1、精品1 氣體力學(xué)原理目前大部分冶金爐 （除電爐外） 熱能的主要來源是靠燃燒燃料來供給的。燃料燃燒需要供入爐內(nèi)大量空氣， 并在爐內(nèi)產(chǎn)生大量的爐氣。高溫的爐氣是傳熱的介質(zhì)， 當它將大部分熱能傳給被加熱的物料以后就從爐內(nèi)排出。氣體在爐內(nèi)的流動， 根據(jù)流動產(chǎn)生的原因不同 ，可分為兩種： 一種叫自由流動，一種叫強制流動。自由流動 是由于溫度不同所引起各部分氣體密度差而產(chǎn)生的流動；強制流動 是由于外界的機械作用而引起的氣體流動，如鼓風(fēng)機鼓風(fēng)產(chǎn)生的壓力差。1.1 氣體的主要物理性質(zhì)和氣體平衡方程式1、氣體的主要物理性能液體和氣體， 由于分子間的空隙比固體大， 它們都不能保持一定的形狀，因而具有固體所沒有的一

2、種性質(zhì) 流動性。液體和氣體統(tǒng)稱為流體。由于液體和氣體具有流動性， 因而它們能將自身重力和所受的外力按原來的大小向各個方向傳遞，這是氣體與液體的共同性 。氣體和液體又各自具有不同的特性： 液體是不可壓縮性流體（或稱非彈性流體） ；氣體是可壓縮性流體（或稱彈性流體）。在研究氣體運動時 ，應(yīng)注意氣體的體積和密度隨溫度和壓力的變感謝下載載精品化，此為氣體區(qū)別于液體的一個顯著特性。 液體在流動過程中基本不受周圍大氣的影響；氣體在流動過程中受周圍大氣的影響 。氣體的主要物理性能如下：氣體的溫度溫標是指衡量溫度高低的標尺，它規(guī)定了溫度的起點（零點）和測量溫度的單位 。目前國際上常用的溫標有攝氏溫標和絕對溫標

3、兩種：a、攝氏溫標 ：在標準大氣壓下（ 760mmHg），把純水的冰點定為零度，沸點定為 100 度，在冰點與沸點之間等分為100 個分格，每一格的刻度就是攝氏溫度 1 度，用符號 t 表示，其單位符號為。b 、絕對溫標 ：即熱力學(xué)溫標， 又名開爾文溫標， 用符號 T 表示，其單位符號為K。這種溫標是以氣體分子熱運動平均動能超于零的溫度為起點，定為 0 K ，并以水的三相點溫度為基本定點，定為273.16K ，于是1 K1就是水的三相點熱力學(xué)溫度273 .16 。絕對溫標與攝氏溫標的關(guān)系：T273.15+ tK氣體在運動過程中有溫度變化時， 氣體的平均溫度常取為氣體的始端溫度 t 1 和終端溫

4、度 t 2 的算術(shù)平均值，即：感謝下載載精品氣體的壓力a、定義： 由于氣體自身的重力作用和氣體內(nèi)部的分子運動作用，氣體內(nèi)部都具有一定的對外作用力，這個力稱為氣體的壓力。氣體壓力是氣體的一種內(nèi)力 ，它是表示氣體對外作用力大小的一個物理參數(shù)。b 、壓力的單位在工程單位制 即米制中，氣體的壓力大小有以下三種表示方法： 以單位面積上所受的作用力來表示，例如：公斤 /cm 2 (kgf/cm 2）或公斤/m 2 (kgf/m 2 )。 用液柱高度來表示：例如米水柱(mH 2O) 、毫米水柱 (mmH 2 O)和毫米汞柱 (mmHg) 。 用大氣壓來表示：大氣重量對地球表面上所造成的壓力稱為大氣壓力，常用

5、單位是mmHg 。大氣壓力的數(shù)值隨著所在地區(qū)海拔高度的升高而降低。國際上規(guī)定：將緯度45 °海平面上測得的全年平均大氣壓力760mmHg定為一個標準大氣壓，或者稱為物理大氣壓，它與其它壓力單位的換算關(guān)系是：1標 準 大 氣 壓 (atm)=760mmHg=1.0332kgf/cm 2 =10332kgf/m 2=10332mmH2O感謝下載載精品工程上為了計算方便， 規(guī)定 1 kgf/cm 2 作為一個工程大氣壓， 簡稱氣壓 (at) ，則：1 工程大氣壓 (at) 1 kgf/cm 2=10000 kgf/m2=10 mH 2 O=10000 mmH 2 O=735.6mmHg由此

6、可得l mmH 2 O=1 kgf/m2l mmHg =13.6 mmH2O在國際單位制 中，壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕，其代號為Pa。l 帕斯卡是指 1 m 2 表面上作用 1 牛頓（ N ）的力，即：1Pa=l N/m21kPa=1000 N/m21MPa=10 6 N/m 2米制與國際單位制壓力換算關(guān)系如下：1 標準大氣壓 =1.0332 kgf/cm2 =101325Pa=101.325kPa=0.101325MPa1 工程大氣壓 =l.0 kgf/cm2=98060Pa=98.066kPa=0.098066MPa1mH 2O =9806.6Pa=9. 8066kPa1mmH 2 O=

7、9.8086Pa 9.81 Pac、氣體的壓力與溫度的關(guān)系當一定質(zhì)量的氣體其體積保持不變（即等容過程）時，氣體的壓力隨溫度呈直線變化，即：Pt = P o （l+ t）感謝下載載精品式中：Pt 、 Po 分別為 t 和 0時氣體的壓力；體積不變時氣體的壓力溫度系數(shù)。根據(jù)實驗測定， 一1切氣體的壓力溫度系數(shù)都近似地等于。273d 、絕對壓力和表壓力氣體的壓力有絕對壓力和表壓力兩種表示方法。以真空為起點所計算的氣體壓力稱為絕對壓力 ，通常以符號 P絕表示。設(shè)備內(nèi)氣體的絕對壓力與設(shè)備外相同高度的實際大氣壓的差稱為氣體的表壓力 ，常以符號 P表 表示。表壓力和絕對壓力的關(guān)系為：P絕P表 P大氣式中：P

8、絕 設(shè)備內(nèi)氣體的絕對壓力；P大氣 設(shè)備外同高度的實際大氣壓；P表 設(shè)備內(nèi)氣體的表壓力。當氣體的表壓為正值時，稱此氣體的表壓為正壓;當氣體的表壓為負值時， 稱此氣體的表壓為負壓， 負壓那部分的數(shù)值，稱為真空度 ;當氣體的表壓為零值時， 稱此氣體的表壓為零壓。 具有零壓的面常稱為零壓面。1、氣體的主要物理性能感謝下載載精品氣體的體積氣體的體積是表示氣體所占據(jù)的空間大小的物理參數(shù)。每千克氣體具有的體積稱為氣體的比容，用符號 表示，單位是m 3/kg 。a、 氣體體積與溫度關(guān)系l 千克質(zhì)量的氣體， 在恒壓條件下， 其體積與其絕對溫度成正比，即: o tT oT t式中：To 0 時氣體的絕對溫度，K；

9、T t t 時氣體的絕對溫度，K；o 標準狀態(tài)下1 千克氣體的體積， m 3 ;t 壓力為101325Pa溫度為 t時 1 千克氣體的體積，m 3。設(shè) V 代表 m 千克質(zhì)量氣體的體積， 上式兩端同乘以m ，則可得 :當壓力不變時， 氣體的體積隨溫度升高而增大，隨溫度降低而減小。為了計算方便，上式常寫成：式中1常用符號 表示，稱為氣體的溫度膨脹系數(shù)。273 V tV o (1 t )m 3b 、氣體體積與壓力的關(guān)系l 千克質(zhì)量的氣體， 在恒溫條件下， 其體積與其絕對壓力成反比，即感謝下載載精品式中 :P1 、P2 、 P 相同溫度下氣體的各絕對壓力， Pa 或 N/m 2; v1、v2、 v

10、各相應(yīng)壓力下氣體的比容， m 3 /kg 。同理對 m 千克質(zhì)量氣體可得 :式中 :V1、V2 、 V 各相應(yīng)壓力下 m 千克氣體的體積， m 3 。結(jié)論：氣體的體積或比容隨氣體壓力的增大而降低， 隨氣體壓力的降低而增大。c、氣體的狀態(tài)方程式表明氣體的溫度、 壓力、體積的綜合關(guān)系式稱為氣體的狀態(tài)方程式。對于 1 千克理想氣體的狀態(tài)方程式為式中：T1、T2、T 氣體的各絕對溫度， K;P1 、P2 、 P 氣體的各絕對壓力， N/m 2;v1 、 v2、v 氣體在各相應(yīng)溫度和相應(yīng)壓力下的比容，m 3 /kg ；R 氣體常數(shù)， J/kg ·K。R 的物理意義： 1 千克質(zhì)量的氣體在定壓下

11、，加熱升高lK 時所做的膨脹功。如果氣體的質(zhì)量不是l 千克而是 m 千克，則可得到適用于m 千克氣體的狀態(tài)方程式 ：感謝下載載精品當已知 P、V、T 三個參數(shù)時，可按下式計算出氣體的質(zhì)量m:對于 1kmo1的氣體，可以寫出它的狀態(tài)方程式，即在氣體狀態(tài)方程式各項分別乘以M:MR 稱為通用氣體常數(shù)（或摩爾氣體常數(shù)） ，對于所有理想氣體，其數(shù)值都等于 8314 。(4) 氣體的密度單位體積氣體具有的質(zhì)量稱為氣體的密度，用符號 表示，單位是 kg/m 3 。單位質(zhì)量的氣體所占有的體積稱為氣體的比容，用符號表示，單位是 m 3/kg 。比容與密度互為倒數(shù)，即冶金生產(chǎn)中常見的氣體（如煤氣、爐氣等）都是由幾

12、種簡單氣體組成的混合氣體。 混合氣體在標準狀態(tài)下的密度可用下式計算：式中：1、2、 n 各組成物在標準態(tài)下的密度，Kg/m 3;a1 、a2 、 an 各組成物在混合氣體中的百分數(shù)，%。a、 氣體密度隨溫度的變化在標準大氣壓時， 氣體在 t 下的質(zhì)量和體積分別為m 和 Vt 時，則在 t 下氣體的密度為：mokg/m 3t1 tV t各種熱氣體的密度都小于常溫下大氣的密度，亦即設(shè)備內(nèi)的熱氣感謝下載載精品體都輕于設(shè)備外的大氣。b 、氣體密度隨壓力的變化在恒溫條件下的氣體密度與氣體絕對壓力的關(guān)系式：式中：1、2、 在各相應(yīng)壓力下的氣體密度，kg/m 3。c、氣體密度隨氣體溫度和壓力的變化氣體密度隨

13、溫度和壓力的變化關(guān)系式為：式中：1、 2、 在各相應(yīng)壓力和各相應(yīng)溫度下的氣體密度，kg/m 3。氣體密度隨氣體壓力而變化的特性稱為氣體的可壓縮性 。對于可壓縮性氣體而言， 氣體密度同時隨氣體溫度和氣體壓力按下式的關(guān)系而變化。(5) 氣體的重度單位體積氣體具有的重量稱為氣體的重度，用符號表示，單位是 N/m 3。當氣體重量為G 牛頓，在標準狀態(tài)下的體積為Vo 米 m 3 時，則此氣體在標準狀態(tài)下的重度o 為：當重力加速度g 9.8m/s時，氣體的重量G(N) 與氣體的質(zhì)量m(kg/m 3 )間存在如下的關(guān)系：G=mgN氣體在標準狀態(tài)下密度和重度的關(guān)系為感謝下載載精品氣體的重度也隨氣體的溫度和氣體

14、的壓力而變。阿基米德原理對固體和液體而言，阿基米德原理的內(nèi)容可表達如下：固體在液體中所受的浮力，等于所排開同體積該液體的重量。此原理同樣亦適用于氣體。設(shè)有一個倒置的容器，如圖13 所示，高為 H，截面積為f，容器內(nèi)盛滿熱氣（密度為），四周皆為冷空氣（密度為），熱氣的重量為：G 氣=Hfg 同體積空氣的重量為：G 空Hfg 熱氣在空氣中的重力應(yīng)為：G氣-G 空小于 ，熱氣在空氣中的重力必是負值， 也就是說熱氣在冷氣中實際上具有一種上升力。若上式之兩邊各除以 f，則單位面積上的氣柱所具有的上升力可寫成下面的形式：上式說明， 單位面積上氣柱所具有的上升力決定于氣柱之高度和冷、熱氣體的密度差。氣體平衡

15、方程式氣體平衡方程式是研究 靜止氣體的壓力變化規(guī)律的方程式。自然界內(nèi)不存在絕對靜止的氣體。 但是可認為某些氣體 （如感謝下載載精品大氣、煤氣罐內(nèi)的煤氣、爐內(nèi)非流動方向上的氣體等）是處于相對靜止狀態(tài)。下面分析相對靜止氣體的壓力變化規(guī)律。l、氣體絕對壓力的變化規(guī)律如圖 1 4 所示，在靜止的大氣中取一個底面積為f 平方米、高度為 H 米的長方體氣柱。如果氣體處于靜止狀態(tài)， 則此氣柱的水平方向和垂直方向的力都應(yīng)該分別處于平衡狀態(tài)。在水平方向上， 氣柱只受到其外部大氣的壓力作用， 氣柱在同一水平面上受到的是大小相等， 方向相反的壓力。 這些互相抵消的壓力使氣柱在水平方向上保持力的平衡而處于靜止狀態(tài)。在

16、垂直方向上，氣柱受到三個力的作用：（ 1）向上的 I 面處大氣的總壓力 P1 f ，N ；（ 2）向下的面處大氣的總壓力 P2f ，N ；（ 3）向下的氣柱總重量 G=Hfg ，N 。氣體靜止時，這些力應(yīng)保持平衡，即P1f = P 2 f + Hfg 當 f=lm 2 時，則得P1= P 2 + Hg (1)式中：P1 氣體下部的絕對壓力，Pa；感謝下載載精品P2 氣體上部的絕對壓力，Pa；H P1 面和 P2 面間的高度差， m ；氣體的密度，kg/m 3；g 重力加速度， 9.81 m/s 2。(1) 式為氣體絕對壓力變化規(guī)律的氣體平衡方程式。上式說明：靜止氣體沿高度方向上絕對壓力的變化規(guī)

17、律是下部氣體的絕對壓力大于上部氣體的絕對壓力， 上下兩點間的絕對壓力差等于此兩點間的高度差乘以氣體在實際狀態(tài)下的平均密度與重力加速度之積。2 、氣體表壓力的變化規(guī)律生產(chǎn)中多用表壓力表示氣體的壓力。下面分析靜止氣體內(nèi)表壓力的變化關(guān)系。如圖 1 5 所示，爐內(nèi)是實際密度為的靜止爐氣，爐外是實際密度為的大氣。爐氣在各面處的絕對壓力分別為P1、P2和 Po ，表壓力分別為 P表 1 、 P表 2 和 P表 0 。下面分析爐氣表壓力沿高度方向上的變化情況。爐氣在I 面和面處的表壓力分別為：因此，I 面與面的表壓差應(yīng)為：I 面和面處爐氣的絕對壓力差感謝下載載精品為：P 2 P1 = Hg I 面和面處大氣

18、的絕對壓力差為：經(jīng)過綜合計算，則得：或P表 2P表 1Hg ( )式中：P表 2 上部爐氣的表壓力，Pa；P表 1 下部爐氣的表壓力， Pa；大氣的實際密度，kg/rn 3；H 兩點間的高度差，m 。此式適用于任何與大氣同時存在的靜止氣體。氣體平衡方程式表明：當氣體密度 小于大氣密度（熱氣體皆如此）時，靜止氣體沿高度方向上，表壓力的變化是 上部氣體的表壓力大于下部氣體的表壓力， 上下兩點間的表壓差等于此兩點間的高度差乘以大氣與氣體的實際密度差與重力加速度之積。此兩點間的表壓差等于氣柱的上升力。由圖 1 5 看出：如果爐門中心線的 0 面處的爐氣表壓力為零（生產(chǎn)中常這樣控制） ，則 I 面和面的

19、表壓力分別為：如果爐內(nèi)是高溫的熱氣體，其實際密度 小于大氣密度 ，則由上式不難看出：零壓面以上各點的表壓力 P表 2 為正壓，當該點有孔洞時，會發(fā)生爐氣向大氣中的溢氣現(xiàn)象；感謝下載載精品零壓面以下各點的表壓力P表1 為負壓，當該點有孔洞存在時，會發(fā)生將大氣吸入的吸氣現(xiàn)象。這個規(guī)律存在于任何與大氣同時存在的密度小于大氣的靜止氣體中。爐墻的縫隙處經(jīng)常向外冒火，煙道和煙囪的縫隙處經(jīng)常吸入冷風(fēng)就是這個規(guī)律的具體表現(xiàn)。1.2氣體流動的動力學(xué)1.2. 1 流體流動的狀態(tài)l、氣體的粘性在氣體運動過程中， 由于其內(nèi)部質(zhì)點間的運動速度不同， 會產(chǎn)生摩擦力。例如，當氣體在管道中流動時， 一方面氣體與管壁之間發(fā)生摩

20、擦（此種摩擦稱為外摩擦） 。另一方面，由于氣體分子間的距離大，相互吸引力小， 緊貼管壁的氣體質(zhì)點因其與管壁的附著力大于氣體分子間的相互吸引力，其運動速度小。而離管壁愈遠，則運動速度愈大， 這樣就引起管內(nèi)各層氣流間的速度不同， 就為氣體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力提供了先決條件。當各層氣流間的速度不同時，氣體分子會由一層跑到另一層，流速較快的氣體分子會進入流速較慢的氣層， 流速較慢的氣體分子也會進入流速較快的氣層。 這樣，流速不同的相鄰氣層間就會發(fā)生能量（動量）交換，較快的一層將顯示一種力帶動較慢的一層向前移動， 較慢的一層則顯示出一個大小相等方向相反的力阻止較快的一層前進。 這種體現(xiàn)在氣體流動時使兩相鄰氣

21、層的感謝下載載精品流速趨向一致， 且大小相等方向相反的力，稱為內(nèi)摩擦力或粘性力。氣體作相對運動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種性質(zhì)稱為氣體的內(nèi)摩擦或粘性。對氣體來說，分子熱運動所引起的分子摻混是氣體粘性產(chǎn)生的主要根據(jù)。液體分子間距離小，分子引力大，粘性力主要由分子引力所產(chǎn)生。通過實驗可以證實：氣體的粘性力F 粘正比于相鄰兩層氣體之間的接觸面積f 以及垂直于粘性力方d向的速度梯度dy (如圖 1 6 所示）。寫成等式得到：式中：F 粘 粘性力， N ；粘性系數(shù)或粘度，由上式可導(dǎo)出粘度的單位為：因為 具有動力學(xué)的量綱，故又稱為動力粘度。粘度 與重力加速度g 的乘積用 表示之，稱為內(nèi)摩擦系數(shù)。= gN/m &#

22、183;s粘度與氣體密度的比值用 表示之，稱為動粘度系數(shù)。m 2/s氣體的粘度隨溫度的增加而變大。粘度和溫度的關(guān)系可用下感謝下載載精品式表示 :式中 ：o 0時氣體的粘度，Ns/m 2；t t 時氣體的粘度，Ns/m 2；T 氣體的絕對溫度，K；C 實驗常數(shù)（又稱蘇德蘭常數(shù)） 。2. 理想流體與實際流體設(shè)粘性為零的流體叫理想流體。實際上流體或多或少都具有一定的粘性，這種有粘性的流體叫實際流體。在分析流體運動問題時， 為了方便起見，假設(shè)流體沒有粘性，把它看成理想流體來處理。3. 穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動所謂穩(wěn)定流動指的是流體中任意一點上的物理量不隨時間改變的流動過程。若用數(shù)學(xué)語言表示為：式中：u 流

23、體的某一物理量；時間。u若0 ，即隨時間變化，則稱為不穩(wěn)定流動。在氣體力學(xué)中，主要討論氣體在穩(wěn)定流動條件下的運動。4. 管內(nèi)流型及雷諾數(shù)感謝下載載精品由實驗可知，氣體在流動時有兩種截然不同的流動情況，即層流和紊流。層 流和紊流如圖圖 1 7 管內(nèi)截面速度的分布17 所示：A 、層流當氣體流速較小時， 各氣體質(zhì)點平行流動，此種流動稱為層流。其特點如下：由于氣體在管道中流動時，管壁表面對氣體有吸附和摩擦作用，管壁上總附有一層薄的氣體，此種氣體稱為邊界層。當管內(nèi)氣體為層流時， 此邊界層氣體不流動， 它對管內(nèi)氣體產(chǎn)生阻礙作用，距離邊界層越近，這種阻礙作用越大。對層流來說，由于氣體質(zhì)點沒有徑向的運動，這

24、種阻礙作用越顯著。因此，在 層流情況下管道內(nèi)氣流速度是按拋物線分布的 。 (如圖 a 所示 )，其平均速度 均 為中心速度 中心 (最大速度 )的一半，即：均 =0.5 中心B、 紊流當氣流速度較大時，各氣流質(zhì)點不僅沿著氣流前進方向流動，而且在各個方向作無規(guī)則的雜亂曲線運動，通常稱為紊流。在紊流情況下主流內(nèi)形成許多細小的旋渦，故又稱渦流。感謝下載載精品由于紊流時，氣體質(zhì)點有橫向流動， 邊界層不再是靜止狀態(tài)，而是層流狀態(tài)，對中心氣流速度的影響也較小，因此，管內(nèi)的氣流速度分布較均勻(如圖 b) 所示 )，其平均速度均為中心最大速度 中心 (最大速度 )的 0.750.85 ，即：均 =(0.750

25、.85)中心C、層流與紊流的判別和雷諾數(shù)的意義要了解氣流在何種情況下是層流或紊流，必須先了解影響氣體流動情況的因素， 即先要了解影響氣流紊亂難易的因素。 由上面的討論不難看出，紊流的形成與下列因素有關(guān)：(1) 氣流速度 (t)： t 越大，越易形成紊流；(2) 氣體密度 (t)： t愈大 ,，氣體質(zhì)點橫向運動的慣性愈大，愈易形成紊流；(3) 管道直徑 (d) ： d 愈大，管壁對中心氣流的摩擦作用愈小，愈易形成紊流；(4) 氣體粘性 (t)： t愈小，產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力愈小， 愈易形成紊流。通過實驗研究結(jié)果表明： 氣體在管道內(nèi)的流動情況決定于下列數(shù)值：t d當tt d當Re或Rett式中：Re 雷

26、諾準數(shù) (簡稱雷諾數(shù) )，無因次；t 氣體溫度為t時流過橫截面的平均速度，m/s ；感謝下載載精品t 氣體溫度為 t 時的密度， kg/m3；t 氣體溫度為 t 時的粘度系數(shù)， Ns/m2; 氣體溫度為 t 時的動粘度系數(shù)，2/s ；tmd 當 當量直徑， m 。對于圓形管道， d 當即管道直徑；當管道不是圓形時，當量直徑的求法為：Ret d當tt·d觀察等式右邊的數(shù)群可知：其分子當 ·tt代表慣性力的大小 (因為 t d當tt4fm ，質(zhì)量即為慣性ts的量度 )，其分母 t 代表氣體粘性力的大小?？梢娎字Z數(shù)Re 實為慣性力與粘性力之比值。實驗證明： 當氣體在光滑管道中流動

27、時，Re<2300時為層流;Re>10000時為紊流； 2300<Re<10000時為過渡區(qū)。在過渡區(qū)內(nèi)，可能呈現(xiàn)層流，但更可能呈現(xiàn)紊流。因此，可認為 Re=2300 為氣體在光滑直管道中流動時由層流向紊流轉(zhuǎn)化的綜合條件。這種由層流向紊流轉(zhuǎn)化時的雷諾數(shù)稱臨界雷諾數(shù)，常用 Re 臨表示。 Re 臨就是判斷氣體流動狀態(tài)的標志。D 、邊界層概念邊界層又稱附面層，它指的是流動著的粘性氣體 (或液體 ) 與固體表面接觸時， 由于流層與壁面的摩擦作用便在固體表面附近形成速度變化的區(qū)域 ，圖 18 示意地說明了邊界層形成的過程。圖 1 8 氣體流經(jīng)平板時層流性和紊流性邊界層的形成圖及

28、速度分布感謝下載載精品氣體的原有流速為o。當氣體與和氣流平行的固體表面相遇時，就在固體表面附近形成速度變化的區(qū)域，這種帶有速度變化區(qū)域的流層稱為邊界層。從圖18 可以看到：(1) 當氣體剛剛接觸到固體表面前沿時， 邊界層厚度 界=0 ；沿著氣流方向前進， 邊界層的厚度逐漸增加并具有層流特性， 稱這種具有層流性質(zhì)的邊界層為層流邊界層。 它的徑向速度分布完全符合拋物線規(guī)律。(2) 當氣流流過一定距離后，邊界層內(nèi)氣體流動的性質(zhì)開始向紊流轉(zhuǎn)變并逐漸成為紊流邊界層。(3) 從圖 18 中還可看到：在紊流邊界層內(nèi)靠近固體壁面邊沿處仍有薄薄的氣體流層保持著層流狀態(tài) ,，我們稱之為層流底層 (層流內(nèi)層 )，并

29、把由層流邊界層開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鬟吔鐚拥牟课坏狡桨迨级说木嚯x稱為臨界距離，用X 臨表示。實驗指出：氣體的原有速度o 愈大，則臨界距離X 臨愈小。對于不同的氣體由層流邊界層向紊流邊界層過渡取決于X 臨所對應(yīng)得雷諾數(shù)。一般情況下可以認為Rex 大于 500000以后，層流邊界層才開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鬟吔鐚印?4) 由圖 18 可以看出：紊流邊界層厚度紊= 渦+ 層，并且只有當X 大于 X 臨時才能形成紊流邊界層。流體在進入管道后便開始于管壁處形成邊界層，隨著流動的進程，邊界層逐漸加厚， 經(jīng)過一定距離后由于厚度的增加邊界層感謝下載載精品將由周圍淹沒到管道的軸線，這時邊界層就充滿了整個管道，如圖 19 所示。在

30、邊界層沒有淹沒管道軸線以前，由于附面層厚度沿流動方向的增加，故截面上的速度分布是沿流向而變化的，在附面層淹沒管道軸線之后， 即當 X>Le 時，管道中的速度分布就穩(wěn)定下來了。所以又把 X 臨 =Le 稱做穩(wěn)定段 (或叫固定段 )。對氣體在管道中的流動狀態(tài)可以這樣來理解： 如果在附面層淹沒到管道軸線之前， 附面層為層流附面層， 則淹沒以后管道中的流體將繼續(xù)保持層流狀態(tài)的性質(zhì)，如圖 1 9 所示；如果附面層在淹沒到管道軸線以前就已變成紊流附面層， 則管內(nèi)后段流體的流動性質(zhì)將是紊流狀態(tài)的了。如圖 110 所示。關(guān)于邊界層 (附面層 ) 的理論闡明了管道中流體流動的性質(zhì)。1.2. 2運動氣體的連

31、續(xù)方程式氣體連續(xù)方程式是研究運動氣體在運動過程中流量間關(guān)系的方程式。 氣體發(fā)生運動后便出現(xiàn)了新的物理參數(shù)，流速和流量就是運動氣體的主要物理參數(shù)。1、流速和流量A、流速單位時間內(nèi)氣體流動的距離稱為氣體的流速，用符號 表示，單位是m/s 。流速是表示氣體流動快慢的物理參數(shù)。標準狀態(tài)下氣體的流速用o 表示，單位仍是m/s 。各種氣體在不同設(shè)備內(nèi)的o 都有合適的經(jīng)驗值。經(jīng)驗值的選法將在后感謝下載載精品面介紹。流速也隨氣體的壓力和溫度而變。恒壓下，流速隨溫度的變化關(guān)系為：式中： o 標準狀態(tài)下氣體的流速,， m/s ；t 氣體的溫度 ,;t 10l325Pa，t 時氣體的流速，m/s ；氣體溫度膨脹系數(shù)

32、。此式適用于標準大氣壓下流動的氣體。 壓力不大的低壓流動氣體可近似應(yīng)用。由上式看出： 壓力變化不大的低壓流動氣體， 當其標準狀態(tài)下流速 o 一定時，其本身溫度 t 愈高，則其實際流速 t 愈大。B、流量單位時間內(nèi)氣體流過某截面的數(shù)量稱為流量。流量是表示氣體流動數(shù)量多少的物理參數(shù)。a、體積流量單位時間內(nèi)氣體流過某截面的體積稱為體積流量，用符號 V表示，單位為m 3/s 、m 3/min或 rn 3/h 。標準狀態(tài)下氣體的體積流量用Vo 表示。生產(chǎn)中和資料中多用 Vo 表示氣體的體積流量。當氣體的流動截面為f m 2，氣體在標準狀態(tài)下的流速為om/s 時，則氣體在標準狀態(tài)下的體積流量為：V o =

33、 o f rn 3 /s感謝下載載精品此式適用于各種氣體。由式中看出：當生產(chǎn)要求的體積流量V o 和選取的經(jīng)驗流速f 值，從而o 已知時，可根據(jù)公式確定氣體運動設(shè)備的流動截面確定設(shè)備的流動直徑D 值。氣體的體積流量也隨其溫度和壓力而變。 恒壓時體積流量隨溫度的變化關(guān)系為：或Vto (1 t)f m3/s或V tt f m 3/s式中：Vt 101325Pa ，t 時氣體的體積流量，m 3/s 。上式適用于標準大氣壓下流動的氣體，壓力不太的低壓流動的氣體可近似應(yīng)用。由式中看出： 對壓力不大的低壓氣體而言，當標準狀態(tài)下的體積流量 Vo 一定時，氣體的實際體積流量Vt 隨其溫度 t 的升高而增加。b

34、 、質(zhì)量流量單位時間內(nèi)氣體流過某截面的質(zhì)量稱為質(zhì)量流量，用符號貝M 表示，單位是kg/s 或 kg/h 。質(zhì)量等于體積乘以密度，因此可得：M Voo o foKg/s 適用于標準狀態(tài)下的氣體。感謝下載載精品或MV f kg/s 適用于任意狀態(tài)下的氣體。式中：M 氣體的質(zhì)量， kg/s ；f 氣體的流動截面，m 2；o 、 o 和Vo 標準狀態(tài)下氣體的流速(m/s) 、密度 (kg/m 3)和體積流量 (m 3/s) ；、和 V 任意狀態(tài)下氣體的流速(m/s) 、密度 (kg/m 3)和體積流量 (m 3 /s) 。上式指出了質(zhì)量流量和體積流量的關(guān)系。應(yīng)當指出：氣體的質(zhì)量流量是不隨其溫度和壓力變

35、化的。2、連續(xù)方程式連續(xù)方程式是物質(zhì)不滅定律在氣體流動過程中的表現(xiàn)形式根據(jù)物質(zhì)不滅定律， 任何物質(zhì)在運動過程中即不能自生也不能自滅，因此，當氣體在管道中連續(xù)(即氣體充滿管道，管道不吸氣亦不漏氣 )而穩(wěn)定流動時，氣體流過管道各截面的質(zhì)量必相等。如圖 111 中，氣體在管道內(nèi)由截面向截面做穩(wěn)定流動，根據(jù)上述推論，則此兩截面上的質(zhì)量流量應(yīng)當相等，即： M 1=M 2或V 11=V 2 2感謝下載載精品或式中：M 1 和 M 2 I 面和面的質(zhì)量流量，kg/s ；和 p 2 任意狀態(tài)下I 面和面處的氣體密度，1kg/m 3；1 和 2 任意狀態(tài)下I 面和面處的氣體流速，m/s ；f 1 和 f2 I

36、面和面處流體的截面積，m 2。上述各式即為氣體的連續(xù)方程式。 此式適用于穩(wěn)定流動的任意狀態(tài)的氣體。 如果不僅是穩(wěn)定流動， 而且氣體在流動過程中的密度保持不變，即 1=p 2，則：V1=V 2式中：V 1 和 V2 流動時，密度不變的I 面和面處的體積流量，m 3/s ； 和 流動時，密度不變的I 面和面處的氣體流速，12m/s ；f1 和 f 2 1 面和面處流體的截面積，m 2 。此為連續(xù)方程式的又一種表示形式。上述二式適用于密度不變穩(wěn)定流動的氣體。低壓氣體在穩(wěn)定流動時，若流量固定，氣體的流速與管道的截面積成反比。當管道截面積一定時，氣體在管內(nèi)的流速與流量成正比。1.2. 3 氣體的能量感謝

37、下載載精品如圖 113 的管道內(nèi)流動著穩(wěn)定流動的氣體，在此管道上任取一截面積為 f 的橫截面。 下面研究此橫截面上氣體具有的能量。在靠近 f 截面取一長為dl ，體積為 dV=fdl 的微小氣塊。當 dl 極小時，此氣塊具有的能量即為 f 截面上氣體具有的能量。下面分析此氣塊即 f 截面上氣體具有的能量。1、位壓和位壓頭自然界的物體都具有位能。氣塊也具有位能。當氣塊的質(zhì)量、密度和距基準面的高度分別為m 、 和 H時，則此氣塊具有的位能為：位能 =mgH=dvgHNm單位體積氣體具有的位能稱為位壓。因此，氣塊亦即f 面上氣體的位壓為：氣塊位能HgdV位壓氣塊體積dVHgPa當氣體的密度一定時，氣

38、體各處的位壓僅隨該處距基準面的高度而變，若基準面取在下面，則愈上面氣體的位壓愈大，愈下面氣體的位壓愈小。管內(nèi)氣體位壓與管外同高度上大氣的位壓的差值，稱為管內(nèi)氣體的相對位壓或簡稱位壓頭，用符號h 位表示，單位是Pa。感謝下載載精品管內(nèi)氣體的位壓頭為：h位Hg ( ) Pa由此可知：氣體的位壓頭是單位體積氣體所具有的相對位壓。氣體某處的位壓頭等于該處距基準面的高度H(m) 與重力加速度g(m/s 2) 之乘積，再乘以氣體與大氣的密度差(')，(kg/m 3)。當氣體的密度 小于大氣密度 ，即浮力大于氣體本身的重力時，由上式可知： 這時位壓頭為負值，即位壓頭是一種促使氣體上升的能量。 為了使

39、位壓頭得正值， 常將基準面取在氣體的上面，因為基準面以下之高度為負值。當氣體密度與大氣密度之差保持一定時， 氣體各處的位壓頭僅隨該處距基準面的高度而變， 愈上面氣體的位壓頭愈小， 愈下面氣體的位壓頭愈大。運動和靜止的氣體內(nèi)都具有位壓頭。 位壓頭只能計算而不能進行測量。2、 靜壓和靜壓頭由圖 1 13 看出：氣塊的 f 面積上受到其相鄰氣體的絕對壓力 P 的作用，而且 f 面積上所受的總壓力為 Pf 。而氣塊本身必然具有一個與外界可能作的最大功大小相等， 方向相反的能量與之平衡。這個能量稱為氣體的壓力能。因此，氣塊的壓力能為：感謝下載載精品壓力能 =pfdl=pdVNm單位體積氣體具有的壓力能稱

40、為靜壓。因此，該氣塊亦即f面處氣體的靜壓為：靜壓氣塊壓力能PdVP氣塊體積dVPa顯然， f 面處氣體的靜壓在數(shù)值上即等于該處氣體的絕對壓力。管道內(nèi)氣體的靜壓與管道外同高度上大氣的靜壓之差值稱為相對靜壓或簡稱靜壓頭，用符號 h 靜 表示，單位是 Pa。當管道內(nèi)氣體的靜壓為P，管道外同高度上大氣的靜壓為P'時，則管道內(nèi)氣體的靜壓頭為：h靜PPPa由此可知： 氣體的靜壓頭是單位體積氣體所具有的相對靜壓，其數(shù)值等于管道內(nèi)外氣體所具有的相對壓力(即表壓力 )。氣體的靜壓與氣體的絕對壓力，二者的物理意義不同。前者是指單位體積氣體具有的內(nèi)能，后者是指單位面積氣體具有的內(nèi)力，但二者在數(shù)值上相等，故常

41、混用。同樣，氣體的靜壓頭與氣體的表壓力，二者的物理意義亦不同，但二者在數(shù)值上相等，故亦?；煊谩＿\動和靜止的氣體都具有靜壓頭。靜壓頭可以用壓力計測量出來。3、動壓和動壓頭感謝下載載精品運動的物體都具有動能。氣塊也具有動能。當氣塊的質(zhì)量、流速、密度分別為m 、 、 時,則氣塊具有的動能為：單位體積氣體具有的動能稱為動壓。因此，氣塊亦即f 面處氣體的動壓為：氣塊動能2 dV2動壓2dVPa氣塊體積2管道內(nèi)氣體的動壓與管道外同高度上大氣的動壓之差值稱為相對動壓或簡稱動壓頭，用符號h 動 表示，單位是Pa。2當管道內(nèi)氣體的動壓為，管外同高度上靜止大氣的動2壓為零時，則管道內(nèi)氣體的動壓頭為：h動2Pa2可

42、見，氣體的動壓頭在數(shù)值上等于氣體的動壓。氣體的動壓頭常以下式表示：h動o 2 o (1t )Pa2式中：o 、o 分別為0時氣體的速度和密度。只有流動的氣體才具有動壓頭。4、柏努利方程式柏努利方程式是研究氣體在運動過程中的能量變化規(guī)律的感謝下載載精品方程式。它是能量守恒定律在氣體力學(xué)中的具體應(yīng)用。a、單種氣體的柏努利方程式單種氣體的柏努利方程式是研究在運動過程中氣體本身的能量變化規(guī)律的方程式。 理想氣體的柏勢利方程式由于理想氣體在流動過程中沒有摩擦力， 所以在流動過程中不產(chǎn)生能量損失，此為理想氣體的特點。如圖 1 13 的管道內(nèi)流動著穩(wěn)定流動的理想氣體，則 f 截面處單位體積氣體具有的總能量應(yīng)是該截面處氣體的靜壓、 位壓和動壓之和，即：下面分析氣體由 f 截面流過微小 dl 距離后，氣體總能量的變化情況。根據(jù)能量守恒定律可知： 氣體在流動過程中各個截面的總能量應(yīng)該相等，