第一章气体动力学基础讲稿.

上篇热工基础

概述

一、课程的性质任务

1、什么是热工过程,什么是热工设备?

热的来源、传递、利用过程；产生热量、利用热量的设备；包含的内容有：研究系统的工作介质、体系的性质以及做功等

2、该门课的性质：专业基础与技术课

课程的任务：是将热力学的基本原理知识、流体力学的基本知识与工程实际上的热工设备相结合，研究热工过程中的各参数变化情况。也就是说将讨论与热工过程有关的气体流动性质、气体性质、热的产生，传递、交换及过程中的物质交换等。

3、研究内容

二、课程特点：

强调“三传一反的能量交换”：动量、质量、热量传递、燃烧与烧成反应。

强调平衡概念：物料平衡、动量平衡、能平衡,

强调基本：基本概念、基本定律、基本方法、基本理论知识

强调理论与实践用基本的理论知识去理解硅酸盐行业常见的热工设备的工作原理。

强调分析问题、解决问题的能力。

三、课程的主要研究方法

1．数学方法：微分方程和积分方程的求解及数值求解；

2．分析方法：过程分析与数量级分析等；

3．模型方法：物理模型及数学模型的建立；

4．类比方法：热电类比及动量，质量，热量传递的类比等。

四、学习本课程的目的与意义

1、掌握本专业中所用的热工理论知识，用所学的知识解决工程中出现的问题。

2、在该基础上进一步的深入研究创新，开发新型的热工设备

五、本课程的基本要求

1、注重研究的方法和思路：要掌握基本概念、掌握基本理论的来龙去脉，强调概念明确、思路清晰。

2、注重理论应用，多做习题，熟悉基本概念与理论。

3、答疑、作业、课堂讨论、考试。

六、课时安排（７６学时）

绪论（1学时）

第一章气体力学在窑炉中的应用（10学时）

第二章传热原理（22学时）第三章质量原理（2学时，自学）

第四章燃料及其燃烧过程与设备（12学时）

第五章干燥过程及设备（10学时）

第六章物料烧成与窑炉（18学时）

小结(1学时）

实验（？学时）

七、教材及教学参考书

教材：孙晋涛编《硅酸盐热工基础》武汉工业大学出版社参考书

（1）沈慧贤胡道和主编《硅酸盐热工工程》武汉工业大学出版社

（2）蔡悦民编《硅酸盐工业热工技术》武汉工业大学出版社

（3）姜金宁编《热工过程与设备》冶金工业出版社

（4）杨世铭编《传热学》人民教育出版社

（5）韩昭论主编《燃料及燃烧》冶金工业出版社

（6）胡道和编《水泥工业热工设备》武汉工业大学出版社

（7）刘振群《陶瓷工业热工设备》武汉工业大学出版社

（8）孙曾绪《玻璃工业热工设备》武汉工业大学出版社

第一章气体力学在窑炉中的应用

内容：研究气体流动规律及相应的热工流动设备。

第一节气体的属性与气体流动的基本理论

一、气体的物理属性

1、压缩性与膨胀性

膨胀性——气体受压、遇冷收缩，受热、减压膨胀的性质。压缩性: 气体体积随压强变化的特性

膨胀性：气体体积随温度变化的特性

一般情况下,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)，单位：P--Pa,T--(K)

或：

RT P=

ρ

/

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。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

?

表明同一种气体不同状态下压强与密度、温度成积之比为一常数若气体在标准状态（t 0=0℃，p 0=1atm ）

的参数，与静压为p ，温度为t 时的参数之间的关系为：

4) 若气体在管内流动如图所示，则：

1111,,ρu F m

21m m =

即：

2

22111u F u F ρρ= （1）

将其代入则有：22121121

u F T P u F T P =

2、粘性

定义：流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 1）牛顿内摩擦定律（粘性定律

)

μ- 动力粘度或动力粘滞系数。 单位:N.s/m 2或kg/m.s 或Pa.s 与动力粘度μ对应的是运动粘度υ，二者的关系是

2）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；

M i 、αi 、μi ——混合气体中各组分的分子量、体积百分数、粘度。 3）影响黏度的因素

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：主要取决于分子热运动， 温度T 增大，分子热运动增强，黏度增大。因此：当温度变化时：

3.气体的浮力

液体：一般不考虑其浮力的作用 气体：考虑其浮力的影响。

例如：两个同样大小的流体柱，高10m,截面积为1m 2

.

/2.13m kg =空气已知ρN

6.1178.92.1110=⨯⨯⨯：则水和空气的浮力相同N N 8.588.96.0110981008.91000110=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯气柱重：水柱重：但：

不可以忽略

对于烟气柱，气体浮力同数量级，

与以忽略。对于水柱，气体浮力可∴∴>>N N N N 6.1178.58,

6.11798100

二、 气体流动的基本理论

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、 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推导条件假设:在流场中取一微元体,以微元体的中心为坐标园点,微元体中心的气体物理参数,密度为ρ,速度为:u x ,u y , u z ,

则在微元体的