1、气体力学在窑炉中的应用解析
冶金炉热工基础-冶金炉热工基础-气体力学
提高燃烧效率与降低污染排放
优化燃料配比
01
根据不同燃料的特点和燃烧需求，合理配比燃料和空气的比例，
实现高效燃烧和低排放。
采用高效燃烧器
02
选用具有高效燃烧性能的燃烧器，提高燃料的燃烧速度和燃烧
效率，降低未燃尽气体和有害物质的排放。
烟气处理与净化
03
采用适当的烟气处理技术和净化设备，如脱硫、脱硝、除尘等
通过气体力学的研究，可以进一步揭示冶金炉内的流动规律和传热机制，为新型高 效、环保的冶金炉的开发提供科学依据。
未来发展方向与挑战
随着科技的不断发展，气体力学在冶金炉热工基础领域的 应用将更加广泛和深入，需要进一步研究新型的数学模型 和计算方法，以提高模拟精度和计算效率。
未来发展中，需要加强气体力学与其他学科的交叉融合， 如化学反应动力学、传热学和计算流体动力学等，以推动 冶金炉热工基础领域的创新发展。
装置，对排放的烟气进行净化处理，减少对环境的影响。
新型冶金炉的开发与应用
新型燃烧技术的研究与应用
研究开发新型的燃烧技术，如富氧燃烧、催化燃烧等，提高燃烧 效率和降低污染排放。
智能化控制技术的引入
将先进的智能化控制技术引入冶金炉中，实现炉内参数的实时监测、 控制和优化，提高冶金炉的自动化和智能化水平。
流动速度的影响
气体流动速度越快，越有利于燃料与氧气混合，提高燃烧效率。但 过高的流速可能导致氧气供应不足，影响燃烧效率。
流动状态的影响
湍流流动有利于增强燃料与氧气的混合程度，提高燃烧效率；层流流 动则有利于形成稳定的燃烧区域，减少燃烧产物的波动。
05
气体力学在冶金炉优化中的应用
优化炉内气流组织
1 2 3
合理设计炉膛结构
气体力学在窑炉中的应用
dV Vn dT 1 n
T
1 dv v dT
T
V n1 V n1 1 （1-3a） n 1 1 n TV 1 n 1 n T
TV n1
视为不可压缩气体：窑炉中的低压空气和烟气的压强近似等于外界大气压，流速远 低于当地音速，流动过程中的压强变化不超过 0.5%，虽然温度变化较大，但若分段处 理， 每段温度变化不大， 气体密度变化不超过 20％， 可简化计算过程， 结果亦符合要求。 可压缩气体：气体的流速在 100m/s 以上或压强和温度变化较大，如高压气体外射 流动等。 初始状态 p0、T0、V0、ρ0 平均流速 ω0 终了状态 p、T、V、ρ 平均流速 ω
V0Tt
T0
t
＝1000×（273＋250）/273＝1916 m3
t 0T0 T ＝1.293×273/（273＋250）＝0.67 kg/m3
由此可知，空气经过加热后体积明显增加，密度明显下降，因此在窑炉的热工计算 中，不能忽略气体体积和气体密度随温度的变化。 （二）气体的膨胀性和压缩性 体积膨胀系数
μ0×10 （Pa·s）
1.72 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.48 ~1.47
6
C 122 118 138 239.7 118 71.7 198 225.9 377 416 673 ~150 ~186 －21~302 15~100 －21~302 17~100 －21~302 15~184 18~100 － － －
（1-2）
1
【例 1】将 1000m3，0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密度为 1.293kg/m3，求加 热至 250℃时气体的体积和密度。 解：
第一章 窑炉气体力学小结
第一章 窑炉气体力学小结一、静力学基本方程式 p+ρgz=常数 (重力场作用下的静止流体)二、连续性方程式 f 1u 1ρ1=f 2u 2ρ2=f 3u 3ρ3=q v =常数 (流体在管道内作稳定流动)三、柏努利方程式对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入dp+ρgdz +ρd(u 2/2)=0 积分得： p+ρgz+ρu 2/2=常数 对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为： p 1+ρgz 1+ρu 12/2=p 2+ρgz 2+ρu 22/2若考虑流体在流动过程中因摩擦、冲击而消耗部分能量，1-2处柏努利方程式为：p 1+ρgz 1+ρu 12/2=p 2+ρgz 2+ρu 22/2+h l1-2实际流体由I －I 截面流至II －II 截面时总流的柏努 利方程式可表示为： 21222221112221-+++=++l h u a gz p u a gz p ρρρρa=2（圆管层流）；a=1.03－1.1（圆管湍流）四、两气体的柏努利方程(p h1-p a1)+gz 1(ρa -ρh )+ρhu 12/2 =(p h2 - p a2)+(ρa -ρh )gz 2+ρhu 22/2+h l1-2压头概念（1）相对静压头h s ；h s = p h -p a（2）相对几何压头h g ；h g =Hg(ρa -ρh )（3）动压头h k ；h k =ρh u 2/2（4）压头损失h l 。
各压头之间转换关系如图所示，动压头转换为压头损失是不可逆的。
五、气体运动过程中的阻力损失1、摩擦阻力气体在管道内流动，由于管壁的摩擦作用以及气体内部的摩擦作用，形成了管道对气体的摩擦阻力。
摩擦阻力的计算式： h lm = lλ/d·(ρu 2/2) Pa气体在直管内做层流流动时，摩擦阻力系数λ= 64/Re ，式中：Re=ρu l/μ，雷诺数；气体做湍流流动时，摩擦阻力系数不仅与Re 有关，还与管壁粗糙度有关，λ=A/Re n2、局部阻力当气体管道发生局部变形，如扩张、收缩、拐弯、通道设闸板等障碍。
1.1气体力学基础
ndF F
dV 0
V
质量方程积分形式
1、质量方程的微分形式
按高斯定理：
ndF div ( )dV
F V
代入上式得质量方程的微分形式：
2. 稳定态一元流(管流)质量方程 对具有一个入口断面F1和一个出口断面F2的稳定态管流．如图 I—2所示。此时(1—12)式的第二项为零，且气体密度仅与路程有关而 与断面无关，别(1—12)式变为：
w1 w2 p1 gz1 p2 gz2 ( J / m3 ) 2 2
实际上窑炉内气体的流动是在有传热情况下进行的，并不是绝热可逆过 程，所以伯努利方式仅是近似表达式，近似的程度取决于传热情况及可逆程 度。 气体作等温流动时沿途有阻力而造成能量损失，此项损失用 表示，于 是伯努利方程可写为；
称为静压头；第二项是窑内气体受到的重力与浮力之和的位能，称为几
何压头；第三项是窑内气体的动能称为动压头。
在应用二流体伯努利方程式时应注意参考基准面的选取。应用(1—27)式 时，基准面应取在气体断面的下方，而用(1—28)式时应将基准面取在气体断 面的上方；二者均可表明二流体几何压头的特性：上部断面的几何压头小
根据能量守恒原理：在稳定态时单位时间传入系统的热量应等于 系统内气体能量的增量与系统对外作出的功率之和，其数学表达式为：
对稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上是均匀的，故 上式可写成
稳定态流动， ，(1—20)式二边同除以 量方程——亦称为热力学第一定律：
可得单位质量气体的能
若气体未对外做机械功并为绝热流动，即 能量方程为
二、气体动力学基本方程式
涉及的主要物理量有四个：三个热力学标量参数——压强P温度T和密度； 以及点速度矢量 。 将这些物理量联系起来，构成封闭方程组的方程式有四个，它们是： 1.根据质量守恒原理的质量方程；2.根据能量守恒原理的能量方程； 3.根据牛顿第二定律的动量方程；4.体现气体性质的状态方程。
气体流体力学及其在燃烧炉中的应用研究
气体流体力学及其在燃烧炉中的应用研究气体流体力学是研究气体在不同条件下的流动及其相应性质的科学学科。
随着现代化的发展和科技的进步，气体流体力学在许多领域中得到了广泛的应用，其中之一就是在燃烧炉中的应用。
本文将从气体流体力学的基本概念和流动性质入手，探讨气体流体力学在燃烧炉中的应用研究及其作用。
一、气体流体力学的基本概念气体流体力学研究气体在不同条件下的流动及其相应的物理和化学性质。
气体的流动是指气体的质点在空间中以一定的速度进行连续或不连续的运动。
在气体流动过程中，气体的各种物理和化学性质也会发生相应的变化。
这些性质包括密度、压力、温度、速度等。
气体流体力学研究的基本目的就是研究这些性质的变化规律，探究气体流动的本质和机理。
在气体流体力学中，最基本的概念是流场。
流场是指气体在空间中的流动状态，它可以用数学模型来描述。
数学模型中通常采用的是欧拉方程或纳维-斯托克斯方程来描述气体在流场中的运动。
欧拉方程适用于高速气体流动，具有数学上的简单性，但不考虑粘性效应；纳维-斯托克斯方程则适用于低速气体流动，具有考虑粘性效应的特点。
在燃烧炉中气体的流动有时是高速的，有时是低速的，因此要根据实际情况选择适合的数学模型进行研究。
二、气体流动的性质气体流动的性质包括密度、压力、温度、速度等。
在气体流动过程中，这些性质会相互作用，相互影响，从而产生复杂的流动现象。
以下将对气体流动的几个基本性质进行简要介绍。
1、密度气体流动中密度的变化是最基本的变化之一。
当气体的流动速度增加时，其密度往往会减少。
这是因为气体在流动过程中发生压缩，从而导致局部密度的变化。
此外，气体流动中的密度还受到温度的影响。
在某些情况下，温度和流速的变化同时影响气体的密度变化，使得密度变化的规律更为复杂。
2、压力气体流动中压力的变化与密度变化密切相关。
当气体速度增加时，一定程度上会降低气体的压力。
在一些流动现象中，压力的变化是决定流动行为的重要因素。
1气体力学解析
等温段分段处理法
• 在高温窑炉中，气体的组成、温度和压力的变 化，气体的密度是渐变的。
• 若截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通 道、局部孔口等作为研究对象，采取分段处理 的方法，在每个等温段中，等温、等压， =const，所以可视为不可压缩气体。
[Pa·s]
气体的粘度与温度的关系式： t
t
(
273 C T C
)
(
T) 273
3 2
[Pa·s]
μ0——273K时气体的黏度，空气μ0=1.720×10-5 Pa·s； 烟气μ0=1.587×10-5 Pa·s C——与气体的种类有关的常数，空气C=122，烟气 C=173。
•相对粘度的测定
我国常采用恩氏粘度： 200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出 所需要的时间t(s)与同体积的蒸馏水在20℃时， 从恩氏粘度计流出所需要的时间t0(s)的比值。
适用于理想气体状态方程式。
pV nRT m RT M
＝ m
V
pM RT
式中：T----热力学温度，K R----通用气体常数，R=8.3143 J/(mol.K) n ----气体的摩尔数，mol p ----压强，N/m2或Pa(绝对压强) V----体积，m3 m----气体的质量，kg M----气体的摩尔质量，kg/mol
(2) 流化床( 沸腾床 ) 阶段 流体流速继续增大，颗粒开始松动， 流速达一定值时，颗粒产生明显位移，如液体沸腾， 有一个清晰的床层界面 。
(3) 颗粒（气力或液力）输送
流体流速进一步增大，当u =u0时，颗粒被带走。
流化床类似液体的特性
第一章 气体力学在窑炉中的应用
(2)实际情况下的伯努利方程
实际流体有粘性，流动过程中有能量损失，能量方程：
z1g
p1
1 2
12
z2 g
p2
1 2
2 2
hL
(3)窑炉中热气体的伯努利方程：
z1 ( a
)g
p1
1 2
12
z2 (a
)g
p2
1 2
22
hL
(4)伯努利方程的简写式：
hs1 hk1 hs2 hk2
因为 hk1＞hk2
流体在一水平 的、逐渐扩张 的管道中流动
则 hs2＜hs1 即 hk→hs
同理流体在渐缩管道中流动时: hs→hk
（3）压头的综合转变 1-1和2-2的伯努力方程:
hg1 hs1 hk1 hg2 hs2 hk2 hL
通过小孔吸入的气体流量：
V＝F （ 2 pa p1 ) a
流量系数 μ =ε ψ 由实验确定
2、气体通过炉门的吸入和流出
A) 气体通过炉门的流出（炉内正压）
如图。设炉门高为H，宽为B
B
炉门与小孔区别为炉门内的压强 随高度而变化。
H
在炉门中心线上取一微元体dz 则微元体面积为：dF = B dz，
定义: 流体受热（或冷却）后改 变自身容积的特性
表示:
T
1 V
dV dT
(1/K)
气球受热 膨胀
膨胀系数β T—压强不变时，温度升高1K时, 流体体积的相对变化率
气体— 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大
1.1气体力学在窑炉中的应用
单击此处编辑母版标题样式 速度梯度为1时 1.1.4.2 粘度及其换算
单位接触面积 上的内摩擦力
•
单击此处编辑母版副标题样式 动力粘度
绝对粘度
运动粘度
du dy
粘度↑粘性 ↑ 流动性↓
28
1.1流体的物理性质
•相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，
我国常采用恩氏粘度。
αi—混合液体中各种液体的质量百分比，%
ρi—气体或液体混合物中各组分的密度，㎏／m3；
10
1.1流体的物理性质
（2）流体的密度与温度、压力的关系
1)液体：工程上液体的密度看作与温度、压力无关。
2)气体：密度与温度和压力有关。
P PV P V P 单击此处编辑母版标题样式 T T T T
单击此处编辑母版标题样式
液体— 膨胀系数很小，工程上一般不考虑
流体压缩性的区别:
• 单击此处编辑母版副标题样式
气体— 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大
21
1.1流体的物理性质
理想气体:
V0 273 t V T V0 V0 (1 T t ) T0 273
单击此处编辑母版标题样式 压强一定，t↑—— V ↑
单击此处编辑母版标题样式 18 44 28
i 1
m0 xi i0
0.12
n
• 单击此处编辑母版副标题样式
200℃时的烟气密度：
m m.0
T0 T 273 0.756(kg / m 3 ) 273 200
12
22.4 1.325(kg / m 3 )
• 单击此处编辑母版副标题样式
相邻流体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动
《热工基础与设备》第01章-窑炉气体力学-120页PPT资料
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流体的基本性质和力学模型
§1.2 流体流动特征量
温度 （ ℃ ，K）
压力 （Pa ，N/m2 )
绝对压强P 相对压强Ps
PPa 0 正压 PPa 0 负压 PPa 0 零压
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流体的基本性质和力学模型
流速与流量
m/s,Nm /s
f
uF
d
dy
f F
分析： 阻力 耗能
d dy
阻力 耗能
d dy
** 温度对流体粘度的影响
理想流体和实际流体
u
d
dy
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粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定: τ=μdω/dy （N/m2）
式中 dω/dy：速度梯度，1/s； τ：剪切(应)力，N/m2； μ：粘度，也称动力粘度系数，N·s/m2即 Pa·s。
9
在已往的液体计算中，极少考虑大气的浮力， 而在窑炉中所存在的热气体进行计算时，务必 要考虑气体所受的浮力。
例如：在20ºC大气中对于1m3密度为 0.5kg/m3的热气体自重仅为 4.9N ，浮力则 为 11.8N ，故不能忽略。
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流体的基本性质和力学模型
流体的粘滞性及内摩擦定律（牛顿定律）
μ0和C值见表1.1。
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表1.1 各种气体的μ0和C值
气体
空气
N2 O2 CO2 CO
H2 CH4 C2H4 NH3 SO2 H2O 发生炉煤气 燃烧产物
μ0×107 （Pa·s）
1.71 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.45 ~1.47
热工基础与窑炉分析
例4 如图1.7所示倒焰窑，高3.2m，窑内烟气温度为1200℃，烟气标态 密度ρf,0=1.3kg/m3，外界空气温度20℃，空气标态密度ρa,0=1.293kg/m3， 当窑底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求 三种情况下，窑顶以下空间静压头，几何压头分布状况。
图1.7
解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用 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 窑顶II－II截面上。 列出静力学方程式
hs1 +hg1 = hs2 +hg2 由于基准面取在截面II上，hg2= 0 代入具体公式进行计算：
hg1 = Hg(ρa-ρf) ρa = ρa,0·T0/T = 1.293×273/293 = 1.20kg/m3 ρf = ρf,0·T0/T = 1.30×273/1473 = 0.24kg/m3 hg1 = 3.2×9.81×(1.20-0.24 )= 30Pa
图1.5 热气体在垂直管道中运动时压头间的相互转换 a.由上向下运动；b.由下向上运动
＊当热气体由上向下运动时气体在管道内由II－II截面I－I截面流动的 柏努利方程式
hs2 + hg2 + hk2 = hs1 + hg1 + hk1 + hl2-1 管道截面未发生变化 hk2 = hk1 又基准面取在II－II截面上，hg2=0。 ∴ hs2 = hs1 + hg1 + hl1-2
图1.7b所示。其能量总和为：hs+hg=c2 =13Pa 在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如
图1.7c所示。其能量总和为：hs+hg=c3 =0
第一章 气体力学在窑炉中的应用
s2
h hk 2 hge2 hs2
k (12)
注意检验能量的的平衡
例2：如图，热气体在等直径垂直管内自下而上流动,取有效断
面1-1与2-2。列二气流伯努利方程：
hge2 hs 2 hk 2 hge1 hs1 hk1
hl (21)
分析：取1-1为基准面，则几何压头: hge1 0 hge2 0
一般地： 将压强变化小于10%的气体均看作是不可压缩气体
。 在建材行业中：
窑炉中的气体可看作是不可压缩气体； 在某些高压喷嘴中，应将气体视作可压缩气体。
2). p=C时， ρT=C，说明密度与温度成反比，也说明气 体具有膨胀性
当T↑，则ρ↓ ，
问题： 100℃的空气与20℃的空气那个密度大?
3). P R 表明同一种气体不同状态下压与密
hl (12)
分析：取1-1为基准面，则几何压头: hge1 0
静压头 ：
hs1 hs2
动压头： w1 w2, hk1 hk 2
阻力损失
hk (12) 0
hge2 0
1 热 气 体
2
则方程变为 ：
hs1 hs2 hge2
hl (12)
由于
hk (12) 必须由动能转换而来。
pv=RT 其中，R=8314.3/M (J/kg.K)，单位：P--Pa,T--(K)
或 P / RT (常用）
讨论： P / RT
1)T=C时，等温过程，既p/ρ=C， 表明压强与密度成正比则p↑， ρ ↑ ，说明气体具有压 缩性。
但在压力p变化较小时，气体的密度变化也很小，可以 认为是不可压缩气体。
1）牛顿内摩擦定律（粘性定律)
dw
dy
气体力学及其在窑炉中的应用
山东理工大学教案注：教师讲稿附后第一章 气体力学及其在窑炉中的应用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。
硅酸盐窑炉中的气体有多执而主要的是烟气和空气。
它们起着载热体、反应剂、雾化剂等的作用。
纵观整个窑炉工作过程，从燃料的气化、雾化、燃烧加热制品，余热回收直到烟气排出，自始至终都离不开气体流动。
本章研究的中心问题就是气体流动。
气体流动与窑炉的操作和设计有密切关系。
如气流的流动形态、速度和方向对热交换 过程有影响， 气流的混合对燃料燃烧过程有影响， 气流的分布对炉温、炉压的控制有影 响，气流的压强和流动阻力对排烟系统和装置构设计有影响等等。
窑炉中的气体流动过程常伴随有燃烧、传热、传质以及某些化学反应。
它们对气体流 动有一定的影响。
本章的叙述暂不考虑这种影响，只讨论气体流动本身的规律。
本章应掌握重点内容：1、 流体力学的基本概念（理想气体、滞止状态、临界状态、马赫数、音速等等）2、 流体稳定流动时的计算（连续性方程、能量方程、动量方程）3、 牛顿内摩擦定律，雷诺准数4、 阻力计算5、 渐缩管、拉法尔管的流动特性6、 烟道与喷射器的计算与设计第一节 气体力学基础气体力学是流体力学的一个分支，流体力学的一些基本定理同样适用于气体力学。
在流体力学中讨论液体居多，而在硅酸盐窑炉内流动的主要是热气体。
它的某些性质与液体不同，甚至与常温气体亦有别。
所队在研究气体力学之机必须先熟悉气体的性质。
本节从最简单的理想气体入手，虽然真正意义的理想气体并不存在，但对理想气体的研究对解决实际问题有着重要的指导意义。
一、气体的物理属性气体的物理属性对其流动规律有很大影响，主要了解它的力学和热学性质。
(一)理想气体状态方程PV=mRT 或 P=ρRT式中 P ——气体的绝对压强，N ／m 3或Pa ； V ——气体体积，m 3；P ——气体的密度，kg ／m 3; T ——气体的绝对温度，K ；R ——气体常数，J ／kg ·K,注意：此处R 气体常数，R=8314.3/M,（M 为气体分子量），8314.3称为通用气体常数。
1.6-1 气体力学在窑炉系统中的应用
梭式窑工作原理图
底部安装自吸式烧嘴
已知条件
H=3.2m，Tf=1473K， Ta=20℃，hw=0,
ρf,0=1.3kg/m3，ρa,0=1.293kg/m3，
(1) hs1 =0Pa;(2) hs1 = -17Pa;
(3) hs1 = -30Pa
求： hs2、hg2
【解】 1、2两截面间列两气体相对的伯努力方程式
代入公式进行计算得： hg1 = 30Pa
hs1 +hg1 = hs2 +hg2
hg2= 0 hg1 = 30Pa
（1）hs1 = 0， hs2 = hg1 = 30Pa
能量总和为： hs+hg=c1=30Pa
（2）hs1 =-17， hs2 = -17 + 30
= 13 Pa
（3）hs1 =-30， hs2 = -30 + 30 = 0
热工基础
武汉科技大学 材料与冶金学院
张美杰
1 流体力学及流体输送设备
• 绪论 • 流体静力学 • 流体动力学基础 • 流体流动的阻力和能量损失 • 管路计算基础
• 窑炉系统内气体的流动
• 相似理论 • 流体的输送设备——
风机、泵、烟囱、喷射器
1.6 气体力学在窑炉中的应用
• 1.6.1不可压缩性气体的流动 • 1.6.2可压缩性气体的流动（自学）
( ph1
pa1 ) ( a
h )gz1
1 2
h u1 2
( ph2
pa2 ) ( a
h )gz2
1 2
h u2 2
hw
用压头的形式表示：hs1 hg1 hk1 hs2 hg2 hk 2 hw
1-1 气体动力学基本方程解析
u u u 0 x y z t
单位时间内通过控制 面的气体净质量 单位时间控制体 内气体质量变化
13
0 若气体是不可压缩的，ρ为常数，则有： t
几个基本概念：
稳定流动与不稳定流动
流体流动时，若任一点处的流速、压力、密度等与流动 有关的流动参数都不随时间而变化，就称这种流动为稳 定流动。反之，只要有一个流动参数随时间而变化，就 属于不稳定流动。
5
流速： 流体在流动方向上单位时间内通过的距离称为流
速，用u表示，其单位为m/s。
流量： 体积流量：流体在单位时间内通过流通截面的体积量， 用V表示，其单位为m3/s； 质量流量：流体在单位时间内通过流通截面的质量，用
的问题，所谓一维流动是指流动参数仅在一个方向上有
显著的变化，而在其它两个方向上的变化非常微小，可
忽略不计。例如在管道中流动的流体就符合这个条件。
15
稳定态
单位时间控 制体内气体 质量变化
=0
F1
F2
2
u2
u1 1
对于稳定态一元流（管流）而言，如具有一个入口断面
F1和一个出口断面F2的稳定态管流。
单位时间内通 过控制面的气 体净质量 单位时间控 制体内气体 质量变化
10
V dF
θ
n
u
+
=0
1）连续性方程的微分形式
V udF
F
m V
单位时间内通过控制体的气体净质量：
在dt时间内沿x轴、y轴和z轴方向气体净质量为：
质量流量
( u )dxdydzdt x
( u )dxdydzdt y
以便使气体仍然充满整个控制体的空间，此时净流出质量 应等于气体质量变化；
第一章 气体力学在窑炉中的应用综述
1 2
e1 e2
29
2 w12 w2 p1 gz1 p 2 gz2 2 2
J / m3
单流体伯努利方程
等温流动沿途有阻力损失， hL
2 w12 w2 p1 gz1 p 2 gz2 hL 2 2
30
二流体伯努利方程：
F F F
气体质量流量
1 w1 F1 2 w2 F2 m
不可压缩流体：密度近似为常数 质量方程：
w1F1 w2 F2 V
.
（1-18）
21
V——气体的体积流量，m3/s
例：当流体在管道内作稳 定流动时，通过管道任一 截面的质量流量都相等，
故 Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ断面处：
对于稳定态一元流动，气体的热力学参数在断面上均匀
p1 u2 u2 Q ( gz2 e2 ) 2 udF udF ( gz1 e1 ) 1 udF udF Lm F2 F2 2 F1 F1 2 2 1 p2
2 w2 p1 w12 Q m 2 ( gz2 e2 ) 2 m 2 m 1 ( gz1 e1 ) 1 m 1 Lm 2 2 1 2
0
—运动粘度，
m2 / s
t —T的关系
C
— 查表1－1
t 0 (
273 C T 1.5 )( ) T 273 273
11
空气、淡水和海水在不同温度下的ρ、ν
12
想一想： 为什么随着温度的 升高，液体的粘度 减小，而气体的粘 度增大？
13
（四）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 a g 合力： 液体：
无机材料热工基础习题库
“无机材料热工基础”课程习题库第一章气体力学在窑炉中的应用思考题1.窑炉系统气体流动有何特点？将伯努利方程应用于窑炉系统的气体应注意哪些条件?二气流伯努利方程有什么特点?2.窑炉系统内的“窑压”大小与哪些因素有关?在生产实践中是如何调窑压的？窑压大小对生产过程由什么影响。
3.在窑炉系统中气体垂直流动时的分流法则是什么?，此法则的适用条件是什么?4.音速、马赫数Ma都是表示气体可压缩程度的参数，二者之间有何不同?5.为什么亚音速气流无论在多长的收缩管道中流动都不能获得超音速气流?6.在超音速流动中，速度随断面积增大而增大的物理实质是什么?7.亚音速气流在缩—扩喷嘴中流动获得超音速的条件是什么?8.烟囱的“抽力”与哪些因素有关?若烟气的温度相同、同一座烟囱的抽力是夏季大还是冬季大?9.若烟气与环境气温都不变，烟囱的抽力是晴天大还是雨天大?为什么?10.为什么同样规模的烟囱在沿海地区能正常工作而在内地高原地区却达不到原有的排烟能力?11. 家里燃气灶的结构如何？燃气灶的一次空气量吸入原理是什么？如何调节一次空气量的大小？作业题1.热气体在一垂直的等直径管内自下而上流动，管内气体的平均温度为500℃，管外空气温度为20℃。
试求2—2截面上的静压并画出相应的压头转换图。
设1—1截面在上方，1—1与2—2截面之间的距离为10m，压力损失为6Pa。
2.某窑炉的窑墙厚为240mm，窑墙上下各有一个直径为200mm的小孔，两个孔间垂直距离为lm，窑内气体温度为1000℃，烟气标态密度为1.32kg/Nm3，外界空气温度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。
3.压缩空气从装有一管嘴的气罐中流入大气，气罐中的压力p1=7×105Pa，温度20℃，求流出速度（Pa=1.05×105Pa，管嘴速度系数 =0.9）；(1) 管嘴为收缩管；(2) 管嘴为拉伐尔管。
4. 已知烟囱高度35m，上口直径1m，流速为2 Nm/m，烟囱下口直径为上口直径的两倍，烟囱内烟气平均温度为273℃，烟气在烟囱内流动时摩擦阻力系数为0.05，烟囱外界温度20℃，密度1.20kg/m3，求烟囱底部的负压。
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2、气体的膨胀性
定义: 流体受热（或冷却）后改 变自身容积的特性 表示: T
1 dV V dT
气球受热 膨胀
(1/K)
膨胀系数β T—压强不变时，温度升高1K时, 流体体积的相对变化率
气体— 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大
理想气体:
V
V0 273 t T V0 V0 (1 T t ) T0 273
神八飞船返回舱在内蒙古四子王旗着陆
表面受气体 摩擦灼烧现 象明显
牛顿内摩擦定律: 运动流体的内摩擦力的大小与两层流体之间的速度 梯度成正比。 单位面积上的内摩擦力:
f dw F dy
动力粘度
速度梯 度
μ- 动力粘度或动力粘滞系数。 单位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.s
3、 绝对粘度与相对粘度
对于管流
在管路没有泄漏和补充的情 况下,在同一时间内，流进任 一截面的流体的质量和从另 一截面流出的流体质量相等。 Σ Mλ =Σ M出
表达式
A1w1ρ1=A2w2ρ2=Awρ
A1 w1 A2 w2 Aw
对不可压缩流体， 为常数
1.1.2.2 伯努利方程
流体的能量分析
机械能
势能 压力能
压强一定，T↑—— V ↑ 理想气体膨胀系数:
1 T T
标态:
1 1 T 273 .15 273
1.1.1.3 气体粘性
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 反抗相对运动的性质
2、粘性产生原因
相邻气体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动， 即分子间吸引力。 粘性产生 原因 气体内部分子的紊乱运动，使两层流体间有 分子相互掺混产生动量交换。（主要原因）
1.1
气1.1.1 理想气体状态方程
在温度不过低（T>-20℃），压强不过大（p<200atm） 时，气体遵守理想气体状态方程 pv=RT 其中，R=8314.3/M , J/kg.K; P—气体的绝对压强 ， Pa； T —气体的温度， K； v —气体的比容，m3/kg
动力粘度
dw dy
单位:N.s/m2或 kg/m.s或Pa.s
绝对粘度
运动粘度
单位：m2/s
•相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等， 我国常采用恩氏粘度。
4、混合气体的粘度
计算公式：
式中，n——混合气体的种类数；
μm——混合气体的粘度；
Mi、αi、μi——混合气体中各组分的分子量、体积百分数、 粘度。
5、粘度与温度的关系
（1）影响粘度的因素 液体：主要取决于分子间的内聚力。 温度T增大， 分子间距增加，内聚力减小，黏度降低。 气体：主要取决于分子紊乱运动，温度T增大，分子
热运动增强，黏度增大
（2）气体的粘度与温度的关系：
273 C T 1.5 t 0 ( )( ) T C 273
方程适用条件： 可压缩流体，恒定流和非恒定流。
讨论
u y u x u z 0 x y z
（1）对于定常流动: 运动参数不随时间变化，则 0
u y u x u z 0 x y z
（2）对于不可压缩流体，ρ=常数
u y u x u z 0 x y z
1.1.2 气体动力学基本方程式
★质量守恒原理——连续性方程 ★热力学第一定律——能量方程（柏努利方程）
★牛顿第二定律——动量方程
1.1.2.1 连续性方程 在流场中取微元六面体，根据质量守恒定律， 推出空间流动的连续性方程。
u x u y u z 0 x y z
1.1.1.2 气体的压缩性和膨胀性
1、 气体的压缩性 定义：流体在外力作用下改变自身
容积的特性。
表示：
1 dV p V dp
(
温度一定,P ↑, V ↓
1 )or(m 2 / N ) Pa
压缩系数β
p
：当温度不变时，压强每增加1帕时，
流体体积的相对变化率。
气体— 压缩系数很大，为可压缩流体 理想气体：
C—与气体性质有关的常数，见表1-1
1.1.1.4 气体的浮力
液体：一般可不考虑其在气体浮力的作用 气体：考虑其气体浮力的影响。
例如：在空气中有两个同样大小的流体柱（高10m,截面 积为1m2）
已知空气 1.2kg / m3. 热 但： 烟 水柱重： 1011000 9.8 98100 N 气 气柱重： 101 0.6 9.8 58.8 N 烟气 0.6kg / m3 则水和空气的浮力相同 ： 1011.2 9.8 117.6 N 98100 N 117.6 N , 水 对于水柱，气体浮力可 以忽略。 58.8 N与117.6 N同数量级， 不可以忽略 水 1000kg / m3 对于烟气柱，气体浮力
动能
单位体积流体 所具有的能量
能量除以流体体积 即得相应压头 压头
动压头
几何压头
静压头
hk
1 w 2 hg z( a ) g 2
hs p
1.伯努利方程
（1）理想流体的伯努利方程
理想流体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动 任意取两个截面1-1和2-2，如图: 据能量守恒定律可得：
p1 w p2 w z1 z2 g 2 g g 2 g
不可压缩的理想流体在等温流动过程中， 在管道的任一截面上，流体的静压能、 位能及动能之和是不变的。 三者之间可以相互转化
p0 V V0 p
特殊情况：压强 变化较小时视为 不可压缩
或
p1 V2 V1 p2
温度一定，P↑—— V↓ 理想气体的压缩系数 ： 标态： p
1 10 5 101325
1 p p
在无机材料工业窑炉中： 窑炉中的气体可看作是不可压缩气体； 在某些高压喷嘴中，应将气体视作可压缩气体。
第1章
气体力学在窑炉中的 应用
1.0
概述
一、气体力学概念
气体力学是从宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门 学科。
二、研究气体力学意义
1、气体在工业窑炉中的作用
载热体、反应剂、雾化剂
2、气体流动与工业窑炉的操作与设计密切相关 主要有：气体的流动状态、速度、方向对热交换过程的影 响；气流的混合对燃烧的影响；气流的分布对炉温炉压的影 响。