硅酸盐工业热工基础第一章.ppt

热工过程与设备 第一章,窑炉系统内的气体流动,不可压缩气体的流动,可压缩气体的流动,气体射流,熟练掌握,了解,了解及自学,热工过程与设备 第一章,一、不可压缩气体的流动（一）气体从窑炉内的流出和吸入,1、气体通过小孔的流出和吸入,静压头转变为动压头，使压强降低、速度增加,热工过程与设备 第一章,流出气体在惯性作用下，气流会发生收缩，在截面处形成最小的截面F2，这种现象称为缩流。,缩流系数：,（气流最小截面与小孔截面的比值）,小孔的位置,热工过程与设备 第一章,截面（窑内）：,截面（气流最小截面）：,气流通过小孔的压差极小：,Question：如何衡量流出气体的快慢、多少？,热工过程与设备 第一章,列-间伯努利方程，计算：,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,*缩流系数、速度系数、流量系数 均应由实 验确定。也可查表。,*薄壁和厚壁的概念：,气流最小截面在孔口外薄壁,气流最小截面在孔口内厚壁,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,Question：小孔为其它形状？,形状,大小,热工过程与设备 第一章,2、气体通过炉门的流出和吸入,*沿炉门高度上的静压头的变化对气体流出和吸入量有影响。,单位时间内通过微元面积dF的流量，为：,dF,炉门,热工过程与设备 第一章,窑底与z间的伯努利方程为：,热工过程与设备 第一章,把 近似看作常数，作为平均流量系数，则,热工过程与设备 第一章,总结】,小孔,炉门,试一试】,其它形状炉门情形如何计算?,1-10 某窑炉的窑墙厚为240mm,上下各有一个直径为200mm 的小孔，两孔间垂直距离为1m,窑内气体温度为1000，烟气标态密度为1.32kg/m3，外界空气温度为20，窑内零压面在两个小孔垂直距离的中间。求通过上下两个小孔的漏气量。,（1）解：,上部断面的几何压头小于下部断面的几何压头，而静压头则相反。,即：上部断面的静压头 大于 下部断面的静压头。,本题：零压头在两小孔中间，所以上孔肯定为正压（气体溢出），下孔为负压（吸入空气）。所以有：,解法2,热工过程与设备 第一章,（二）分散垂直气流法则,垂直分散气流：一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流。,垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，冷气体自下而上流动。,问题：设a、b通道等截面，则 为保证 a、b通道内温度均匀，应具备什么条件？,热工过程与设备 第一章,a通道伯努利方程:,截面为基准面，则：,a通道等截面，则：,气流自上而下流动时，则：,热工过程与设备 第一章,气流自下而上流动时，则：,条件：欲使a、b通道温度均匀，需使 a、b两端静压差相等，即：,热工过程与设备 第一章,a、b通道温度分布均匀的条件是：,气体自上而下流动时：,气体自下而上流动时：,通道内的几何压头和阻力损失相等。,所以,热工过程与设备 第一章,分析两种情况：,？,？,？,热工过程与设备 第一章,热气体自下而上流动时：,具体分析热气体情形：,假若,几何压头为推动力,热工过程与设备 第一章,热气体自上而下流动时：,假若,1,几何压头为阻力,冷气体自下而上流动时：,冷气体自上而下流动时：,垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，冷气体自下而上流动。,课下自学内容,分散垂直气流法则适用条件,几何压头起主要作用的通道,热工过程与设备 第一章,1.2 窑炉系统内的气体流动,不可压缩气体的流动,可压缩气体的流动,气体射流,熟练掌握,了解,了解自学,伯努利方程的适用气体：,不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动,二、可压缩气体的流动,可压缩气体能量方程：,可压缩气体怎样做能量的换算？,可压缩气体是否有伯努利方程？,热工过程与设备 第一章,可压缩气体绝热流动的伯努利方程：,绝热指数,单原子气体，双原子气体（包括空气），多原子气体（包括过热蒸汽）,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,（一）音速和马赫数,1、声波在气体中的传播速度-音速方程式,音速：声波在弹性介质中的传播速度。（a，m/S）,音速,声音来源于物体振动，该振动会引起介质压强和密度的微弱变化，这种微扰动在介质中依次传播，就是声音的传播过程。,热工过程与设备 第一章,考察,声波在气体中传播时,引起温差变化很小,传播速度很大,声音在气体中传播属于可逆绝热过程（等熵，q=0）,即等熵时：,热工过程与设备 第一章,如空气，则声音在空气中传播速度为,音速与温度有关，也为状态参数；与地域、季节等有关,音速大小反映气体可压缩程度，音速越大则气体的可压缩程度越小。,热工过程与设备 第一章,2、马赫数,管流某界面,气流速度w,m/S,当地音速a,则逆气流方向，声波传播速度为：,其中：,热工过程与设备 第一章,气体流动可根据Ma大小来分类,Ma 1，不可压缩流动,Ma 1，亚音速流动,Ma1，跨音速流动,Ma1，超音速流动,热工过程与设备 第一章,滞止（滞留）参数：流体处于静止状态，流速为0 的参数（以下表s 表示）,滞止参数一定时，气流中的音速大小取决于气流速度。,热工过程与设备 第一章,可压缩流体流速与断面的关系,不可压缩流体，流速与断面反比。,可压缩流体，,可压缩不可压缩气体的对比，可用于选择或天空或判断,热工过程与设备 第一章,可见：Ma1（超音速流动）时，流速与断面呈正比。流速随断面增大而增大，随断面减小而减小。Ma1（亚音速流动）时，流速与断面呈反比。流速随断面增大而减小，随断面减小而增大。Ma1时，对应临界断面。,热工过程与设备 第一章,（二）可压缩气体通过渐缩喷嘴流出,1、流量和流速,（高压气体）,罐容量足够大，气体参数可视为常数,罐容量足够大，气体流速视为零，处于滞留（滞止）状态，（以下标S标出）,气体流出过程,流速增加、压强下降,气体在喷嘴中流速大，可视为绝热。,热工过程与设备 第一章,理想、可压缩气体能量方程：（注意：不能用伯努利方程）,热工过程与设备 第一章,理想气体焓：,热工过程与设备 第一章,绝热过程：,由绝热方程：,由：,热工过程与设备 第一章,由：,*实际：,热工过程与设备 第一章,2、极限速度和临界速度,（1）极限速度,讨论：,热工过程与设备 第一章,试验：若想维持气体滞止参数和出口断面F2，采取一定手段使喷嘴出口处压强Pa可连续调节。则：,环境压力Pa由Ps起逐渐下调，则出口处压强P2等于Pa也连续下降。但P2下降有一限度，Pa小到一定值时，P2不再随之下降，而是P2Pa。,Pa,热工过程与设备 第一章,（2）临界速度,m 有最大值E点,定义：E点对应的状态为临界状态，相应参数为临界参数（用下标cr表示）,热工过程与设备 第一章,由绝热方程：,问题：怎样求？,临界参数仅与滞止参数和气体绝热指数有关,热工过程与设备 第一章,*临界速度等于当地音速,热工过程与设备 第一章,拥塞效应,热工过程与设备 第一章,可压缩气体由渐缩喷嘴外射流出的极限：,压强（背压）：低至 临界压强,温度：低至 临界温度,速度：高至 临界速度，当地音速,马赫数：1,热工过程与设备 第一章,（三）可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴外射流出,渐缩渐扩管拉伐尔喷嘴：利用气体压力能获得超音速出口气流,喉部：渐缩、渐扩的结合部。,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,1、气体参数与喷嘴断面积与速度变化的关系,能量方程：,（1）,热工过程与设备 第一章,状态方程：,绝热方程：,*dw0，则 dP、d、dT均0,（2）,（3）,改书上错,热工过程与设备 第一章,状态连续性方程：,（4）,（4，）,热工过程与设备 第一章,*亚音速气流在渐缩段加速、在渐扩管减速；超音速气流在渐缩段减速、在渐扩管加速；,热工过程与设备 第一章,渐缩喷嘴对应滞止压强不需过高。,拉伐尔喷嘴对应滞止压强要高于临界压强。,实际操作时：,热工过程与设备 第一章,2、气体参数与喷嘴断面积与马赫数的关系,已知：,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,热工过程与设备 第一章,1.2 窑炉系统内的气体流动,不可压缩气体的流动,可压缩气体的流动,气体射流,熟练掌握,了解,了解自学,热工过程与设备 第一章,三、气体射流,射流：气体脱离了原来限制它流动的管道，不再受固体壁面的限制，而在空间连续扩散流动。(喷射到窑内的可燃气；烟囱冒出的烟气等。)与管流有本质区别。因不再受璧面的影响限制、与周围气体接触混合,层流射流：管嘴直径较小，喷出气量小时，在管嘴出口处形成层流射流。,湍流射流：管嘴直径较大，喷出气体流速较大 时，在管嘴出口处形成湍流射流。,热工过程与设备 第一章,自由射流：气体喷射到充满静止介质的无限空间中 去，射流完全不受固体壁面的限制。,受限射流：气体喷射到有限空间时，射流要受到空 间的部分限制。,研究射流规律目的：P27,热工过程与设备 第一章,（一）自由射流(湍流),等温自由射流：喷出气流与周围介质 温度、密度相等,非等温自由射流：喷出气流与周围介质 存在温度差、密度差,热工过程与设备 第一章,1、自由射流的形成和特点,（1）自由射流的形成和外形特点,湍流：气体横纵向流动，喷出气体则与周围空气不断掺和，交换能量、动量，一起向前流动。,流量、横断面不断增大，流速不断降低，形成向周围扩散的锥形体，最终消失在空气中。,内边界,边界层,外边界,内边界,极点M,极角,核心收缩角,边界层,核心区,转折截面,开始段,主段,热工过程与设备 第一章,外边界：速度等于零的边界,内边界：速度保持初速度的边界,极点：外边界的交点,极角：外边界与x轴的夹角,核心收缩角：内边界与x轴的夹角,边界层：内、外边界之间的区域,核心区：保持初速度的区域,转折截面：只有x轴上一点还保持初速度的截面,开始段：喷嘴出口至转折面之间的射流区域,主段：转折面以后至射流消失的射流区域,热工过程与设备 第一章,近似认为自由射流内部压强不变，等于周围气体的压强。沿x轴动量不变、动能减小。,（2）自由射流的流动特点,自由射流可近似认为是一维流动。,自由射流内各截面上速度分布有相似性,压强 P,动量 mw,流量 V,动能,中心速度,热工过程与设备 第一章,2、自由射流中各运动参数的变化关系（阿勃拉 莫维奇）,（1）主段,极角,湍流系数,改错,热工过程与设备 第一章,射流半径Rx,热工过程与设备 第一章,轴心速度wc,动量守恒,热工过程与设备 第一章,体积流量Vx,平均流速,质量平均流速,热工过程与设备 第一章,（2）开始段,核心区长度L（开始段的长度）,热工过程与设备 第一章,喷嘴出口断面至极点距离,核心收缩角,热工过程与设备 第一章,核心区流量,体积流量,边界层内流量,总体积流量,热工过程与设备 第一章,截面平均速度,热工过程与设备 第一章,3、矩形射流及平面射流,（1）矩形射流,气体从矩形截面出口喷出的射流,折算为截面相等的圆截面,平面射流,热工过程与设备 第一章,（2）平面射流,气体从狭长缝隙中喷出的射流。,热工过程与设备 第一章,4、温差射流及浓差射流,射流的周围气体的温度和密度与喷射气体不同，使自由射流的温度和浓度发生变化。,喷射气体与周围气体混合,发生热量、质量交换,热量扩散较动量扩散快,温度边界层比速度边界层发展快,简化：温度、浓度边界层与速度边界层一致。,热工过程与设备 第一章,（1）轴心温差和轴心浓差,：射流与周围温差较小时：,*下标c：轴心 下标o：出口处,：射流与周围温差较大时：,热工过程与设备 第一章,（2）射流弯曲,射流与周围气体密度不等，重力、浮力不平衡造成。,射流直线水平,热射流，,射流向上弯曲,冷射流，,射流向下弯曲,热工过程与设备 第一章,射流垂直 不弯曲,垂直向上,垂直向下,热射流,冷射流,射流即不水平又不垂直,热 射流,冷 射流,热工过程与设备 第一章,（二）受限射流,（三）常见的特殊射流,（四）旋转射流,