第三章 气体力学及其在窑炉.ppt

第三章 气体力学及其在窑炉中的应用 （三）浮力 * 气体力学：是从宏观角度研究气体平衡及其流动规律的一门科学。 气体流动与窑炉的操作和设计有密切关系 1、气体的流动形态、速度、方向对热交换过程有影响； 2、气流的混合对燃料燃烧过程有影响； 3、气流的分布对炉压、炉温的控制有影响； 4、气流的压强和流动阻力对排烟系统和装置的设计有影响。 第一节 气体力学基础 一、气体的物理属性：力学和热学性质。 (一) 压缩性和膨胀性 1、压缩性：流体在外力的作用下改变自身体积大小的特性。 说明：① 由于分子间有斥力，气体的密度增大到一定程度后就不再增加了即其体积不能无限压缩，当压强高时不适用。 ② 若气体速度不大（与音速相比WS= ）,压强P与温度T变化很小时，气体的体积变化很小，可近似地看作为不可压缩性气体。 定义：将系统前后压强变化为原来气体压强的20%以上的气体叫做可压缩行性气体。 2、膨胀性：流体受热（或冷却）时会改变自身体积大小的特性。 令标准状态下的气体体积为V0、密度为ρ0、气体流速W0 (二) 粘性 1、定义：气体内部质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗相对运动的性质。 2、产生的原因： ① 气体分子间的吸引力：气体分子间的间距较大，吸引力较弱，对粘性影响较小。 ② 内部分子的紊乱运动：对气体的粘性影响较大。对于气体而言，温度升高时分子的紊乱运动加剧，粘性增加。 3、牛顿定律：内摩擦力 的大小可用牛顿内摩擦定律的数学表达式计算。 （N/m2）（牛顿流体与非牛顿流体的区别） 4、说明的几点：① μ的单位为N·S/m2，其中含有力的因次，因此具有动力学特性，称为动力粘度或简称粘度。粘度是衡量气体粘性大小的物理量，单位还有泊，1泊=10-1 N·S/m2（帕·秒）。 ② 常用μ与ρ的比值—表示υ。即υ= 单位： = =m2/S。 υ的因次中没有力的因次，只有长度、时间，因此只具有运动学要素，称为运动粘度，υ比μ更能反映气体抵抗流动的特征。 热的气体易受到浮力作用而向上运动，而液体在空气中受到的浮力可忽略不计。如在密度ρa=1.2㎏/m3的大气中有高为10m、截面积为1m2的两个流体柱，一个是密度ρ=1000㎏/m3的水柱；一个是密度ρ=0.6㎏/m3的热烟气柱。 流体柱受的浮力：10×1×1.2×9.8=117.6N 水柱重：10×1×1000×9.8=98000N 热烟气柱重:10×1×0.6×9.8=58.8N 二、气体流动的基本原理 内容：运用物理学中的质量守恒、能量守恒和动量守恒原理分析气体的流动。 （一）质量守恒原理(连续性方程式) 质量=质量流率×截面积×时间 （M=ρw×F×τ）（㎏） 质量流率=气体密度×气体流速（㎏/m2·S） 在气体流场中取一单元六面体dV，其边长分别为dx、dy、dz，如图3-1。 将六面体中a点的速度按坐标轴方向分解为Wx、Wy、Wz。先讨论X轴方向的流量， C/ b d/ a d dy c dx dz b/ a/ X Y Z 图3-1 在X轴方向a、b、c、d四点的气体的流速和密度分别为： Wxa=WX Wxb=Wx+ Wxd=Wx+ Wxc=Wxb+ = Wx+ + ρa=ρ ρb=ρ+ ρd=ρ+ ρc=ρb+ =ρ+ + a′、b′、c′、d′四点的气体流速和密度分别为： Wxa′=Wx+ Wxb′= Wxa′+ = Wx+ + Wxd′=Wxa′+ =Wx+ + Wxc′= Wxb′+ ρa′=ρ+ ρb′=ρ+ ρd′=ρa′+ =ρ+ + ρc′=ρb′+ 在dτ时间内自六面体左面一面（abcd）流入六面体的气体量为： Q1=（ρaWxa+ρbWxb+ρcWxc+ρdWxd） dydzdτ（平均值） 在同一时间内由六面体右面一面（a′b′c′d′）流出六面体的气体量为： Q2= （ ） dydzdτ 在dτ时间在X轴方向六面体内气体量的变化为Qx=Q2-Q1 将前式WX、ρ