工业热工基础第一章分析课件128解法3解法3129

热工过程与设备第一章（二）分散垂直气流法则垂直分散气流：一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流。垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，冷气体自下而上流动。问题：设a、b通道等截面，则为保证a、b通道内温度均匀，应具备什么条件？

ⅠⅠⅡ

Ⅱ

ab热工过程与设备130

热工过程与设备第一章a通道伯努利方程:Ⅰ截面为基准面，则：

a通道等截面，则：气流自上而下流动时，则：

热工过程与设备131

热工过程与设备第一章气流自下而上流动时，则：

条件：欲使a、b通道温度均匀，需使a、b两端静压差相等，即：ⅠⅠⅡ

Ⅱ

热工过程与设备132

热工过程与设备第一章a、b通道温度分布均匀的条件是：气体自上而下流动时：气体自下而上流动时：通道内的几何压头和阻力损失相等。所以热工过程与设备133

热工过程与设备第一章分析两种情况：？？？热工过程与设备134

热工过程与设备第一章①热气体自下而上流动时：具体分析热气体情形：假若

几何压头为推动力原因：P6热工过程与设备135

热工过程与设备第一章②热气体自上而下流动时：

假若1几何压头为阻力热工过程与设备136①冷气体自下而上流动时：②冷气体自上而下流动时：垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，

冷气体自下而上流动。课下自学内容

ⅠⅠⅡ

Ⅱ

ⅠⅠⅡ

Ⅱ

①冷气体自下而上流动时：②冷气体自上而下流动时：垂直分散137分散垂直气流法则适用条件热工过程与设备几何压头起主要作用的通道分散垂直气流法则适用条件热工过程与设备几何压头起主要作用的通138

热工过程与设备第一章1.2窑炉系统内的气体流动不可压缩气体的流动可压缩气体的流动气体射流熟练掌握了解了解自学热工过程与设备139伯努利方程的适用气体：不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动二、可压缩气体的流动可压缩气体能量方程：可压缩气体怎样做能量的换算？伯努利方程的适用气体：不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动140可压缩气体是否有伯努利方程？可压缩气体是否有伯努利方程？141热工过程与设备第一章

可压缩气体绝热流动的伯努利方程：—绝热指数单原子气体，双原子气体（包括空气），多原子气体（包括过热蒸汽）热工过程与设备142热工过程与设备第一章

热工过程与设备143例题1-11为获得较高空气流速，使煤气与空气充分混合，采用高压空气流经图示气体喷嘴，在1、2界面测得高压空气压强分别为P1=12at，P2=10at（1at=98070Pa），1处流速w1=1000m/s,温度t1=27℃，求喷嘴出口速度w2为多少？。1122例题1-11为获得较高空气流速，使煤气与空气充分混合，采144例题解例题解145热工过程与设备第一章

可压缩气体流动与不可压缩气体区别显著。不可压缩流动时，只有热交换才能引起流体温度变化；但可压缩流动时，温度可随流速而变。静止温度Ts下，流速增加，温度降低可压缩不可压缩气体的区别，可用于选择或天空或判断热工过程与设备146热工过程与设备第一章