1.1 气体力学基础

陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院1§1-1气体力学基础§1-2窑炉系统内的气体流动§1-3烟囱和喷射器第1章气体力学在窑炉中的应用陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院2§1-1气体力学基础1基本概念2气体的物理属性3气体力学基本方程式陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院3化工生产过程中使用的物理操作过程主要有：流体输送、沉降、过滤、搅拌、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附与脱附、浸取、膜分离、干燥等。这些在化工生产过程中广泛采用的物理操作过程统称为化工单元操作，简称单元操作。将若干单元操作与化学反应过程有机组合即构成产品的生产工艺流程。因此,对化工产品的研发可分别从化学反应及单元操作这两方面来同时进行，从而缩短研究周期。1流体力学基本概念陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院4单元操作按理论基础分为以下三类：上述三个过程包含了三种理论，称为“三传理论”。（1）动量传递过程。相关的单元操作有流体输送、搅拌、沉降、过滤等。（2）热量传递过程。相关的单元操作有热交换、蒸发等。（3）质量传递过程。相关的单元操作有吸收、蒸馏、萃取、吸附、膜分离、干燥等。1.1单元操作的分类陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院5（1）动量传递：包括流体输送、沉降、过滤等单元操作；此类单元操作皆为流体在外力作用下的行为。流体所受作用力的合力与加速度间的关系满足牛顿第二定律：1.2三传理论()dvdmvFmamdtdt===表明流体在上述过程中发生了动量传递，故称为动量传递过程。凡遵循流体流动基本规律的单元操作，均可用动量传递理论研究。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院6（2）热量传递：包括传热、蒸发等单元操作；服从热量从高温向低温方向传递的规律。凡遵循传热基本规律的单元操作，均可用热量传递理论研究。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院7（3）质量传递：两相间物质的传递过程即为质量传递。凡遵循传质基本规律的单元操作，均可用质量传递理论研究。由于质量传递过程涉及的单元操作多为分离操作，故又称分离过程。随着科学技术的不断进步，分离操作应用领域的不断拓展，新型单元操作设备不断涌现，生产规模不断扩大，已有从三传中剥离的趋势。本课程中重点介绍前两传。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院8固体没有流动性流体具有流动性流体与固体区别1.3流体的概念是液体和气体的总称，是一受到外力作用就会连续变形的物体。流体陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院9液体与气体的区别：液体不可压缩气体可压缩固体流体液体气体形状固定不固定不固定体积固定一定变化承受剪应力可以不承受不承受不滑动滑动滑动陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院10液体力学气体力学从研究对象分流体静力学流体动力学从研究内容分从研究方法分理论流体力学实验流体力学流体力学是研究流体在各种力作用下的平衡和运动规律及其运用的科学陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院111.4气体的密度Vm均质流体：标态低压气体：4.220M气体的摩尔质量定义：单位体积气体的质量。符号：单位：kg/m3；kg/Nm3陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院12iniinnmxxxx12211......混合气体的密度：m—混合气体的密度,kg/m3；xi—混合气体中各组分的体积百分数，%;i—混合气体中各组分的密度，㎏/m3；空气的标态密度：1.293kg/Nm3陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院13气体的密度与温度、压强有关！理想气体：000000TpTpTVpTpV000ppTTmV（其中：）T0、P0、0为标态时气体的温度、压力、密度00011tTT工业窑炉（p≈p0）：[分析]t↑,↓；t↓,↑陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院14【例】已知烟气组成（体积百分数）为：H2O12%，CO218%，N270%，求此烟气在标态及200℃的密度。【解】标态密度：325.14.22287.04.224418.04.221812.00,10,iniimx200℃时的烟气密度：756.0200273273325.100,200,TTmCm(Kg/m3)(Kg/m3)陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院15（1）连续介质假设流体看成是由大量的连续质点组成的连续的介质，每个质点是一个含有大量分子的集团，质点之间没有空隙。质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。（2）连续介质假设给分析问题带来的方便①不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力作用下的宏观机械运动。②能运用数学分析的连续函数工具。1.5流体的连续性陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院16（1）稳定流动系统与不稳定流动系统系统——研究的对象。流动系统——系统中的流体处于流动状态时称为流动系统。1.6稳定与不稳定的概念陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院17稳定系统（又称定态系统、定常系统）——流动系统中，任意一点流体的物理参数不随时间而变化的流动过程，即指定位置的物理量为常数。对于连续生产过程，在正常操作状态下系统可近似为稳定系统。不稳定系统（又称非定态系统、非定常系统）——流动系统中，任意一点流体的物理参数均随时间而变化的流动过程。对于连续生产过程，在生产的开、停车及事故恢复期属于此类。温度、压力、密度、流速等陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院18（2）稳定流动系统的特性a.稳定流动系统的连续性若系统中充满流体、无空隙（即无积累空间），则可认为系统中流体的质点处于连续状态，称为稳定流动系统的连续性。此时，流动系统中指定截面上的物理量为常数。由于稳定流动系统中充满稳定流体且无空隙，故单位时间内输入系统的物料量应等于输出系统的物料量。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院19当系统为无分支系统时，上式简化为：——稳定流动系统的连续性方程mjjmniimQQ1,1,用代数式表达为：2,1,mmQQ陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院20b.稳定流动系统的守恒性①稳定流动系统的质量守恒必须指明：由于单元操作过程均为物理操作过程，故上式不仅适用于全系统的物料衡算，同时也适用于对系统中某一组分的物料衡算。物料衡算过程通常需要规定衡算基准，对于连续系统，常以单位时间为衡算基准，对有些过程还可用不参与过程的物质（工程上称为惰性组分）为基准。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院21【例】如图，用一连续精馏塔分离苯-甲苯混合物。已知：混合液流量F=5000kg/h，其中苯含量为40%（质量百分数，下同），要求经精馏操作后塔顶产品中苯含量不低于98%，塔底产品中苯含量不高于1%。试求塔顶及塔底产品的流量D、W(kg/h)。【解】因为系统为稳定系统，故其质量守恒。若将整个精馏塔视为一个系统，取单位时间（h）为衡算基准，则有：联解上两式可得：D=2010kg/h；W=2990kg/h。精馏塔原料进料F塔顶产品D塔底产品W5000DW=+（输入、输出系统物料量相等）（输入、输出系统的纯苯量不变）WD01.098.0500040.0陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院22②稳定流动系统的能量守恒对于稳定流动系统，单位时间内输入系统的能量应等于输出系统的能量，即能量守恒。反证法：若输入系统的能量不等于输出系统的能量，则在系统中指定的某一截面上、直接反映流体能量状态的物理参数（如速度、温度、压强等）就不可能均为常数，也即系统不是稳定系统。能量衡算与物料衡算相类似，也需要规定衡算基准和衡算范围。通常用单位时间为基准（如J/s），也可用单位质量为基准（J/kg）。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院23稳定系统的能量衡算方程式可表达为：mjjniiEE11当稳定流动系统除热量以外不涉及其它能量的相互转化时，单位时间内输入系统的热量应等于输出系统的热量，即热量守恒。上式可表达为：mjjniiQQ11陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院241.7可压缩气体与不可压缩气体不可压缩气体——气体在流动过程中，气体的密度不随压强的变化而变化，这样的气体称为不可压缩气体。可压缩气体——气体在流动过程中，气体的密度随压强的变化而变化，这样的气体称为可压缩气体。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院25特点：液体：液体的密度随压强的变化很小，所以液体可称为不可压缩流体；气体：气体的密度随压强的变化较大，所以气体基本属于可压缩流体的范畴。工程近似处理：当气体流动管道进、出口两端的压差小于20%时，可近似为不可压缩气体。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院261.8流体流动状态雷诺实验层流过渡流紊流陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院27三种流动状态：（A）层流：流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂（B）过渡流：质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度（C）紊流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院28水利半径流动状态判断：SFRH圆形管道d为直径，非圆形管道用当量直径当量直径de=水利半径RH×4Re≤2300时，流态为层流；Re≥4000时，流态为湍流；2300Re4000时，流态为过渡流雷诺准数：dwRe陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院29【例】某硅酸盐工业窑炉内，烟气的温度为1000℃，其标态密度为1.30kg/Nm3，在截面为0.5×0.6m2的烟道中以3.8m/s的流速通过，烟道内负压为402Pa，试判断烟道中烟气的流态（设当地大气压为99991Pa）。1000℃时烟气的粘度为：【解】1000℃时烟气的密度为：274.01000273273101325402999913.1))((1000TTpp(Kg/m3)5235230109.4)2731273)(1731273173273(10587.1273273TCTC(Pa·s)陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|气体力学基础陕西科技大学材料科学与工程学院30400010158.1109.4274.08.3545.0Re45wde判断：烟道中烟气为紊流注意：雷诺数Re的大小，可作为判别流体流动形态的依据，还反映流动