1-1-气体动力学基本方程名师优质课获奖市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。,硅酸盐工业热工基础,主讲 张高文,化学与环境工程学院,第1页,1,第一章 气体力学在窑炉中应用,本章叙述中心问题：,气体流动,从力学角度建立对气体认识,输运特征（如粘性等）,热力学特征（如密度、可压缩性、可膨胀性等),其它特征（如空气浮力、流态等）,从物理学基本定律出发建立气体运动和力（能量）定量关系,质量守恒定律,能量守恒定律,动量守恒定律,第2页,2,1.1 气体力学基础,1.1.1 气体物理属性,状态方程,可压缩性、可膨胀性,粘性,空气浮力,气体比容，,m,3,/kg,第3页,3,1.1.2 气体动力学基本方程,研究气体流动问题，包括四个主要物理量：,压强,p,、温度,T,、密度,、点速度矢量,四个方程：,（1）依据质量守恒原理质量方程；,（2）依据能量守恒原理能量方程；,（3）依据牛顿第二定律动量方程；,（4）表达气体性质状态方程；,第4页,4,几个基本概念：,稳定流动与不稳定流动,流体流动时，若任一点处流速、压力、密度等与流动相关流动参数都不随时间而改变，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改变，就属于不稳定流动。,1.1.2 气体动力学基本方程,第5页,5,流速：,流体在流动方向上单位时间内经过距离称为流速，用,u,表示，其单位为m/s。,流量：,体积流量：,流体在单位时间内经过流通截面体积量，用,V,表示，其单位为m,3,/s；,质量流量：,流体在单位时间内经过流通截面质量，用,表示，其单位为kg/s。,二者关系为：,第6页,6,因为流体在流通截面上各点速度并不相等，所以体积流量与流速关系为：,平均流速：,用体积流量,V,除以流通截面积,F,所得商，用,w,表示，其单位为m/s，在不会引发混同情况下，简称为流速。,第7页,7,（1）质量方程连续性方程,连续性方程是质量守恒定律在气体力学中应用。,气体是,连续介质,，它在流动时连续地充满整个流场。,对于,可压缩,气体,，当气体经过流场中某一任意指定,控制体,时，在某一定时间内，流出气体质量和流入气体质量不相等时，则这,控制体,内一定会有气体密度改变，方便使气体依然充满整个,控制体,空间，此时,净流出质量应等于气体质量改变,；,假如气体是,不可压缩,，则,流出流体质量必定等于流入流体质量,。,上述结论能够用数学分析表示成微分方程，称为连续性方程。,第8页,8,所谓,控制体,是指流体流动空间中任一固定不变体积，流体能够自由地流经它，控制体边界面称为,控制面，控制面是封闭表面。,控制体经过控制面与外界能够进行,质量、能量交换，还能够受到控制体以外物质施加力,。假如选取控制体来研究流体流动过程，就是将着眼点放在某一固定空间，从而能够了解流体流经空间每一点时流体力学性质，进而掌握整个流体运动情况。,这种研究方法是由欧拉提出，称为欧拉法。,第9页,9,（1）质量方程连续性方程,在流场中任意选定一固定空间V作为,控制体,（如图）。设在,t,时刻控制体内气体含有一定质量。若在d,t,时间内经过控制面流出控制体气体质量大于流入控制体质量，则控制体质量将降低。,依据质量守恒原理，则有：,n,u,dF,V,单位时间内经过控制面气体,净质量,单位时间控制体内气体,质量改变,+,=0,第10页,10,单位时间内经过控制体气体,净质量：,在d,t,时间内沿x轴、y轴和z轴方向气体,净质量,为：,在d,t,时间内经过微元体流体净质量为:,1）连续性方程微分形式,质量流量,第11页,11,单位时间控制体内气体,质量改变,因为气体密度改变而产生,设开始瞬时气体密度为，经过d,t,时间后密度为：,在d,t,时间内，因密度改变而引发质量改变为：,第12页,12,依据连续性条件，可得,可压缩气体非稳定三维流动,连续性方程：,单位时间内经过控制面气体,净质量,单位时间控制体内气体,质量改变,第13页,13,若气体是不可压缩，为常数，则有：,不可压缩流体三维流动连续性方程,物理意义是：在同一时间内经过流场中任一封闭表面体积流量等于零，也就是说，在同一时间内,流入体积流量,与,流出体积流量,相等。,第14页,14,2）稳定态一元流（管流）质量方程,在工程上和自然界中，流体流动多数都是在一些周界所限定空间内沿某一方向流动，即,一维流动（一元流）,问题，所谓一维流动是指流动参数仅在一个方向上有显著改变，而在其它两个方向上改变非常微小，可忽略不计。比如在管道中流动流体就符合这个条件。,第15页,15,对于,稳定态,一元流,（管流）而言，如含有一个入口断面,F,1,和一个出口断面,F,2,稳定态管流。,F,1,F,2,单位时间控制体内气体,质量改变,=0,单位时间输入控制体气体,质量,=0,单位时间,输出控,制体气体,质量,_,稳定态,第16页,16,单位时间,输入控制体气体,质量,=0,单位时间,输出控,制体气体,质量,_,在管流中，流体质点不能穿过流管表面，在单位时间内经过微元流管任一有效截面流体质量都应相等。,F,1,F,2,第17页,17,对不可压缩气体，,为常数，则有：,V,气体,体积流量,，m,3,/s,在管流中，单位时间内经过微元流管任一有效截面流体体积都应相等。,第18页,18,（2）稳定态一元流（管流）能量方程,是指包含着,固定不变物质集合,。,系统以外一切则称为环境，二者分界称为边界。边界能够是真实表面，也能够是假想表面。经过边界，系统能够与环境进行能量交换，也能够受到系统以外物质施加力，,但没有质量交换,。,选取系统来研究流体流动过程，就是将着眼点放在每个流体微团上，即追伴随流体质点来研究流体流动规律，了解每一个流体微团位置改变和力学关系,拉格朗日法,。,几个基本概念：,1）系统,系统与控制体区分？,第19页,19,2）运动着流体各种能量形式,内能,是贮存在流体内部能量，它取决于流体温度，压力影响普通可忽略；,动能,是指流体因宏观运动而含有能量；,位能,是指流体因处于重力场中而含有能量。,压力能,是压强势能。,单位质量,流体内能、动能、位能、压强势能分别用,e,、,u,2,/2、,gz,、,p,/,表示，总能量记为,E,，即：,内能、动能和位能是流体本身所含有能量,第20页,20,当系统内有加热装置、冷却装置或内热源（如化学反应）时，流体经过时便会吸热或放热。单位时间吸收或放出热量（称为传热速率）用,Q,表示，J/s，这里要求，吸热时,Q,为正，放热时,Q,为负。,热,单位时间内外界与系统内流体所交换功，称为功率（,L,m,）。,功,第21页,21,有一个入口断面,F,1,和一个出口断面,F,2,稳定态管流，以此二断面及管内壁面组成一个,系统,。,F,1,F,2,Q,z,1,z,2,（2）稳定态一元流（管流）能量方程,依据,能量,守恒原理：,在稳定态时单位时间内传入系统热量（,Q,）,系统内气体能量增量,系统对外做功（,L,m,）,=,+,位能,内能,动能,压力能,（单位质量）,？,第22页,22,对于稳定态一元流动，气体热力学参数在断面上是均匀，上式可写为：,平均动能修正系数,断面,F,1,及,F,2,上平均动能,第23页,23,湍流时，,a,=1.031.06，故可认为 。,稳态流动，,上式两边同除以 可得,单位质量气体能量方程热力学第一定律,：,对于稳定态一元流动，传入系统热量等于系统能量增量与系统对外作功率之和。,第24页,24,若气体,未对外做机械功,并为,绝热流动,，即 及 ，,则能量方程变为：,位能,平均动能,单位质量气体焓,该方程对理想气体或实际气体、可压缩气体或不可压缩气体均适用。,伯努利方程,第25页,25,a）对可压缩气体高速流动,，位能改变与其它各项能量相比通常很小，故可略去，则有：,说明在任意断面,第26页,26,b）窑炉中气体流动,对整个系统而言，压强改变不大，但温度改变大，气体密度改变也较大，属于,可压缩气体,流动；,若分段处理，每段气体温度改变不太大，在平均温度下密度,近似为常数（,不可压缩气体,），,1,=,2,=,，且气体在平均温度下作等温流动，,e,1,=,e,2,。,气体流动过程中，上、下截面上机械能之和相等。,第27页,27,第一项,gz,表示单位质量气体所含有位能；,第二项,p/,表示单位质量气体压强势能；,第三项,w,2,/2,为单位质量气体含有动能。,位能、压强势能和动能之和称为机械能。,伯努利方程可叙述为：理想不可压缩气体在重力作用下作稳定流动时，沿同一流线（或微元流束）上各点单位质量气体所含有位能、压强势能和动能之和保持不变，即机械能是一常数。,理想气体伯努利方程,物理意义,第28页,28,理想气体伯努利方程,几何意义,位能 ：,表示某点位置到基准面,高度,几何压头,。,压强势能 ：,表示某点压强作用下液柱,高度,静压头,。,动能 ：表示所研究流体因为含有速度,w,，在无阻力,情况下，单位质量流体所能垂直上升最,大,高度,动压头,。,因为它们都表示某一高度，所以可用几何图形表示它们之间关系。,第29页,29,总压头线,静压头线,几何压头,静压头,动压头,第30页,30,理想流体伯努利方程也可叙述为：理想不可压缩流体在重力作用下作稳定流动时，沿同一流线(或微元流束)上各点单位质量流体所含有静压头、几何压头和动压头之和保持不变，即总压头是一常数。,从几何意义上讲：,第31页,31,复习,为何河道较窄地方流速较大？,第32页,32,某硅酸盐窑炉煅烧后产生烟气量为 10 万 m,3,/h，该处压强为负 100Pa，气温为 800 ,经冷却后进入排风机，这时风压为负 1000Pa，气温为 200 ，求这时排风量（不计漏风等影响）。,解,=101325-100=101225Pa，=101325-1000=100325Pa,=273+800=1073K =273+200=473K,=1.0 10 5 m 3/h,=,=4.44 10 4(m 3/h),第33页,33,高楼顶层水压为何较低？,第34页,34,为流体静压强公式，可见流体静,力学是流体动力学特殊情况。,a.,伯努利方程及其应用,第35页,35,则：,分析,：,B.小孔流速,第36页,36,考虑气体作等温流动时沿途有阻力而造成,能量损失,，则可得到,实际气体,伯努利方程,为：,理想气体,伯努利方程：,第37页,37,注意,实际气体伯努利方程适用条件：稳定态管流内气体流动。,没有考虑大气影响，而窑炉系统与大气是相通，其炉内热气体必定也受到大气浮力影响。,二流体伯努利方程？,流体力学中伯努利方程式,第38页,38,假设条件：,不可压缩流体；,质量力仅有重力；,恒定流动。,二流体伯努利方程:,指热气体在冷气 体浮力作用下热运动方程,第39页,39,炉内气体：,炉外空气（也考虑两个截面）：,当地大气压强，N/m,2,空气密度，kg/m,3,静力学方程,2,1,z,1,P,2,w,2,P,1,w,1,热气体,z,2,冷气体,基准面,0,Pa,2,Pa,1,第40页,40,两式相减，得,二流体伯努利方程,：,第41页,41,因炉内为热气体，,a,，上式第二项为负值，上式变为：,令 H,1,=-z,1,，H,2,=-z,2,，则,第42页,42,2,1,H,2,P,2,w,2,P,1,w,1,热气体,H,1,冷气体,基准面,0,Pa,2,Pa,1,窑炉中,二流体伯努利方程,第43页,43,二流体伯努利方程,通常改写为：,静压头（,h,s,）,几何压头（,h,ge,）,动压头（,h,K,）,阻力损失,第44页,44,注意区分：,流体力学中伯努利方程式：,表示单一流动绝对能量守恒；,二流体伯努利方程：,表示相对能量守恒（热气体相对于冷气体）。,即：二流体伯努利方程中各项都表示单位体积热气体所含有能量与外界单位体积冷气体所含有能量之差。,方程物理意义:,表示流动过程中能量守恒关系。,第45页,45,1）相对静压头,物理意义：热气体相对于外界同高度冷气体压强值。,热气体,P,1,Pa,1,P,0,Pa,0,0,1,冷气体,第46页,46,2）相对几何压头,a,z,A,基准面,V,物理意义：单位体积热气体相对于外界同高度冷气体位能之差。,第47页,47,注意,：,动压头仍含有相正确意义，只不过将外界空气速度视为零而已。,3）动压头,物理意义：单位体积热气体所含有动能。,第48页,48,选好控制面,：控制面之间流体必须是连续不停，有流体进出那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直。所选控制面已知条件应最多，并包含要求未知数在内。如选择系统进出口处截面、大容器自由液面作为控制面，因为该控制面压强为大气压强。,选好基准面,：基准面标准上能够选在任何位置，但选择得当，可使解题大大简化，如将基准面定在某一流通截面中心上，这么，该流通截面位能就为零。,p,1,和p,2,应为同一度量单位。,第49页,49,阻力损失？,窑炉系统气体流动阻力损失？,窑炉系统气体流动,阻力损失,h,L,摩擦阻力损失,h,f,局部损失,h,l,第50页,50,d,e,圆管内直径或非圆管当量直径，m,l,管道长度，m,w,0,断面平均标态流速，Nm/s,m,、,0,气体密度、气体标态密度,t,m,气体平均温度，,常数，=1/273,摩擦阻力系数，,Re,雷诺准数,b、n,与流态及管壁相对粗糙度相关系数如层流时,b,=1，,n,=64。,摩擦阻力损失:,流体流动过程中，沿程因为较粗糙管内壁等造成阻力损失。,=b/Re,n,第51页,51,局部阻力损失：,在流体断面急剧改变以及流体方向转变地方，发生局部阻力，引发局部阻力损失。,管道截面突然扩大,第52页,52,产生局部压头损失原因不外是因为：,（1）液流中流速重新分布；,（2）在旋涡中粘性力作功；,（3）液体质点混掺引发动量改变。,w,0,断面平均标态流速，Nm/s,0,气体标态密度,T,气体(平均)温度，,T,0,气体标态温度,局部阻力系数（见附录二）,ksi 克西,第53页,53,试分析以下,排烟系统中存在哪些阻力损失？,1）进吸火口突然收缩,h,1,：,2）换热室阻力,h,2,（几何压头+局部阻力+摩擦阻力）：,3）烟道内摩擦阻力,h,3,：,4）经过闸板,h,4,：,5）进烟囱90急转扩大,h,5,：,第54页,54,阻力损失,h,L,计算,是窑炉设计中动能分析主要内容。,送风、排烟设备功率大小确实定；,合理窑炉结构确实定；,合理作业方案（装窑方案）确实定等,阻力损失,h,L,计算意义：,第55页,55,摩擦阻力损失计算:,d,e,圆管内直径或非圆管当量直径，m,l,管道长度，m,w,0,断面平均标态流速，Nm/s,0,气体标态密度,T,气体(平均)温度，K,T,0,气体标态温度,摩擦阻力系数，对于砖或混凝土烟道或烟囱，,=0.05。,对于非圆管，,d,e,为当量直径（截面面积四倍与周长之比）,第56页,56,l,2,=10m，烟道,F,=0.6m,2,（阔0.75m，高0.8m），,烟道内烟气平均温度为400,，烟道内烟气密度为1.33kg/Nm,3,，烟气流速1.15Nm/s。计算烟道内摩擦阻力,。,解：,第57页,57,烟囱高度45m，顶部和底部内径分别为0.6m和1m，烟囱内烟气平均流速0.8Nm/s，烟气平均温度为300,，,烟气密度1.35kg/Nm,3,。求烟囱摩擦阻力。,解：,第58页,58,摩擦阻力损失,h,f,局部损失,h,l,减小阻力损失必须从减小局部阻力入手，改进气体外部边界，改进边壁对气流影响出发。,减小局部阻力办法和路径五个字：,圆,进口和转弯要圆滑；,平,管道要平，起伏坎坷要少；,直,管道要直，转弯要少；,缓,截面改变、速度改变、转弯等要迟缓；,少,涡流要少,第59页,59,总压头线,静压头线,压头间相互转换？,能量不但守恒，而且能够相互转换。,第60页,60,压头间相互转换？,伯努利方程内几个能量形式（,静压头（,h,s,）、几何压头（,h,ge,）、动压头（,h,k,）,）之间可相互转换，其转换规律如图。,h,ge,h,s,h,k,h,l,规律：,H,s,、h,ge,、,h,k,三者之间能相互、可逆转换；,只有经过,h,k,才会引发,h,l,。,第61页,61,h,s,转换成,h,ge,如图，热气体在垂直管内向下流动（如蓄热室内烟气流动）。,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程：,第62页,62,设管径不变，,w,1,=,w,2,，即,h,k1,=,h,k2,，,取1-1截面为基准面，h,ge1,=0。1-2截面间伯努利方程为：,h,ge,是由,h,s,转换而成。,h,s,h,k,h,l,第63页,63,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。推出其二流体伯努利方程：,2,1,热气体,a,取1-1为基准面：,第64页,64,H,ge,h,s,H,k,h,l,如图，热气体在收缩形垂直管内向上流动（如烟囱内烟气流动）。,取有效断面1-1与2-2。列二流体伯努利方程：,第65页,65,设2-2截面为基准面h,ge2,=0，并假设1-1截面处,h,s,=,0,。1-2截面间伯努利方程为：,h,ge1,赔偿了动压头增量和压头损失；,h,ge1,在向上流动过程中部分逐步转换成,h,s,。,第66页,66,压头转换图画法,1）首先列二流体伯努利方程,2）取基准面（一定取上截面为基准面）,3）分析各截面压头项大小,4）画出压头转换图应该为矩形或平行四边,形（有负压头时）,5）最终经过图检验能量平衡,小结：,第67页,67,（3）稳定态一元流（管流）动量方程,动量方程是理论力学中,动量定理,在流体力学中详细表达;,它反应了流体运动,动量改变,与,作用力,之间关系，其优点在于无须知道流体内部流动过程，而只需要知道截面上流动情况即可。,物体所受合外力冲量等于物体动量改变,动量守恒定律,：系统不受外力或者受外力之和为零，系统总动量保持不变。,冲量,动量,第68页,68,以入口截面,F,1,、出口截面,F,2,和管壁内表面为一个系统，外力作用代数和为 。,F,1,F,2,（3）稳定态一元流（管流）动量方程,依据动量定理（牛顿第二定律），,单位时间,作用于系统,外力总和,应等于,单位时间,系统内气体,动量增量,。,气体动量修正系数：,因为按平均流速计算得到动量改变量和以实际流速计算动量改变量是不一样，故引入一个动量修正系数加以修正。,第69页,69,对于湍流，,=1.011.02，,所认为计算方便，在工程计算中通常取,；,对稳定态流动，。故上式可写成：,稳定态管流动量方程：,w,1,、,w,2,分别是入口、出口断面气体平均流速，m/s,管内气体质量流量，kg/s,第70页,70,若系统合外力为零，即 ，则有：,表明作用于系统合外力为零时，系统动量是守恒，故上式称为动量守恒原理。,第71页,71,