第一章 气体力学基础精选文档.ppt

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1、第一章第一章 气体力学基气体力学基础础本讲稿第一页，共九十八页目录目录1.1 研究对象与研究方法研究对象与研究方法1.2 气体的主要物理性质气体的主要物理性质1.3 气体静力学基本方程气体静力学基本方程1.4 气体动力学基本方程气体动力学基本方程1.5 压头损失压头损失1.6 压缩性气体流动压缩性气体流动本讲稿第二页，共九十八页研究对象：主要是烟气和空气。研究对象：主要是烟气和空气。本本章章要要点点：窑窑炉炉气气体体力力学学用用来来研研究究窑窑炉炉工工作作过过程程中中气气体体的的宏宏观观物物理理与与化化学学行行为为。本本章章的的研研究究中中心心问问题题是是气气体体流流动动，只只有有了了解解了了

2、气气体体的的特特性性，才才能能把把流流体体力力学学的的知知识识准准确确地地应应用用于窑炉系统的气体力学研究中。于窑炉系统的气体力学研究中。本讲稿第三页，共九十八页1.1 研究对象与研究方法研究对象与研究方法流流体体：液液体体和和气气体体的的总总称称。是是一一类类受受任任何何微微小拉力或剪力作用下都能发生变形的物体。小拉力或剪力作用下都能发生变形的物体。液体力学液体力学 气体力学气体力学 从研究对象分流体静力学流体静力学 流体流体动动力学力学 从研究内容分从研究方法 分 理理论论流体力学流体力学 实验实验流体力学流体力学 流体力学流体力学研究流体平衡和运动规律的科学研究流体平衡和运动规律的科学本

3、讲稿第四页，共九十八页固体没有流动性固体没有流动性 流体具有流动性流体具有流动性 流体与固体区别本讲稿第五页，共九十八页 流体的连续性假设流体的连续性假设连续介质假设连续介质假设 流流体体看看成成是是由由大大量量的的连连续续质质点点组组成成的的连连续续的的介介质质，每每个个质质点点是是一一个个含含有有大大量量分分子子的的集集团团，质点之间没有空隙。质点之间没有空隙。质点尺寸：大于分子平均自由程的质点尺寸：大于分子平均自由程的100倍。倍。连续介质假设给分析问题带来的方便连续介质假设给分析问题带来的方便 不不考考虑虑复复杂杂的的微微观观分分子子运运动动，只只考考虑虑在在外外力力作用下的宏观机械运

4、动。作用下的宏观机械运动。能运用数学分析的连续函数工具。能运用数学分析的连续函数工具。本讲稿第六页，共九十八页 把把气气体体看看作作是是连连绵绵不不断断地地充充满满整整个个空空间间的的、不留任何空隙的连续介质。不留任何空隙的连续介质。分子间隙分子间隙连续介质连续介质本讲稿第七页，共九十八页1.2 气体的主要物理性质气体的主要物理性质密度密度压缩性压缩性黏性黏性本讲稿第八页，共九十八页密度密度定义：单位体积气体的质量。定义：单位体积气体的质量。符号符号“”，单位：，单位：kg/m3均质气体：均质气体：本讲稿第九页，共九十八页常用气体的密度常用气体的密度空气空气=1.293 kg/m3 氧气氧气=

5、1.429 kg/m3氢气氢气=0.090 kg/m3 CO=1.250 kg/m3 CO2=1.976 kg/m3混合气体：混合气体：i混合气体中各种气体的体积百分比混合气体中各种气体的体积百分比,%i气体混合物中各组分的密度，气体混合物中各组分的密度，kg/m3本讲稿第十页，共九十八页气体的状态方程气体的状态方程 一一定定量量的的气气体体在在平平衡衡状状态态下下，其其体体积积、压压力力与与温温度度的的关关系系的的表表达达式式，称称为为气气体体的的状状态态数数值方程，即：值方程，即：R0 通用气体常数，通用气体常数，8.314Jmol-1K-1 实实践践证证明明，气气体体在在通通常常的的条条

6、件件下下，一一般般都都遵遵循状态方程的规律循状态方程的规律本讲稿第十一页，共九十八页气体的密度与温度、压力的关系气体的密度与温度、压力的关系液体：工程上液体密度看作与温度、压力无关。液体：工程上液体密度看作与温度、压力无关。气体：密度与温度和压力有关。气体：密度与温度和压力有关。理想气体：理想气体：工业窑炉工业窑炉(PP0):T0、P0、0 标态时温度、压力、密度本讲稿第十二页，共九十八页压缩性压缩性定定义义：气气体体受受压压力力作作用用时时，体体积积缩缩小小，密密度度增大的性质。增大的性质。温度一定温度一定,P,V 气气体体的的压压缩缩性性很很大大。从从热热力力学学中中可可知知，当当温温度度

7、不不变变时时，完完全全气气体体的的体体积积与与压压强强成成反反比比，压压强强增增加加一一倍倍，体体积积减减小小为为原原来来的的一一半半；当当压压强强不不变变时时，温温度度升升高高1体体积积就就比比0时时的的体积膨胀体积膨胀1/273。本讲稿第十三页，共九十八页可压缩流体可压缩流体/不可压缩流体不可压缩流体 所所以以，通通常常把把气气体体看看成成是是可可压压缩缩流流体体，即即它它的的密密度度不不能能作作为为常常数数，而而是是随随压压强强和和温温度度的的变变化化而而变变化化的的。我我们们把把密密度度随随温温度度和和压压强强变变化的流体称为化的流体称为可压缩流体可压缩流体。当当气气体体在在压压强强和

8、和温温度度的的变变化化都都很很小小时时，其其密密度度变变化化很很小小，可可以以将将密密度度视视为为定定值值，可可作作为为不可压缩流体不可压缩流体处理。处理。这是一种这是一种简化简化处理的方式处理的方式本讲稿第十四页，共九十八页黏性黏性 流流体体内内质质点点或或流流层层间间因因相相对对运运动动而而产产生生内内摩摩擦力以反抗相对运动的性质。擦力以反抗相对运动的性质。牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律:运运动动流流体体的的内内摩摩擦擦力力的的大大小小与与两两层层流流体体的的接接触触面面积积成成正正比比，与与两两层层流流体之间的体之间的速度梯度速度梯度成正比。成正比。(N)数学表达式：数学表达式：动力粘度本

9、讲稿第十五页，共九十八页 温温度度升升高高，分分子子热热运运动动加加剧剧，动动量量交交换换增增多多，粘度增大。，粘度增大。压力变化对气体分子热运动影响不大。压力变化对气体分子热运动影响不大。绝对粘度绝对粘度动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度 粘度粘性流动性本讲稿第十六页，共九十八页理理想想流流体体：流流体体无无粘粘性性、完完全全不不可可压压缩缩，运运动时动时无无抵抗剪切变形的能力。（抵抗剪切变形的能力。（简化简化）实实际际流流体体：流流体体具具有有粘粘性性，运运动动时时有有抵抵抗抗剪剪切变形的能力。切变形的能力。流流体体按按变变形形特特点点又又分分为为牛牛顿顿流流体体和和非非牛牛顿顿流流体。体

10、。本讲稿第十七页，共九十八页牛顿流体牛顿流体:内摩擦力与速度梯度成直线关系内摩擦力与速度梯度成直线关系非牛顿流体非牛顿流体:内摩擦力与速度梯度成内摩擦力与速度梯度成非直线关系非直线关系本讲稿第十八页，共九十八页1.3 气体静力学基本方程气体静力学基本方程作用在气体上的力作用在气体上的力 质质量量力力：作作用用在在流流体体内内每每一一个个质质点点上上的的力力，它的大小与流体的它的大小与流体的质量质量成正比。（重力）。成正比。（重力）。表表面面力力：作作用用在在被被研研究究流流体体表表面面上上的的力力，它的大小与流体的它的大小与流体的表面积表面积成正比。成正比。表表面面力力可可分分为为切切向向力力

11、（内内摩摩擦擦力力）与与法法向向力力（压强产生的总压力）。（压强产生的总压力）。对对于于静静止止流流体体或或没没有有粘粘性性的的理理想想流流体体，切切向向表面力为零，只有法向表面力。表面力为零，只有法向表面力。本讲稿第十九页，共九十八页 静静止止气气体体垂垂直直作作用用于于单单位位面面积积上上的的力力，称称为为气气体体的的静静压强，简称压强，习惯上称为压力。单位为压强，简称压强，习惯上称为压力。单位为Pa。压强的表示方法：压强的表示方法：绝绝对对压压强强：以以绝绝对对真真空空(绝绝对对零零压压)为为起起算算基基准准的的 压压强强 相对相对压强：以当地大气压为起算基准的压强压强：以当地大气压为起

12、算基准的压强相对压强（表压）绝对压强大气压强相对压强（表压）绝对压强大气压强正压：绝压大于大气压时的相对压强（正压：绝压大于大气压时的相对压强（0)负压负压:绝压小于大气压时的相对压强（绝压小于大气压时的相对压强（1-超音速流动；超音速流动；Ma=1-音速流动；音速流动；Ma1-亚音速流动亚音速流动。本讲稿第七十九页，共九十八页流速与断面的关系流速与断面的关系本讲稿第八十页，共九十八页当当Ma1，va，(M2-1)1，va，(M2-1)0，dA与与dv符符号号相相同同。流流速速与与断断面面成成正正比比，其其原原因因是是由由于于超超音音速流体密度变化大于速度变化。速流体密度变化大于速度变化。当当

13、M=1，v=a，必必有有dA=0，此此时时断断面面A称称为为临临界界断断面面Ae，为为最最小小断断面面。在在临临界界断断面面上上，气气流流速速度度等等于于当当地地音音速速，还还可可称称为为临临界界速度。速度。本讲稿第八十一页，共九十八页两种喷管两种喷管渐渐缩缩喷喷管管：流流体体在在该该管管内内流流动动为为亚亚音音速速流流动动，在管嘴出口处为音速或亚音速。在管嘴出口处为音速或亚音速。注意：出口处所能够达到的最大速度为音速注意：出口处所能够达到的最大速度为音速.即即出出口口处处Ma小小于于1，最最大大等等于于1，不不可可能能大于大于1。1p ps s1 1p p3 3 p p4 4 3 4 P P

14、4 4=P=Pc cMa1本讲稿第八十二页，共九十八页缩缩放放喷喷管管(拉拉伐伐尔尔管管)：流流体体在在收收缩缩管管内内流流动动为为亚亚音音速速流流动动，在在扩扩张张管管内内为为超超音音速速流流动动，有一最小截面。，有一最小截面。最小截面最小截面Ma=1音速音速Ma1喉部喉部出口处出口处Ma大于大于1本讲稿第八十三页，共九十八页1.6.3三种流动状态三种流动状态滞止状态：该截面上速度为滞止状态：该截面上速度为零零的状态。的状态。极限速度：该截面上速度为极限速度：该截面上速度为最大最大的状态。的状态。临临界界状状态态：该该截截面面上上的的速速度度等等于于音音速速的的状状态，即态，即Ma=1的状态

15、。的状态。本讲稿第八十四页，共九十八页1.6.4 压缩性气体经喷管的流动压缩性气体经喷管的流动列列1、2两截面的可压缩伯努利方程：两截面的可压缩伯努利方程：因为因为v0=0(滞止状态滞止状态)，所以，所以，变换该式得变换该式得:本讲稿第八十五页，共九十八页代入，可得：代入，可得：从从该该式式可可以以看看出出可可压压缩缩气气体体速速度度主主要要决决定定于于压压强强比比（P1/P0)注意与不可压缩气体速度的区别：注意与不可压缩气体速度的区别：不可压缩气体速度主要决定于不可压缩气体速度主要决定于压强差压强差(P1 P0)。又因为又因为所以所以因此因此本讲稿第八十六页，共九十八页流量求解流量求解公式公

16、式代入得：代入得：本讲稿第八十七页，共九十八页气体通过拉伐尔管流出气体通过拉伐尔管流出 拉拉伐伐尔尔喷喷管管（亦亦称称渐渐缩缩渐渐阔阔喷喷管管）是是瑞瑞典典人人拉拉伐伐尔尔在在1883年年在在蒸蒸汽汽涡涡轮轮机机上上应应用用的的喷喷管管。喷喷管管的的截截面面积积首首先先变变小小然然后后再再变变大大，从从中中间间通通过过的的气气体体可可被被加加速速到到超超音音速速，而而并并不不会会产产生生撞撞击击。气气体体在在截截面面积积最最小小处处恰恰好好达达到到声速。声速。本讲稿第八十八页，共九十八页拉伐尔喷管计算拉伐尔喷管计算 拉伐尔喷管内的流动计算一般有两类：拉伐尔喷管内的流动计算一般有两类：正正问问题

17、题，即即给给定定喷喷管管面面积积比比、反反压压与与总总压压之之比比和和总总温温，需需要要计计算算喷喷管管内内的的流流动动状状态态及及参数。参数。逆逆问问题题（介介绍绍），即即给给定定喷喷管管出出口口Ma，需需确确定定面面积积比比和和反反压压比比。若若Ma1通通常常不不需需采采用用拉拉伐伐尔尔喷喷管管，利利用用收收缩缩喷喷管管即即可可达达到到要要求求。若若Ma1，此此时时喉喉部部必必然然是是临临界界截截面面，计算喷管的面积比。计算喷管的面积比。本讲稿第八十九页，共九十八页逆问题逆问题 当当喉喉部部达达音音速速时时，其其质质量量流流量量为为最最大大，在在拉拉伐伐尔尔喷喷管管的的扩扩张张管管部部分分

18、，虽虽然然其其速速度度已已超超过过临临界界断断面面处处，但但密密度度随随截截面面积积增增大大而而急急剧剧降降低低，因因此此，质质量量流流量量不不可可能能大大于于临临界界值值。所所以以拉拉伐伐尔尔喷喷管管出出口口处处与与临临界界断断面面两两处处的的质质量量流量相等流量相等。本讲稿第九十页，共九十八页当在喉部时，压力为当在喉部时，压力为pc，且，且本讲稿第九十一页，共九十八页因因为为拉拉伐伐尔尔喷喷管管出出口口处处与与临临界界断断面面两两处处的的质质量流量相等量流量相等，所以：，所以：本讲稿第九十二页，共九十八页例例 过过热热蒸蒸气气温温度度250，压压强强为为10at，由由拉拉伐伐尔尔管管流流出

19、出，出出口口处处压压强强为为1at，过过热热蒸蒸气气质质量量流流量量为为0.0875kg/s，计计算算拉拉伐伐尔尔管管临临界界断断面及出口断面直径。面及出口断面直径。（=1.33，在拉伐尔管喉部可获得音速），在拉伐尔管喉部可获得音速）本讲稿第九十三页，共九十八页解解：对对于于过过热热蒸蒸气气=1.33，p0=10at，在在拉拉伐伐尔管喉部可获得音速，则尔管喉部可获得音速，则pc=5.46at，T0=523K0=Mp0/(RT0)=181098070/(8.314523)=4.06kg/m3 因因为为拉拉伐伐尔尔喷喷管管出出口口处处与与临临界界断断面面两两处处的的质质量量流流量量相相等等，qmc

20、=0.0875kg/s，代代入入，可可解解得得Ac=6.610-5 m2 本讲稿第九十四页，共九十八页dc=(4Ac/)0.5=9.2 mmp1=1at，代代入入，可可得得A=135mm2，d=13.11 mm本讲稿第九十五页，共九十八页作业作业1 设设有有一一热热气气柱柱，其其高高为为100m，在在100m高高处处气气柱柱上上部部所所受受的的压压力力是是99996Pa，若若它它的的密密度度是是0.4kg/m3，求求热热气气柱柱下下部部地地面面上上所所受受的的压力是多少？压力是多少？本讲稿第九十六页，共九十八页2 如如图图所所示示的的窑窑炉炉，内内部部充充满满热热烟烟气气，温温度度为为1000

21、，烟烟气气标标态态密密度度f,0为为1.30kg/m3，窑窑外外 空空 气气 温温 度度 20，空空 气气 标标 态态 密密 度度 a,0为为1.293kg/m3，窑窑底底内内外外压压强强相相等等，均均为为1atm(101325Pa)。求求距距离离窑窑底底0.7m处处窑窑内内、外气体压强各多大？其相对压强多大？外气体压强各多大？其相对压强多大？本讲稿第九十七页，共九十八页3 某某硅硅酸酸盐盐工工业业窑窑炉炉内内，烟烟气气的的温温度度为为1000，其其 标标 态态 密密 度度 为为 1.30kg/m3，在在 截截 面面 为为0.50.6m2的的烟烟道道中中以以3.8m/s的的流流速速通通过过，烟烟道道内内负负压压为为402Pa，试试判判断断烟烟道道中中烟烟气气的的流流态（设当地大气压为态（设当地大气压为99991Pa）。）。本讲稿第九十八页，共九十八页