气体力学第一章.doc

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1、0.绪论流体力学是研究流体运动规律及其力学规律的一门科学。流体力学按研究内容可以分为流体力学和工程流体力学。流体力学研究流体的受力平衡和运动规律，工程流体力学研究流体平衡理论和运动规律的工程技术应用。流体力学按照研究方法还可分为理论流体力学和计算流体力学。随着计算机科学与技术的发展，计算流体力学得到迅速发展和广泛应用。流体力学还可按照流体流动的性质和形态具有某些方面的专门研究，例如粘性流体力学，湍流等。流体力学按照研究流体介质分类，又分为水力学和气体力学。由于研究的对象不同，研究的方法和范围也有所区别。水力学主

2、要研究液体和具有一定限制条件在某种状态下的气体，作为不可压缩流体的平衡、运动和液体与固体相互作用的受力规律。气体力学主要研究气体的平衡、运动和气体与固体相互作用的受力规律。气体力学比气体动力学研究的范畴大，气体动力学只研究可压缩气体的运动规律和受力状况。气体是一种流体，虽然与液体一样它具有连续性、易流动性和粘性，但与液体相比具有特殊的性能：第一，气体的体积随着压力变化有很大的变化。液体的体积受压力变化的影响很小，因此可被看做不可压缩性流体；第二，气体的体积受温度的影响很大，气体的体积随着温度的增大，密度要减小，

3、因此压力不变的条件下体积要增大。液体的体积受温度的影响很小；第三，气体在容器中，由于分子间的引力很小，不会像液体那样形成自由表面，而会充满容器的空间；第四，气体的粘度随温度的升高而增大。在一般情况下这与液体的粘度随温度升高而减小的规律正好相反。由此可见，由于气体的特性所致，它的运动学和动力学规律与液体相比，具有一定的特殊性。气体力学是研究气体平衡和气体运动规律的一门科学。本书将从工程实际出发，重点介绍热工气体力学的理论及应用，强调工程性和实用性，作为工程流体力学的一种补充。这里所涉及的内容主要用于工业热工、热能

4、及动力工程、冶金工程等领域的实际应用。1．气体的特性和基本方程气体和液体统称为流体。但是与液体相比，气体具有特殊的性质。气体的性质使气体在流动过程中保持着某些特殊的规律。1.1气体的特性气体的特性主要体现在如下几个方面。第一，气体的体积易在受到外力的作用下或其温度变化时发生变化；第二，气体的密度易受到外界影响而变化；第三，气体的粘度受温度和压力的影响变化很大。1.1.1气体的体积变化气体的体积随温度和压力变化而变化很大。(1).温度对气体体积的影响根据气体状态方程（Boyle’sLaw），对于完全气体，在压力不

5、变的情况下，气体的体积与绝对温度成正比。如果某种气体在两种状态时，即状态1和状态2时，有p1v1＝RT1(1-1a)p2v2＝RT2(1-1b)如果p1＝p2时，合并(1-1a)和(1-1b)两式得＝＝(1-2)故在压力变化很小的情况下，气体的比容量与绝对温度成正比，即：v2=v1（T2/T1）假定2状态为标准状态（v2＝v0，T2＝T0，P2＝P0），1状态为任意状态，(1-2)式能写成vt＝v0（1＋βtt）(1-3)式中：βt－体积膨胀系数，βt＝1/273（1/℃）；vt－任意温度t下的气体比容，m3/

6、kg；v0－标准状态（温度为0℃，压力为1个标准大气压）下的气体比容，Nm3/kg。也可以写成气体体积的关系Vt＝V0（1＋βtt）(1-4)由此可见，温度对气体体积的影响呈线性关系。气体温度每增大273℃，气体体积增大一个V0的倍数。当温度变化时，气体的体积变化用体积膨胀系数βt表示。体积膨胀系数βt被定义为βt＝＝(1-5)将式(1-2)的关系带入(1-5)式，经推导整理，气体游标态变化时，体积膨胀系数βt为βt＝＝（1/℃）(1-6)气体在0℃时的体积，被称为标准体积，用V0表示。工程上冷态气体温度一般为

7、常温定义为20℃，由此常温下的气体，被近似认为是标准体积，在工程领域气体的标准体积常用单位为标准立方米，记为Nm3。同样道理，根据气体状态方程，在压力不变的条件下，体积流量Vt与温度t的关系可写成Qt＝Q0（1＋βtt）(1-7)式中：Q0－0℃下的体积流量，Nm3/s；由流量和速度的关系u＝Q/A(1-8)在流通面积F不随温度变化的条件下，可得ut＝u0（1＋βtt）(1-9)式中：u0－标准状态下的气体流速，m/s。例1-1.有一加热炉空气换热器，在0℃时其流量为6100Nm3/hr，空气经换热器被加热。如

8、果换热器空气入口和出口的管路直径均为0.6m，空气入口温度为25℃，出口温度为400℃。求空气换热器管路的入口处和出口处的工程流量和流速。解：已知Q0=6100Nm3/hr=1.0694Nm3/s，t1=25℃，t1=25℃，d=0.6m。空气通过的管路截面积为A=pd2/4=0.282m2。入口处的流速u1和流量Q1分别为u1=u0（1＋βtt1）=(6100/3600)/0.282