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1、第二章 气体力学,授课人：杨晓敏,返回总目录,教学提示,教学要求,：各种热处理炉，特别是可控气氛炉和燃料炉，都涉及炉气运动。炉气运动对炉内传热、炉温均匀性等都有很大的影响，因此设计和使用热处理炉的主要任务之一是合理引导炉内气体运动。,第二章 气体力学,：掌握炉气的压头概念及其分布特点、规律及在热处理炉上的应用；掌握流动气体性质、能量转换、伯努利方程及其在热处理炉上的应用。了解炉气力学在电阻炉、燃料炉中的利用。,2.1 气体静力学2.2 气体动力学及伯努利方程,教学内容,一般要求,炉气在运动中的能量损失,重点掌握,炉气静力学在热处理炉上应用 烟囱的抽气原理2.连续性方程3.伯努利方程,第二章 气
2、体力学,1、密度,例：在标准状态下（0，1.01325105），1m3的烟气中含有a(CO2)=12%，a(O2)=7%，a(N2)=81%，求其密度。,各种气体在标准状态下的密度（kg/m3）,21 气体静力学,一、静止气体的能量,21 气体静力学,2、气体的压力和压力能气体压力：气体作用在容器单位面积上的力称为气体压力。单位为Pa绝对压力：气体压力若从绝对零点(绝对真空)算起，则称为绝对压力，以P表示。相对压力：气体压力若以大气压力为计算起点，即同一水平面上容器内气体的绝对压力P与大气压力Pa之差，称为相对压力。,21 气体静力学,图1 表压力的测量,00=0,21 气体静力学,炉子操作往
3、往用正压或负压的概念。例如：炉子压力具有5mmH2O，即炉内气体压力比大气压高5mmH2O，称之为正压操作。如炉子压力具有3mmH2O，则表示炉内气体压力比大气压力低3mmH2O，称之为负压操作。,21 气体静力学,气体压力是气体分子储存能量大小的一种表现形式.,图3 气体推动活塞作功,压力能(静压能)：,21 气体静力学,在距基准面高度为z，体积为dV的静止气体所具有的位能：,2、气体的位能,压力能和位能关系？,3、静止气体的平衡方程气体处于静止状态，受力必平衡，z轴方向的平衡方程式为：,它表征在重力场中不可压缩流体的压力分布规律，可近似地应用于一般炉内气体。,流体静力学基本方程式,p+gz
4、=常数,图4 平衡气体的受力情况,静止气体平衡方程式和静力学基本方程式的意义是什么？,图5 平衡气体的压力分布,p+gz=常数,二、静止炉气与炉外空气的相对能量压头 压头：单位体积炉气与同一水平面上炉外单位体积空气的能量之差称为压头。1、静压头 单位体积炉气的压力能与同一水平面上炉外单位体积空气的压力能之差。hs大于0，炉气就有向炉外溢出的趋势；反之，就有吸入空气的趋势,21 气体静力学,图6 静止炉气和空气静压头的分布,图7 静止炉气的静压头的分布,在相对零压面以上，炉气的静压头为正，越往上其值越大，向外溢气；零压面以下，炉气的静压头为负，越往下负值越大，吸入冷空气。,静压头随炉子高度而变化
5、，炉顶静压头总是比炉底的高，其实质是，因炉内热气柱的密度小。炉内热气的绝对压力随高度增加而减小得慢；而炉外冷空气柱得密度大，故空气的绝对压力随高度增加而减小得快。静压头是两者之差。,例：设炉温为1000下炉气的密度g为0.1935Kg/m3，车间温度为0。当零压面控制在炉底时，求1m高度上的炉膛压力Pg和静压头hs。(标准状态下空气的密度a01.295Kg/m3),Pa1,Pa0,Pg0,Pg1,1m,21 气体静力学,2、位压头 单位体积炉气的位能与同一水平面上炉外单位体积空气的位能之差。,位压头之值与选取的基准面的位置有关，为了使位压头为正，一般在热工设备中是把基准面选在所研究系统的顶部。
6、,图8 静止炉气的位压头的分布,位压头hp始终为正，随着高度的降低，静止炉气的位压头越大。其物理意义是，因炉内是热气，密度较空气的小，一团热气在空气中时，空气推着热气向上（浮）升，位压头就是这种上（浮）升力大小的量度。两种气体的密度差越大，这种上升力就越大。,3、静止炉气静压头与位压头的关系,静止炉气在不同高度上，其静压头和位压头之和为一定值，二者可以互相转化，位压头可以转化为静压头，静压头也可以转化为位压头，静压头大处，位压头必小，反之也是如此，但其总压头之和不变，即压头守恒。,21 气体静力学,（1）、对于一般箱式电阻炉，如果炉膛封闭严密，炉气只有炉底处与大气相通，则炉气的零压面处在炉底，
7、整个炉膛内的炉气静压头为正值；,三、炉气静力学在热处理炉上的应用,1、炉膛的溢气和吸气,21 气体静力学,（2）、对于气密性很好的炉膛，刚打开炉门一直到开启炉门下沿为止；,21 气体静力学,2、炉气静压头和位压头之间的关系和转换,h位,h静（）,零压在炉底,零压在炉顶,零压在观察孔,h静（）,h静（）,h位,例 如图所示热处理炉，高3.2m，炉内烟气温度为1200，烟气标态密度g,0=1.3kg/m3，外界空气温度20，空气标态密度a,0=1.295kg/m3，当炉底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求三种情况下，炉顶以下空间静压头，位压头分布状况。,解：根据题
8、意分析，采用两气体静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在炉顶IIII截面上。列出静力学方程式 hs1+hp1=hs2+hp2由于基准面取在截面II上，hp2=0代入具体公式进行计算：,图9 烟囱的抽气原理示意图,2、烟囱的抽气原理,2、烟囱的抽气原理是由于废气比周围的空气具有较高的温度，其密度也就较小，因此废气具有一定的位压头，在烟囱底部造成负压产生所谓“抽力”。,当炉气为热状态时，ag，故Pg2Pg2此时系统内炉气不可能保持平衡，必将从燃烧室被抽向烟囱底部。,理想抽力,2、烟囱的抽气原理,烟囱底部所能产生的“理想抽力”，主要决定于：烟囱的高度、烟气和周围空气密度的差值。烟囱愈高，“
9、抽力”就愈大；同样，若烟囱高度一定，则周围空气的密度与烟囱中烟气的密度的差值愈大，“抽力”也就愈大。冬季烟囱的“抽力”和夏季烟囱的“抽力”哪个大？冬季烟囱的“抽力”比夏季的大，这是因为冬季温度低，空气密度大的缘故。,体积流量,质量流量,22 气体动力学及伯努利方程,1、气体流量和流速气体流量：在单位时间内流过给定面积的气体量，称为气体的流量。,一、气体流动的性质,气体流速：气体的流动速度在管道截面上的分布通常是不均匀的，工程上所说的流速是指管道中流体的平均流速，即单位面积上的平均流量。,22 气体动力学及伯努利方程,气体流速,22 气体动力学及伯努利方程,(1/),气体随温度升高而膨胀。根据气
10、体方程，其在某一温度下的体积、体积流量、速度和密度与在标准状态下之间的关系。,图 切应力与速度梯度,法向速度梯度,流体的粘度系数，简称粘度，Ns/m2,切应力，N/m2,2、气体的粘性粘性指的是当两层气体相对平移运动时，产生一个切向阻力，企图阻止其发生相对运动。这种切向阻力称为气体的内摩擦力。粘性大小程度称为粘度。,气体粘度与温度的关系：,与气体性质有关的常数；,气体在273（K）时的动力粘度。,气体在T（K）时的动力粘度；,粘性气体,粘性气体在管中的速度分布,理想气体在管中的速度分布,22 气体动力学及伯努利方程,理想气体,3、气体的流动形态,22 气体动力学及伯努利方程,4、气体的动能与动
11、压头 动能：对于密度为的单位体积的气体，其所具有的动能Ed在数值上可表示为：动压头：管道内流动着的单位体积气体与管外空气之间的动能差。,22 气体动力学及伯努利方程,22 气体动力学及伯努利方程,5 稳定流动和非稳定流动 流体流动分为稳定流动和非稳定流动。稳定流动，是流体中任一空间点的物理量如温度、压力、速度等不随时间而变化(不同点上的物理量可以不相同)。而非稳定流动，是任一空间点的物理量都随时间而变化。在炉子系统里，多数气体流动可近似地看成是稳定流动，少数情况是非稳定流动，如炉门刚开时的溢气便属非稳定流动。,二、炉气在运动中的能量(压头)损失炉气在炉膛、烟道等通道内流动时会由于冲击及摩擦等作
12、用造成能量损失或压头损失，一般表达式：,22 气体动力学及伯努利方程,K阻力系数,工程上为计算方便，常把能量损失分为摩擦阻力损失(沿程阻力损失)和局部阻力损失两类。,K摩摩擦阻力系数，L为管道长度，d为管道当量直径。,摩擦阻力系数,1、摩擦能量损失hf：由于气体的粘性、气体的摩擦力引起的，是沿气体通道整个流程都存在的能量损失。,2.局部能量损失hp：多数是由于局部地区存在各种小旋涡而引起的能量损失，只是在某一局部区域存在的。,K局0.8,K局0.5,K局0.25,(1)管道进出口的局部能量损失,22 气体动力学及伯努利方程,(2)管道转变一定角度时的局部能量损失,22 气体动力学及伯努利方程,
13、(3)管道局部扩张或收缩时的局部能量损失,K局0.5(1-f2/f1)2,K局(1-f1/f2)2,K局(1-f1/f2)2sin,管道扩张或收缩的局部阻力系数,22 气体动力学及伯努利方程,(4)管道分流或汇流时的局部能量损失,K局2,K局1.5,K局1.5,K局3,管道流股分流或汇流时的局部阻力系数,22 气体动力学及伯努利方程,(5)闸门的局部能量损失,闸门的局部阻力系数,22 气体动力学及伯努利方程,气体流动的连续性方程式：气体流动时质量守恒定律的数学表达式。,22 气体动力学及伯努利方程,气流的连续性,研究对象：连续性流体、不可压缩、稳态流动,三.质量守恒方程气体流动连续性方程,假定
14、流体是彼此间没有间隙且完全充满所占空间的连续介质组成。,四、伯努利方程及其应用1、流动流体的能量守恒方程单一气体的伯努利方程,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。气体的伯努利方程：,用压头的形式表示为：,22 气体动力学及伯努利方程,2、炉气的伯努利方程（两气体的伯努利方程）,动压头,压头损失,静压头,位压头,运用伯努利方程时，应注意以下几个问题：1、伯努利方程式是描述气体在流动时的能量守恒和转换的定律。因此，在应用时必须取两个截面。2、伯努利方程中的z，是指所取管道截面的中心线到选定的基准面的距离。基准面的选取应考虑到分析和计算方便
15、。3、压头损失应该算在气流流动方向的第二个截面上。,22 气体动力学及伯努利方程,一截面逐渐收缩的水平砖烟道如图，已知烟气的=1.2Kg/m 3，在 f 1 处的表压强是 260Pa，在 f 2 处的表压强是 100Pa，两截面面积之比是 f 1/f 2 2，f 1=0.1m 2，求气体通过烟道的体积流量（忽略阻力损失）？如果考虑阻力损失，将会对流量产生什么结果（不需要计算）？,略解：截面如图，基准取在烟道的中心，建立伯努利方程：,考虑阻力损失后，流量将减小。,(1)：研究截面收缩的水平管道在不同截面上压头间互相转换的关系。,P11f1,P22f2,对I截面和II截面写伯努利方程，因为是水平管
16、道故，hp1hp2，另外不计流动中的阻力损失，则根据气体运动伯努利方程,3、伯努利方程的应用-压头守恒,（2）当热气体由上向下运动时,气体在管道内由IIII截面向II截面流动的柏努利方程式 hs2+hP2+hd2=hs1+hp1+hd1+hl2-1 管道截面未发生变化 hd2=hd1 又基准面取在IIII截面上，hp2=0。hs2=hs1+hp1+hl2-1,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，使动压头保持不变。同时部分静压头又转变为位压头，最后使II面静压头减少。,对烟囱底部截面 和顶部出口截面 的伯努利方程式,取一为基准面，则有：,H,4、伯努利方程的应用
17、计算,（1）、烟囱抽力的计算,小孔溢气,（2）、炉气通过小孔的溢气流量,=0，z1=z2，炉外气流的压力等于大气压Pa。代入伯努利方程,炉气通过小孔的溢气流量,当气体通过炉墙上小孔流动时，由于惯性的作用，其流股将收缩形成一个最小截面，称为缩流。缩流系数f2/f如果气流的最小截面在小孔外，则炉墙为薄墙，若截面在小孔内，炉墙为厚墙。经验证明：当孔长为孔径的34倍以上时，为厚墙。1薄墙 0.98 0.63 0.62厚墙 0.82 1.0 0.82,图3 炉门洞溢气,（3）、通过敞开炉门的溢气和吸收炉门洞与小孔的区别在于沿炉门洞高度炉气的静压头是变化的。,通过整个炉门洞的溢气流量为：,1为整个炉门洞的平均流量系数，一般取。,例：设炉门的H0.8m，B0.9m，炉气温度t1400时炉气密度为0.2113Kg/m3，周围空气温度为0，零压面在炉底，试求通过炉门孔的溢气量(标准状态下空气的密度a01.295Kg/m3),若炉子的零压面恰在炉门洞的中心线上，求炉门洞上半部的溢气量和下半部的吸气流量？,1,1,
