气体力学计算

第5章 气体力学计算

冶金炉内气体流动的显著特征：

第一：炉内气体为热气体（即炉内气体的温度高于周围大气的温度）；

第二：炉内热气体总是与大气相通的，而且炉内热气体的密度小于周围大气的密度，所以炉内气体的流动状况受大气的影响。

ξ5.1 热气体相对于大气的特殊规律

一、热气体的压头

单位体积流体的能为：

位能：ρgz

静压能：P 动能：2

2 W ρ

对于炉内热气体在流动过程中，虽然同样具有这三种能量，但由于周围大气对其流动的影响，这三种能量只能用相对值来表示，即

单位（体积）热气体所具有的位能与外界同一平面上单位（体积）大气所具有的位能之差称为位压头。同理也有动压头和静压头之称呼。但是在通常情况下，大气的流速比流体的流速小得多，所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。

1.热气体的位压头——几何压头

(1)阿基米德浮力原理

(2)有效重力

设流体的密度为g ρ,体积V ，大气的密度为a ρ，则流体在大气中所受到的浮力为gV a ρ

流体本身的重力为gV g ρ

有效重力为)gV -(gV -gV a g a g ρρρρ=

单位体积流体的有效重力为)g -( a g ρρ

当a ρρ>g 时有效重力为正,方向竖直向下,流体在大气中下沉;反之则流体在大气中上浮,由于热气体温度高于大气温度,所以,a g ρρ< 故热气体有效重力为负,方向向上,热气体在大气中有自动上浮的趋势。

(3)热气体的位压头及其分布规律

如图5-1-2所示

-)gH -(gH -gH h a g a g g ρρρρ==

当基准面取在上方，高度向下量度时为正，故

)g -H()g --H(h g g a a g ρρρρ==（此时H 为正值）

分布规律：线性，上小下大

注意：由于热气体有自动上升趋势，所以热气体由下向上流动时，位压头是流动的动力。反之，热气体自上向下流动时，位压头应作阻力来对待。

2.热气体静压头及其分布规律

(1)定义：热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差，即相对压力，常称做表压力，用hs 表示。

(2)分布规律

A .静止液体表压力分布规律：上小下大

B.热气体表压力分布规律：上大下小

注意：

当在某一平面上，热气体的表压力为零时，称此面为零压面。在零压面以上，热气体表压力为正，若有缝隙，则热气体将外逸。反之，在零压面以下，热气体表压力为负，冷空气将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控制在炉底上，使炉膛呈正压区，而烟道则为负压区。

3.热气体的动压头

由定义知，热气体的动压头22

a a

2d W 2W 2-W 2h g g

ρρρ≈=

二、热气体平衡方程式

s2g2s1g1h h h h +=+

三、热气体管流伯努利方程式（双流伯努利方程式）

1.表达式：实际流体管流伯努利方程式为

222221211h P e 2

eg z e 2eg z +++=++W P W 热气体管流伯努利方程式为

L 22M2g a 221M11h 2

P )-(H 2P )g -(H +++=++g g g a W W ρρρρρρ 即L d2s2g2d1s1g1h h h h h h h +++=++ 四、热气体管流时的阻力损失计算

表达式22002L )(12

W e k W 2e k h m N t β+== 计算特点说明：

1.摩擦阻力损失hf 计算

220022f ) 1(2

22eW k h m N t W e D L eW D L βεε+=== ε 的选择按圆管内流磨阻力计算式计算，工程上一般按经验式。

L 为计算段长度，D 为当量直径，Wo 取经济流速，t 取时间段的平均值。

2.局部阻力损失的计算 hr

局部阻力系数仍按附表6查出， wo 仍取经济流速，温度则取对应与w 的温度。

3.热气体自上而下流动时，位压头作为阻力损失考虑，反之，热气体自下而上流动时，位压头应从阻力损失中减去。

4.两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差。

ξ5.2 排烟系统及烟囱

排烟系统及烟囱的重要性

一、烟囱

1.烟囱的工作原理

烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气，是因烟囱底部具有抽力，亦称吸力。烟囱产生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。

如图5-2-1，在烟囱内等温情况下

g H P P g

H P P g 32a 34ρρ+=+=

差值△0)H(P -P P a 24>-==g g ρρ，所以气体能自动地由炉膛入口并排入大气，称自动通风。实际上△P 即为烟囱底部截面对烟囱顶部截面所产生的位压头，所以，烟囱底部的位压头是烟囱排烟的动力。

如图5-2-2，以3-3为基准面，在气体静止状态下列出2-2与3-3截面的伯氏方程得公式

g t H t H H g g

g a a g )()H(P - 00a 2βρβρρρ-=-=

由此式可得出，烟囱底部表压力为负值（称为抽力或吸力）该抽力称理论抽力。它是由位压头产生的，而且与烟囱的高度 H 、大气的温度ta ，烟囱温度tg 等因素有关。

若烟气在烟囱内流动，则其实际抽力为

L

d g a M V g h h g H P h -∧--=-===)( h -)2W -2W (-)g -H(-P h 2L 2223g a M2ρρρρρ即实轴

2.烟囱计算

在冶金炉中不论是设计新烟囱，还是对建成的烟囱进行校核，其原理是相同的，现以新设计烟囱为例说明其计算方法。

由烟囱的工作原理可知

g

g a )(h h h H L d V ρρ-+∧+= 但此式不能直接用来计算烟囱的高度H ，因为式中很多参数均与H 有关。所以只能用试算法，其步骤如下：

(1)烟囱实际抽力hv 的计算

∑∑∑∑≈=∧+++=L

v r L h h hd h h )3.12.1(h L 位压头热气体自上而下流动的

烟道系统内总

(2)烟囱内动压头增量d h ∧的计算

5

.142, W 4 4)1(2

)1(222 320322002030322020320302223=-=⇒=+-+=-=∧d d s m d V W W V d t W e tt W W W h g g d 一般取据实际情况定ππββρρρ (3)烟囱内阻损失hl 的计算

2 2

2)1(2

h 2

33

20302

0020L d d D D t t t W W W t W D H g +=+=+=+=取当量直径平均值式中βρε

(4)空气及烟气密度计算

g

g g a a t t βρρβρρ+=+=1 1 00a