气体力学在窑炉中应用

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1、《材料工程基础》教学讲义第一章气体力学在窑炉中的应用内容简介介绍流体性质，流体静力学方程、流体动力学方程、流体连续性方程及其应用，窑炉孔口溢气量、吸气量的计算方法；学习目标与要求熟悉流体性质；掌握流体静力学方程、流体动力学方程、伯努利方程及其工程应用方法；掌握介绍窑炉孔口溢气量计算方法，为后续热平衡计算打基础；课程重点流体的密度、流体的压缩性和膨胀性、流体的粘性、流体的静压强、流体静力学和动力学的一些基本概念与应用；小孔、炉门溢气计算。课程难点流体的粘性、流体静力学方程的应用、伯努利方程及其在工程上的应用。第一节气体力学基础一、气体的物理属性状态方程、膨胀性

2、与压缩性、粘性/浮力（一）理想气体状态方程或R-J/Kmol.k，M-Kg/Kmol（二）气体的膨胀性、压缩性气体的比容m3/kg膨胀系数（）压缩系数（）气体的体积弹性模量（N/m2）15《材料工程基础》教学讲义气体的膨胀系数和压缩系数的大小与膨胀或压缩过程的特性有关，还与热量传递的多少有关，是一个变化量。（下面关系式可由热力学第一定律推导，请同学们自行推导）＝常数＝常数＝常数——系统内气体的内能增量（J/Kg）——加给系统的热量（J/Kg），绝热或等熵过程时q=0气体膨胀性、压缩性比液体大得多，属于可压缩流体。但窑炉系统中烟气近似于外界大气压。流速远低于音

3、速，温度分段处理，使气体密度变化≤20%，可视为不可压缩流体。当气体的流速>100m/s或压强和温度变化叫道，应按可压缩气体处理。（一）气体的粘性牛顿内摩擦定律—剪切应力，，Pa—速度梯度，—动力粘度梯度，—运动粘度，—T的关系、—查表1－1（二）空气的浮力阿基米德浮力原理，单位体积气体在空气中浮力合力：15《材料工程基础》教学讲义液体：，通常不考虑浮力的影响。气体（窑炉热气体），，浮力>重力。窑炉系统中的热气体在没有外界机械能力加入的情况下，具有自下而上自然流动的趋向。二、气体动力学基本方程l质量方程——连续性方程l能量方程l动量方程（一）稳定态一元流（管

4、流）质量方程气体质量流量不可压缩流体气体体积流量（二）稳定态一元流（管流）能量方程控制系统：Lm——系统内气体对外界做的机械功系统内单位质量气体的能量包括：位能动能内能压力能能量守恒原理：在稳态，单位时间传入系统的热量等于系统内气体能量增量与系统对外作出功率之和。对于稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上均匀式中、—平均动能修正系数15《材料工程基础》教学讲义，层流时，；湍流时稳定流动单位质量气体的能量方程——热力学第一定律未对外做机械功的绝热流动，即，或其中，是单位质量气体的焓，理想气体：能量方程未说明气体的性质及过程特点，不论理想气体实际气体，可逆过程

5、或不可逆过程，可压缩气体或不可压缩气体都适用。对可压缩气体的变速流动，可略去位能变化。或，窑炉系统气体流动特点：压强变化不大，但温度变化较大，密度变化也较大，属于可压缩气体流动。但分段处理，每段气温变化不大，将该段气体平均温度下的密度近似为常数，即气体在平均温度下作等温流动（、）（）单流体伯努利方程等温流动沿途有阻力损失，15《材料工程基础》教学讲义双流体伯努利方程炉外空气—窑内气体表压强（静压头，）—窑内气体受到的重力和浮力之和的位能（几何压头，）—窑内气体的动能（动压头，）注：高程变化较大时，、会变化、、、—海平面处的大气压强、温度、密度，—海拔高度窑系

6、统气体流动阻力损失、、（层流，；湍流、查表1－2）—平均标态流速，—局部阻力系数，查附录二。降低的途径：圆、平、直、缓、少。本节重点：要求会列两截面间的伯努利方程若2-2截面处（犹如烟囱出口处的压强等于大气压），则1-1截面处为负值，即处于负压状态，这就是烟囱底部产生的抽力的原因。（一）稳定态一元流（管流）动量方程15《材料工程基础》教学讲义稳定态管流的动量方程若合外力，则第一节窑炉内的气体流动本节重点：不可压缩气体的流动（窑炉流出、流入；分散垂直气流法则）可压缩气体的流动（通过渐缩喷嘴；通过拉伐尔喷嘴）一、不可压缩气体的流动窑炉内气体水平、垂直，从孔口、炉

7、门的流出或流入大多属于不可压缩气体流动。（一）气体从窑炉内的流出和吸入（小孔、炉门）窑炉内的流出（正压）、窑炉内的吸入（负压）1、气体通过小孔的流出和吸入1-1——2-2伯努利方程、，流量系数、、可查表1-3。表1-3中薄、厚壁划分：依据气流最小15《材料工程基础》教学讲义截面位置来区分。（薄壁、厚壁，）同理，通过小孔F截面吸入的气体体积流量：2、气体通过炉门的流出和吸入炉门有一定高度，应考虑沿炉门高度上的静压变化对气体流出和吸入量的影响。单位时间，，小孔窑底处（零压），窑底与高度z之间的热气体伯努利方程对于整个炉门实际上，不同高度上的流量系数不相等，简化为

8、炉门平均流量系数，由实验测定。（1）其中由牛顿二项式