冶金爐熱工基礎(chǔ)

冶金爐熱工基礎(chǔ)山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院冶金學(xué)院1

同學(xué)們好！現(xiàn)在我們學(xué)習(xí)氣體力學(xué)原理2第一章氣體力學(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(dāng)它將大部分熱能傳給被加熱的物料以后就從爐內(nèi)排出。如果排出的爐氣溫度較高，還可用廢熱回收裝置再收回部分熱能然后再經(jīng)過排氣裝置排入大氣。3

因此，根據(jù)爐子的生產(chǎn)要求正確地向爐內(nèi)供氣，合理地組織爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)，根據(jù)爐子生產(chǎn)的需要及時(shí)地將爐內(nèi)產(chǎn)生的爐氣排出，是組織好爐子生產(chǎn)的極重要環(huán)節(jié)。

氣體在爐內(nèi)的流動(dòng)，根據(jù)流動(dòng)產(chǎn)生的原因不同，可分為兩種：一種叫自由流動(dòng)，一種叫強(qiáng)制流動(dòng)。

爐內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)爐子的產(chǎn)量、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、爐子壽命、安全操作等方面都有直接影響。4自由流動(dòng)：由于溫度不同所引起各部分氣體密度差而產(chǎn)生的。如室內(nèi)空氣的流動(dòng)。強(qiáng)制流動(dòng)：由于外界的機(jī)械作用而引起的氣體流動(dòng)。如鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)產(chǎn)生的壓力差。

引起自由和強(qiáng)制流動(dòng)的許多原因合在一起，就決定了爐內(nèi)氣體流動(dòng)的性質(zhì)。51.1氣體的主要物理性質(zhì)和氣體平衡方程式1.1.1氣體的主要物理性能

一切物體都是由許多永不停止的作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的微粒——“分子”所組成。分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度密切相關(guān)，因此，稱為分子的熱運(yùn)動(dòng)。

分子間的空隙不同，則分子間的作用力和分子熱運(yùn)動(dòng)的情況不同，各種物體的性質(zhì)也不同。6氣體與液體的共同性：由于液體和氣體具有流動(dòng)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(gè)方向傳遞。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種性質(zhì)——流動(dòng)性。因此，常將液體和氣體稱為流體。7氣體和液體的不同特性：⑴在一般情況下，液體的體積和密度隨溫度和壓力的變化量很小，所以，常認(rèn)為液體是不可壓縮性流體(或稱非彈性流體)；氣體的體積和密度通常隨溫度和壓力的變化較大，所以，常認(rèn)為氣體是可壓縮性流體（或稱彈性流體）。在研究氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)注意：氣體的體積和密度隨溫度和壓力的變化，此為氣體區(qū)別于液體的一個(gè)顯著特性。8⑵液體的密度較大(如每m3水的質(zhì)量為1000千克)，所以液體在流動(dòng)過程中基本不受周圍大氣的影響；氣體的密度較小(如每m3煙氣的質(zhì)量為1.3千克)，而且與空氣的密度相近(每m3空氣的質(zhì)量為1.293千克)，所以氣體在流動(dòng)過程中受周圍大氣的影響。在研究氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)考慮其與大氣的相互關(guān)系，此為氣體區(qū)別于液體的又一個(gè)顯著特性。9

在研究氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)常遇到氣體的溫度、壓力、體積、密度等一些物理參數(shù)，這說明通過這些物理參數(shù)的變化反映了氣體物理性質(zhì)常隨氣體的存在狀態(tài)而變化。因此，要了解氣體的性質(zhì)，必須了解這些參數(shù)的物理意義及其影響因素。10氣體的幾個(gè)個(gè)物理參數(shù)數(shù)：⑴氣體的溫度度氣體的溫度度常用各種種儀表來測(cè)測(cè)量。要測(cè)出氣體體的溫度，，首先必須須確定溫標(biāo)標(biāo)。所謂溫標(biāo)是是指衡量溫溫度高低的的標(biāo)尺，它它規(guī)定了溫溫度的起點(diǎn)點(diǎn)（零點(diǎn)））和測(cè)量溫溫度的單位位。目前國際上上常用的溫溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)和和絕對(duì)溫標(biāo)標(biāo)兩種：11a、攝氏溫標(biāo)標(biāo)：又名百百度溫標(biāo)，，是我國使使用最廣泛泛的一種溫溫標(biāo)。規(guī)定：在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓下（760mmHg），把純水水的冰點(diǎn)定定為零度，沸點(diǎn)點(diǎn)定為100度，在冰點(diǎn)點(diǎn)與沸點(diǎn)之之間等分為為100個(gè)分格，每一一格的刻度度就是攝氏氏溫度1度，用符號(hào)號(hào)t表示，其單單位符號(hào)為為℃。本書都采采取攝氏溫溫度（℃）），作為溫溫度的單位。12b、絕對(duì)溫溫標(biāo)：即熱熱力學(xué)溫標(biāo)標(biāo)，又名開開爾文溫標(biāo)標(biāo)，用符號(hào)號(hào)T表示，單位符符號(hào)為K。。規(guī)定：以氣氣體分子熱熱運(yùn)動(dòng)平均均動(dòng)能超于于零的溫度度為起點(diǎn)，，定為0K，井以水水的三相點(diǎn)點(diǎn)溫度為基基本定點(diǎn)，，定為273.16K，于是1K就是水三三相點(diǎn)熱力力學(xué)溫度的的。13絕對(duì)溫標(biāo)lK與攝氏氏溫標(biāo)l℃℃的間隔是是完全相同同的。在一一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大大氣壓下，，純水冰點(diǎn)點(diǎn)的熱力學(xué)學(xué)溫度為273.15K，它它比水的三三相點(diǎn)熱力力學(xué)溫度低低0.01K，水水的沸點(diǎn)為為373.15K。。絕對(duì)溫標(biāo)與與攝氏溫標(biāo)標(biāo)的關(guān)系：：K＝273.15+tK在不需要精精確計(jì)算的的情況下，，可以近似似地認(rèn)為：：T＝273+tK14氣體在運(yùn)動(dòng)動(dòng)過程中有有溫度變化化時(shí)，氣體體的平均溫溫度常取為為氣體的始端溫度度t1和終端溫度度t2的算術(shù)平均均值，即：：⑵氣體的壓力力a、定義：由于氣體自自身的重力力作用和氣氣體內(nèi)部的的分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)作用，氣體內(nèi)部都都具有一定定的對(duì)外作作用力，這這個(gè)力稱為為氣體的壓力。氣體壓力是是氣體的一一種內(nèi)力，，表示氣體體對(duì)外作用用力大小的的一個(gè)物理理參數(shù)。。15b、壓力的的單位在工程單位位制即米制制中，氣體體的壓力大大小有以下下三種表示示方法：①以單位位面積上所所受的作用用力來表示示，例如：：公斤/cm2(kgf/cm2）或公斤/m2(kgf/m2)。。物理學(xué)上常常把單位面面積上氣體體的對(duì)外作作用力稱為為壓強(qiáng)，工工程上卻常常把壓強(qiáng)簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱為壓力力。冶金爐上所所說的壓力力也是指單單位面積上上氣體的對(duì)對(duì)外作用力力，亦亦即在物理理意義上相相當(dāng)于物理理學(xué)上的壓壓強(qiáng)。16③用大氣壓來來表示：地球表面包包圍著一層層厚達(dá)幾百百公里的大大氣層，大大氣重量對(duì)對(duì)地球表面面上所造成成的壓力稱稱為大氣壓壓力，常用用單位是mmHg。大氣壓力的的數(shù)值隨著著所在地區(qū)區(qū)海拔高度度的升高而而降低，也也就是說，，海拔越高高，空氣越越稀薄，大大氣壓力也也就越低。。在同一地區(qū)區(qū)，大氣壓壓力的數(shù)值值也因季節(jié)節(jié)、晴雨等等氣候變化化而稍有差差異。②用液柱高高度來表示示：例如米米水柱(mH2O)、毫米米水柱(mmH2O)和毫米米汞柱(mmHg)。17國際上規(guī)定定：將緯度度45°海平面上測(cè)測(cè)得的全年年平均大氣氣壓力760mmHg定為一個(gè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓，或者稱稱為物理大大氣壓，它它與其它壓壓力單位的的換算關(guān)系系是：1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓(atm)=760mmHg=1.0332kgf/cm2=10332kgf/m2=10332mmH2O18工程上為了了計(jì)算方便便，規(guī)定1kgf/cm2作為一個(gè)工工程大氣壓壓，簡(jiǎn)稱工工程大氣壓壓(at)，則：1工程大氣壓壓(at)＝1kgf/cm2=10000kgf/m2=10mH2O=10000mmH2O=735.6mmHg由此可得：：lmmH2O=1kgf/m2lmmHg=13.6mmH2O應(yīng)當(dāng)注意:“標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)大氣壓””和“工程程大氣壓””都是壓力力的計(jì)量單單位，不要要與所在地地區(qū)的實(shí)際際大氣壓相相混淆。19a、在高壓壓容器中，，氣體的壓壓力相當(dāng)高高，往往是是幾倍或幾幾十倍于大氣壓的，，因此，對(duì)對(duì)這些設(shè)備備中氣體的的壓力計(jì)量量單位通常常用工程程大大氣氣壓壓表表示示。。b、、通通風(fēng)風(fēng)機(jī)機(jī)的的送送風(fēng)風(fēng)壓壓力力、、風(fēng)風(fēng)道道和和煙煙道道中中氣氣體體的的壓壓力力較較小小，，通通常常用用毫米米水水柱柱表表示示。。在實(shí)實(shí)際際工工程程中中提提到到的的大大氣氣壓壓，，除除了了特特別別注注明明是是物物理理大大氣氣壓壓外，，一一般般都都是是指指工工程程大大氣氣壓壓。。20在國國際際單單位位制制中中，，壓壓力力的的單單位位是是帕帕斯斯卡卡，，簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱稱帕帕，，其其代代號(hào)號(hào)為為Pa。l帕斯斯卡卡是是指指1m2表面面上上作作用用1牛頓頓（（N）的的力力，，即即：：1Pa=lN/m21kPa=1000N/m21MPa=106N/m2米制制與與國國際際單單位位制制壓壓力力換換算算關(guān)關(guān)系系如如下下：：1標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)大大氣氣壓壓=1.0332kgf/cm2=101325Pa1工程程大大氣氣壓壓=l.0kgf/cm2=98060Pa1mH2O=9806.6Pa=9.8066kPa1mmH2O=9.8086Pa≈≈9.81Pa21c、氣氣體體的的壓壓力力與與溫溫度度的的關(guān)關(guān)系系實(shí)驗(yàn)驗(yàn)研研究究指指出出：：當(dāng)當(dāng)一一定定質(zhì)質(zhì)量量的的氣氣體體其其體體積積保保持持不不變變（（即即等等容容過過程程））時(shí)時(shí)，，氣氣體體的的壓壓力力隨隨溫溫度度呈呈直直線線變變化化，，即即:Pt=Po（l+ββt））式中中：：Pt、Po———分分別別為為t℃℃和和0℃℃時(shí)時(shí)氣氣體體的的壓壓力力；；β————體體積積不不變變時(shí)時(shí)氣氣體體的的壓壓力力溫溫度度系系數(shù)數(shù)。。根根據(jù)據(jù)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)定定，，一一切切氣氣體體的的壓壓力力溫溫度度系系數(shù)數(shù)都都近近似似地地等于于:22d、、絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力和和表表壓壓力力氣體體的的壓壓力力有有絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力和和表表壓壓力力兩兩種種表表示示方方法法。。以真真空空為為起起點(diǎn)點(diǎn)所所計(jì)計(jì)算算的的氣氣體體壓壓力力稱稱為為絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力，，用用符符號(hào)號(hào)表示示。。通常常所所說說的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)大大氣氣壓壓（（大大氣氣壓壓力力為為101325Pa））和和實(shí)實(shí)際際大大氣氣壓壓（（該該地地該該時(shí)時(shí)的的實(shí)實(shí)際際大大氣氣壓壓））都都是是指指大大氣氣的的絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力。。23表壓壓力力和和絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力的的關(guān)關(guān)系系為為：：設(shè)備備內(nèi)內(nèi)氣氣體體的的絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力與與設(shè)設(shè)備備外外相相同同高高度度的的實(shí)實(shí)際際大大氣氣壓壓的差差稱稱為為氣氣體體的的表表壓壓力力，，用用符符號(hào)號(hào)表表示示。。24式中中：：———設(shè)設(shè)備備內(nèi)內(nèi)氣氣體體的的絕絕對(duì)對(duì)壓壓力力；；———設(shè)設(shè)備備外外同同高高度度的的實(shí)實(shí)際際大大氣氣壓壓；；———設(shè)設(shè)備備內(nèi)內(nèi)氣氣體體的的表表壓壓力力。。⑴當(dāng)氣氣體體的的表表壓壓為為正正值值時(shí)時(shí)，，稱稱此此氣氣體體的的表表壓壓為為正正壓壓;⑵當(dāng)氣氣體體的的表表壓壓為為負(fù)負(fù)值值時(shí)時(shí)，，稱稱此此氣氣體體的的表表壓壓為為負(fù)負(fù)壓壓，，負(fù)負(fù)壓壓那那部部分分的數(shù)數(shù)值值，，稱稱為為真真空空度度;⑶當(dāng)氣氣體體的的表表壓壓為為零零值值時(shí)時(shí)，，稱稱此此氣氣體體的的表表壓壓為為零零壓壓。。具具有有零零壓壓的的面常常稱稱為為零零壓壓面面。。2526⑶氣氣體體的的體體積積氣體體的的體體積積：：表表示示氣氣體體所所占占據(jù)據(jù)的的空空間間大大小小的的物物理理參參數(shù)數(shù)。。冶冶金金爐爐內(nèi)內(nèi)常常以以每每千千克克質(zhì)質(zhì)量量氣氣體體所所具具有有的的體體積積表表示示氣氣體體體體積積的的大大小小。。氣體體的的比比容容：：每每千千克克氣氣體體具具有有的的體體積積，，用用符符號(hào)號(hào)νν表表示示，，單單位位是是m3/kg。氣體體體體積積隨隨溫溫度度和和壓壓力力的的不不同同有有較較大大的的變變化化，，這這是是氣氣體體區(qū)區(qū)別別于于液液體體的的特特點(diǎn)點(diǎn)之之一一。。27a、、氣氣體體體體積積與與溫溫度度關(guān)關(guān)系系l千千克克質(zhì)質(zhì)量量的的氣氣體體，，在在恒恒壓壓條條件件下下，，其其體體積積與與其其絕絕對(duì)對(duì)溫溫度度成成正正比比，，即即:式中中：：To———0℃℃時(shí)氣氣體體的的絕絕對(duì)對(duì)溫溫度度，，K；Tt———t℃℃時(shí)氣氣體體的的絕絕對(duì)對(duì)溫溫度度，，K；Vo———標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)狀狀態(tài)態(tài)下下1千克克氣氣體體的的體體積積，，m3;Vt———壓力力為為101325Pa溫度度為為t℃℃時(shí)1千克克氣氣體體的的體體積積，，m3。28設(shè)V代代表m千克克質(zhì)量量氣體體的體體積，，上式式兩端端同乘乘以m，則則可得得:當(dāng)壓力力不變變時(shí)，，氣體體的體體積隨隨溫度度升高高而增增大，，隨溫溫度降降低而而減小小。為為了計(jì)計(jì)算方方便，，上式式可寫寫成：：式中常常用符符號(hào)β表示，，稱為為氣體體的溫溫度膨膨脹系系數(shù)。。因此此，上上式可可寫成成m329b、氣氣體體體積與與壓力力的關(guān)關(guān)系l千克克質(zhì)量量的氣氣體，，在恒恒溫條條件下下，其其體積積與其其絕對(duì)對(duì)壓力力成反反比，，即即：式中：：P1、P2、………P———相相同溫溫度下下氣體體的各各絕對(duì)對(duì)壓力力，Pa或或N/m2；v1、v2、………v———各各相應(yīng)應(yīng)壓力力下氣氣體的的比容容，m3/kg。30同理：：對(duì)m千克克質(zhì)量量氣體體可得得:式中:V1、V2、………V———各各相應(yīng)應(yīng)壓力力下m千克克氣體體的體體積，，m3。結(jié)論：：氣體的的體積積或比比容隨隨氣體體壓力力的增增大而而降低低，隨隨氣體體壓力的降降低而而增大大。31c、氣體體的狀狀態(tài)方方程式式表明氣氣體的的溫度度、壓壓力、、體積積的綜綜合關(guān)關(guān)系式式稱為為氣體體的狀狀態(tài)方方程式式。對(duì)于1千克克理想想氣體體的狀狀態(tài)方方程式式為：：式中：：T1、T2、……T———?dú)怏w的的各絕絕對(duì)溫溫度，，K；P1、P2、……P———?dú)怏w的的各絕絕對(duì)壓壓力，，N/m2；v1、v2、……v———?dú)怏w在在各相相應(yīng)溫溫度和和相應(yīng)應(yīng)壓力力下的的比容容，m3/kg；R———?dú)怏w常常數(shù)，，J/kg··K。32氣體常常數(shù)R的單位位：國際單單位制制中，，壓力力的單單位是是Pa[N/m2]，比比容的的單位位是[m3/kg]，，溫度度T的單位位是[K]，功的的單位位是焦焦耳，，用符符號(hào)J表示，，即1J＝1N··m，∴33[例題題1——1]若空氣氣在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)時(shí)時(shí)的比比容為為0.773m3/kg，求空空氣的氣體體常數(shù)數(shù)R為多少少?R的物理理意義義：1千克質(zhì)質(zhì)量的的氣體體在定定壓下下，加加熱升升高l度時(shí)所所做的膨脹脹功。34如果氣氣體的的質(zhì)量量不是是l千克而而是m千克，，則可可得到到適用用于m千克氣氣體的的狀態(tài)態(tài)方程程式：當(dāng)已知知P、V、T三個(gè)參參數(shù)時(shí)時(shí)，可可按下下式計(jì)計(jì)算出出氣體體的質(zhì)質(zhì)量m:35在國際際單位位制中中，1克分子子量叫叫做1摩爾(mo1)，1千克分分子量量叫做做1千摩爾爾（kmo1）。例如氧氧氣（（O2）的分分子量量是32，則32g氧稱為為lmo1，32kg氧稱為為1kmol。實(shí)驗(yàn)證證明：：在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)下下，理理想氣氣體的的每千千摩爾爾體積積或稱稱千克克分子體體積都都等于于22.4標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)m3，如如以M表示示氣體體的分分子量kg/kmo1，即即：Mvo=22.4m3/kmo136對(duì)于1kmo1的氣氣體，，可以以寫出出它的的狀態(tài)態(tài)方程程式，，即在在氣體體狀狀態(tài)方方程式式各項(xiàng)項(xiàng)分別別乘以以M:將標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)狀態(tài)態(tài)下的的壓力力、溫溫度和和摩爾爾體積積數(shù)值值代入入上式式中，，得：：MR稱為通通用氣氣體常常數(shù)（（或摩摩爾氣氣體常常數(shù)）），對(duì)對(duì)于所所有理理想氣氣體，，其數(shù)數(shù)值都都等于于8314。37[例題1—2]某壓縮縮空氣氣貯氣氣罐，，壓力力表讀讀數(shù)為為7氣壓(at)，溫度度計(jì)讀數(shù)為為25℃℃，貯氣氣罐的的體積積為3m3，當(dāng)?shù)氐卮髿鈿鈮毫αθ閘氣壓(at)，試求求罐內(nèi)內(nèi)空氣氣的重重量。。解：壓壓縮空空氣的的質(zhì)量量為：：則罐內(nèi)內(nèi)空氣氣的重重量為為：38[例題1—3]某封閉閉容器器內(nèi)貯貯有壓壓縮空空氣，，用壓壓力表表測(cè)得：當(dāng)當(dāng)大氣氣壓為為745mmHg時(shí)，壓壓力表表上讀數(shù)為為2氣壓(at)；若大大氣壓壓改改變?yōu)闉?70mmHg時(shí)，壓壓力表表上讀讀數(shù)數(shù)為多多少？？39解：由由于大大氣壓壓力改改變時(shí)時(shí)，容容器內(nèi)內(nèi)壓縮縮空氣氣的狀狀態(tài)沒沒有發(fā)發(fā)生變變化，，即容容器內(nèi)內(nèi)空氣氣的絕絕對(duì)壓壓力P絕是個(gè)常常數(shù)，，僅僅僅是由由于P大氣不同而而使壓壓力表表上的的讀數(shù)數(shù)發(fā)生生變化化?，F(xiàn)現(xiàn)將P表1和P表2表示壓壓力表表示值值在在變化化前后后的讀讀數(shù)，，則：：40[例題1—4]在一煤煤氣表表上讀讀得煤煤氣的的消耗耗量是是683.7m3。在使使用期間煤煤氣表表的平平均表表壓力力是44mmH2O，其溫溫度平平均為17℃℃。大氣氣壓力力平均均為100249Pa。求：：(1)相當(dāng)當(dāng)于消消耗了了多少少標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)m3的煤氣氣？(2)如煤煤氣壓壓力降降低至至30mmH2O，問問此時(shí)時(shí)同一一煤氣氣耗用用量的的讀數(shù)數(shù)相當(dāng)當(dāng)于多多少標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)m3？(3)煤氣氣溫度度變化化時(shí)，，對(duì)煤煤氣流流量的的測(cè)量量有何何影響響？試試以溫溫度變變化30℃為為例加加以說說明？？41解：已已知V1=683.7m3，P表1=44mmH2O，T1=17+273=290K，P大氣=100249Pa(1)(2)已知P表1=30mmH2O，T1=290K42(3)已知P表1=44mmH2O，T1=273+30=303K43(4)氣體體的密度單位體積氣體體具有的質(zhì)量量稱為氣體的的密度，用符符號(hào)ρ表示，單位是是kg/m3。氣體密度是表表示氣體輕重重程度的物理理參數(shù)。當(dāng)氣體的質(zhì)量量為mkg，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)態(tài)下的體積為為Vom3時(shí)，則氣體在在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下下的密度ρo為：44比容與密度互互為倒數(shù)，即即：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的氣氣體所占有的的體積稱為氣氣體的比容，，用符號(hào)ν表表示，單位是是m3/kg。45冶金生產(chǎn)中常常見的氣體（（如煤氣、爐爐氣等）都是是由幾種簡(jiǎn)單單氣體組成的的混合氣體。?；旌蠚怏w在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的的密度可用下下式計(jì)算：式中：ρ1、ρ2、……ρn——各組成物物在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下下的密度，Kg/m3;a1、a2、……an——各組成物物在混合氣體體中的百分?jǐn)?shù)，%。46[例題1—6]某煤氣的成分分為：CO=27.4%；CO2=10%，H2＝3.2%，N2=59.4%。試求此煤氣氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)態(tài)下的密度？解：由表1—2中查得各組成成物在標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)下的密度度為：ρCO=l.251kg/m3，ρCO2=l.997kg/m3，ρH2=0.0899kg/m3，ρN2=l.251kg/m3。此煤氣在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的的密度為：47a、氣體密度度隨溫度的變變化前已指出：氣氣體的密度隨隨其溫度和壓壓力的不同而而有較大的變變化，此為氣體區(qū)別于于液體的特性性之一。下面分析這種種變化。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓時(shí)，氣體在在t℃下的質(zhì)量和體體積分別為m和Vt時(shí)，則在t℃下氣體的密度度為：注意：此式也也可用于低壓壓氣體。48對(duì)一定ρo的氣體而言，，其密度ρt隨著本身溫度度t的升高而降低低。各種熱氣氣體的密度都都小于常溫下下大氣的密度度，亦即設(shè)備備內(nèi)的熱氣體體都輕于設(shè)備備外的大氣。。此為設(shè)備內(nèi)內(nèi)熱氣體的一一個(gè)重要特點(diǎn)點(diǎn)。此特點(diǎn)對(duì)對(duì)研究氣體基基本方程有重重要作用。b、氣體密度度隨壓力的變變化在恒溫條件下下的氣體密度度與氣體絕對(duì)對(duì)壓力的關(guān)系系式：49式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相應(yīng)壓力力下的氣體密密度，kg/m3結(jié)論：氣體密密度隨氣體絕絕對(duì)壓力的增增加而增大，，隨絕對(duì)壓力的降低低而減小。c、氣體密度度隨氣體溫度度和壓力的變變化氣體密度隨溫溫度和壓力的的變化關(guān)系式式為：式中：ρ1、ρ2、……ρ———在各相應(yīng)壓壓力和各相應(yīng)應(yīng)溫度下的氣氣體密度，kg/m3。50結(jié)論：氣體密密度隨氣體溫溫度和氣體壓壓力的不同都都發(fā)生變化。氣體密度隨氣氣體壓力而變變化的特性稱稱為氣體的可可壓縮性。氣體都具有可可壓縮性，此此為氣體的特特性之一。應(yīng)當(dāng)指出：冶冶金爐上的低低壓氣體在流流動(dòng)過程中的的壓力變化一一般不超過9810Pa，在在此壓力變化化下的密度變變化不超過10%。。51工程上常認(rèn)為為冶金爐上的的低壓氣體屬屬于不可壓縮縮性氣體。對(duì)對(duì)被認(rèn)為是不不可壓縮性氣氣體的低壓氣氣體而言，氣氣體密度不隨隨壓力而變，，氣體密度只只隨溫度而變變化。但是冶金爐上上的高壓氣體體在流動(dòng)過程程中的壓力變變化常超過9810Pa，在此壓力變變化下的密度度變化較大，，因此，這些些氣體仍屬于于可壓縮性氣氣體。對(duì)于可可壓縮性氣體體而言，氣體體密度同時(shí)隨隨氣體溫度和和氣體壓力按按下式的關(guān)系系而變化。52[例題1—6]某氣罐內(nèi)壓縮縮空氣的表壓壓為7大氣壓（at），實(shí)際溫度度為80℃。當(dāng)實(shí)際大氣氣壓為1大氣壓（at）時(shí)，此壓縮縮空氣的實(shí)際密度度為多少？解：壓縮空氣氣的絕對(duì)壓力力：P絕＝P表+P大氣=7+1=8at=784800Pa絕對(duì)溫度:T=273+t=273+30=303K壓縮空氣在實(shí)實(shí)際溫度和實(shí)實(shí)際壓力下的的密度為:53單位體積氣體體具有的重量量稱為氣體的的重度，用符符號(hào)表示，單單位是N/m3。它是表示氣氣體輕重程度度的物理參數(shù)數(shù)。當(dāng)氣體重量為為G牛頓，在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)狀態(tài)下的體體積為Vom3，則此氣體在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的的重度γo為：(5)氣體體的重度54當(dāng)重力加速度度g＝9.8m/s時(shí)，氣體的重重量G(N)與氣體的質(zhì)量量m(kg/m3)間存在如下下的關(guān)系：G=mgN氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)下密度和和重度的關(guān)系系為：551.1.2阿阿基米德德原理對(duì)固體和液體體而言，阿基基米德原理的的內(nèi)容可表達(dá)達(dá)如下：固體體在液體中所所受的浮力，，等于所排開開同體積該液液體的重量。。此原理同樣亦亦適用于氣體體。56熱氣在空氣中中的重力應(yīng)為為：G氣-G空同體積空氣的的重量為：G氣=Hfgρ設(shè)有一個(gè)倒置置的容器，如如圖1—3所示，高為H，截面積為f，容器內(nèi)盛滿滿熱氣(密度度為ρ)，四周皆為冷冷空氣(密度度為ρ′)，熱氣的重重量為：57若上式之兩邊邊各除以f，則單位面積積上的氣柱所所具有的上升升力可寫成下下面的形式：：上式說明：?jiǎn)螁挝幻娣e上氣氣柱所具有的的上升力決定定于氣柱之高高度和冷、熱氣體體的密度差。。∵ρ小于ρ′，∴熱氣在空氣氣中的重力必必是負(fù)值，也就是說熱氣氣在冷氣中實(shí)實(shí)際上具有一一種上升力。。581.1.3氣氣體平衡方方程式氣體平衡方程程式是研究靜靜止氣體的壓壓力變化規(guī)律律的方程式。。自然界內(nèi)不存存在絕對(duì)靜止止的氣體。但但是可認(rèn)為某某些氣體（如如大氣、煤氣氣罐內(nèi)的煤氣氣、爐內(nèi)非流流動(dòng)方向上的的氣體等）是是處于相對(duì)靜靜止?fàn)顟B(tài)。下面分析相對(duì)對(duì)靜止氣體的的壓力變化規(guī)規(guī)律。59l、氣體絕對(duì)對(duì)壓力的變化化規(guī)律如圖1—4所示，在靜止止的大氣中取取一個(gè)底面積積為f平方米、高度度為H米的長方體氣氣柱。如果氣氣體處于靜止止?fàn)顟B(tài)，則此此氣柱的水平平方向和垂直直方向的力都都應(yīng)該分別處處于平衡狀態(tài)態(tài)。60在水平方向上上，氣柱只受受到其外部大大氣的壓力作作用，氣柱在在同一水平面面上受到的是是大小相等，，方向相反的的壓力。這些些互相抵消的的壓力使氣柱柱在水平方向向上保持力的的平衡而處于于靜止?fàn)顟B(tài)。。在垂直方向上上，氣柱受到到三個(gè)力的作作用：（1）向上的I面處大氣的總總壓力P1f，N；（2）向下的Ⅱ面處大氣的總總壓力P2f，N；（3）向下的氣柱柱總重量G=Hfgρρ，N。61氣體靜止時(shí)，，這些力應(yīng)保保持平衡，即即：P1f=P2f+Hfgρ當(dāng)f=lm2時(shí)，則得：P1=P2+Hgρ(1)注：(1)式式為氣體絕對(duì)對(duì)壓力變化規(guī)規(guī)律的氣體平平衡方程式。。式中：P1——?dú)怏w下部部的絕對(duì)壓力力，Pa；P2——?dú)怏w上部部的絕對(duì)壓力力，Pa；H——P1面和P2面間的高度差差，m；ρ——?dú)怏w的的密度，kg/m3；g——重力加加速度，9.81m/s2。62上式說明：靜靜止氣體沿高高度方向上絕絕對(duì)壓力的變變化規(guī)律是下下部氣體的絕對(duì)壓壓力大于上部部氣體的絕對(duì)對(duì)壓力，上下下兩點(diǎn)間的絕對(duì)壓力力差等于此兩兩點(diǎn)間的高度度差乘以氣體體在實(shí)際狀態(tài)下的平平均密度與重重力加速度之之積。不僅適用于大大氣，而且適適用于任何靜靜止氣體或液液體。氣體平衡方程程式適用范圍圍：63[例題1—7]某地平面為標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。。當(dāng)該處平均均氣溫為20℃，大氣密度均勻勻一致時(shí)，距距地平面100m的空中中的實(shí)際大氣壓為多少少？解：可認(rèn)為大大氣為不可壓壓縮性氣體時(shí)時(shí)，則大氣的的實(shí)際密度為為：則100米處的實(shí)際大大氣壓為：P2=P1—Hgρ=101325－100×9.81×1.21=100138Pa計(jì)算表明：空空中的大氣壓壓低于地面的的大氣壓，高高山頂上的氣氣壓低即為此道理理。642、氣體表表壓力的變化化規(guī)律下面分析靜止止氣體內(nèi)表壓壓力沿高度方方向上的變化化關(guān)系。如圖1—5所示：爐內(nèi)是實(shí)際密密度為ρ的靜止?fàn)t氣，，爐外是實(shí)際際密度為ρ′的大氣。爐氣在各面處處的絕對(duì)壓力力分別為P1、P2和Po，表壓力分別別為P表1、P表2和P表o。65爐氣在I面和Ⅱ面處的表壓力力分別為：則I面與ⅡⅡ面的表壓差差應(yīng)為：I面和Ⅱ面處處大氣的絕對(duì)對(duì)壓力差為：：I面和Ⅱ面處處爐氣的絕對(duì)對(duì)壓力差為：P2—P1=—Hgρ66經(jīng)過綜合計(jì)算算，則得：或式中：P表2——上部爐氣的表表壓力，Pa；P表1——下部爐氣的表表壓力，Pa；ρ′———大氣的的實(shí)際際密度度，kg/rn3；H———兩點(diǎn)間間的高高度差差，m。上式是是氣體體平衡衡方程程式的的又一一種形形式。。此式適適用于于任何何與大大氣同同時(shí)存存在的的靜止止氣體體。67氣體平平衡方方程式式表明明：當(dāng)當(dāng)氣體體密度度ρ小于大大氣密密度ρ′（熱氣氣體皆如此此）時(shí)時(shí)，靜靜止氣氣體沿沿高度度方向向上，，表壓力的的變化化是上上部氣氣體的的表壓壓力大大于下下部氣體的的表壓壓力，，上下下兩點(diǎn)點(diǎn)間的的表壓壓差等等于此兩兩點(diǎn)間間的高高度差差乘以以大氣氣與氣氣體的的實(shí)際密密度度差與與重力力加速速度之之積。。此兩點(diǎn)點(diǎn)間的的表壓壓差等等于氣氣柱的的上升升力。由圖1—5看出：：如果果爐門門中心心線的的0面處的的爐氣氣表壓壓力為為零（（生產(chǎn)中常常這樣樣控制制），，則I面和Ⅱ面的表表壓力力分別別為：68如果爐爐內(nèi)是是高溫溫的熱熱氣體體，其其實(shí)際際密度度ρ小于大大氣密密度ρ′，則由由上式式不難難看出出：⑴零壓壓面以以上各各點(diǎn)的的表壓壓力P表2為正壓壓，當(dāng)當(dāng)該點(diǎn)點(diǎn)有孔孔洞時(shí)，會(huì)會(huì)發(fā)生生爐氣氣向大大氣中中的溢溢氣現(xiàn)現(xiàn)象；；⑵零壓壓面以以下各各點(diǎn)的的表壓壓力P表1為負(fù)壓壓，當(dāng)當(dāng)該點(diǎn)點(diǎn)有孔孔洞存在時(shí)時(shí)，會(huì)會(huì)發(fā)生生將大大氣吸吸入的的吸氣氣現(xiàn)象象。這個(gè)規(guī)規(guī)律存存在于于任何何與大大氣同同時(shí)存存在的的密度度小于于大氣氣的靜靜止氣氣體中中。爐墻的的縫隙隙處經(jīng)經(jīng)常向向外冒冒火，，煙道道和煙煙囪的的縫隙隙處經(jīng)經(jīng)常吸吸入冷冷風(fēng)就就是這這個(gè)規(guī)規(guī)律的的具體體表現(xiàn)現(xiàn)。69[例題題1—8]某加熱熱爐爐爐氣溫溫度為為1300℃℃，由燃燒燒計(jì)算算得知知該爐爐氣在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)下下的密密度為為ρo=1.3kg/m3。車間間溫度為15℃℃。零壓壓線在在爐底底水平平面上上。求求爐底底以上上1米高度處處的的爐膛膛壓力力（指指表壓壓ΔP值）是是多少少？解：爐爐氣密密度：空氣密密度：把基準(zhǔn)準(zhǔn)面取取在爐爐底水水平面面上，，則1米高度度處的的爐膛膛壓力力為：：701.2氣氣體流流動(dòng)的的動(dòng)力力學(xué)1.2.1流體流流動(dòng)的的狀態(tài)態(tài)l、氣氣體的的粘性性在氣體體運(yùn)動(dòng)動(dòng)過程程中，，由于于其內(nèi)內(nèi)部質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間間的運(yùn)運(yùn)動(dòng)速速度不不同，，會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生摩摩擦力力。例如，，當(dāng)氣氣體在在管道道中流流動(dòng)時(shí)時(shí)，一一方面面氣體體與管管壁之之間發(fā)發(fā)生摩摩擦（（此種種摩擦擦稱為為外摩摩擦））。另另一方方面，，由于于氣體體分子子間的的距離離大，，相互互吸引引力小小，緊緊貼管管壁的的氣體體質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)因其其與管管壁的的附著著力大大于氣氣體分分子間間的相相互吸吸引力力，其其運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度度小。。而離離管壁壁愈遠(yuǎn)遠(yuǎn)，則則運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度度愈大大，這這樣就就引起起管內(nèi)內(nèi)各層層氣流流間的的速度度不同同，就就為氣氣體內(nèi)內(nèi)部產(chǎn)產(chǎn)生內(nèi)內(nèi)摩擦擦力提提供了了先決決條件件。71氣體內(nèi)內(nèi)摩擦擦力的的產(chǎn)生生，是是由于于氣體體分子子間的的距離離大，，相互互吸力力小的的原因因，導(dǎo)導(dǎo)致分分子熱熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)較顯顯著。。當(dāng)各各層氣氣流間間的速速度不不同時(shí)時(shí)，氣氣體分分子會(huì)會(huì)由一一層跑跑到另另一層層，流流速較較快的的氣體體分子子會(huì)進(jìn)進(jìn)入流流速較較慢的的氣層層，流流速較較慢的的氣體體分子子也會(huì)會(huì)進(jìn)入入流速速較快快的氣氣層。。這樣樣，流流速不不同的的相鄰鄰氣層層間就就會(huì)發(fā)發(fā)生能能量（（動(dòng)量量）交交換，，較快快的一一層將將顯示示一種種力帶帶動(dòng)較較慢的的一層層向前前移動(dòng)動(dòng)，較較慢的的一層層則顯顯示出出一個(gè)個(gè)大小小相等等方向向相反反的力力阻止止較快快的一一層前前進(jìn)。。體現(xiàn)在在氣體體流動(dòng)動(dòng)時(shí)使使兩相相鄰氣氣層的的流速速趨向向一致致，且且大小小相等等方向向相反反的力力，稱稱為內(nèi)內(nèi)摩擦擦力或或粘性性力。。氣體作相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生內(nèi)摩擦擦力的這種種性質(zhì)稱為為氣體的內(nèi)內(nèi)摩擦或粘粘性。72氣層間的分分子引力也也能阻止氣氣層作相對(duì)對(duì)移動(dòng)，只只是由于氣氣體分子間間的相互吸吸引力小，，這種作用用不顯著。。因此，對(duì)氣氣體來說，，分子熱運(yùn)運(yùn)動(dòng)所引起起的分子摻摻混是氣體體粘性產(chǎn)生生的主要根根據(jù)；液體體分子間距距離小，分分子引力大大，粘性力力主要由分分子引力所所產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：：氣體的粘粘性力F粘正比于相鄰鄰兩層氣體體之間的接接觸面積f以及垂直于于粘性力方方向的速度度梯度(如圖1—6所示）。寫寫成等式得得到：73式中：F粘——粘性力，N；μ——粘性系數(shù)或或粘度，由由上式可導(dǎo)導(dǎo)出粘度的的單位為：因?yàn)棣叹哂袆?dòng)力學(xué)學(xué)的量綱，，故又稱為為動(dòng)力粘度度。2.理想想流體與實(shí)實(shí)際流體設(shè)粘性為零零的流體叫叫理想流體體。實(shí)際上流體體或多或少少都具有一一定的粘性性，這種有有粘性的流流體叫做實(shí)實(shí)際流體。。分析流體運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，假假設(shè)流體沒沒有粘性，，把它看成成理想流體體來處理。。743.穩(wěn)定定流動(dòng)和不不穩(wěn)定流動(dòng)動(dòng)所謂穩(wěn)定流流動(dòng)指的是是流體中任任意一點(diǎn)上上的物理量量不隨時(shí)間間改變的流流動(dòng)過程。。若用數(shù)學(xué)學(xué)語言表示示為：式中：u——流體體的某一物物理量；τ——時(shí)間。若，，即隨時(shí)間間變化，則則稱為不穩(wěn)穩(wěn)定流動(dòng)。。在氣體力學(xué)學(xué)中，主要要討論氣體體在穩(wěn)定流流動(dòng)條件下下的運(yùn)動(dòng)。。754.管內(nèi)內(nèi)流型及雷雷諾數(shù)由實(shí)驗(yàn)可知知：氣體在在流動(dòng)時(shí)有有兩種截然然不同的流流動(dòng)情況，，即層流和和紊流。A、層流當(dāng)氣體流速速較小時(shí)，，各氣體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)平行流流動(dòng)，此種種流動(dòng)稱為為層流。76由于氣體在在管道中流流動(dòng)時(shí)，管管壁表面對(duì)對(duì)氣體有吸吸附和摩擦擦作用，管管壁上總附附有一層薄薄的氣體，，此種氣體體稱為邊界界層。當(dāng)管管內(nèi)氣體為為層流時(shí)，，此邊界層層氣體不流流動(dòng)，它對(duì)對(duì)管內(nèi)氣體體產(chǎn)生阻礙礙作用，距距離邊界層層越近，這這種阻礙作作用越大。。對(duì)層流來來說，由于于氣體質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)沒有徑向向的運(yùn)動(dòng)，，這種阻礙礙作用越顯顯著。因此此，在層流流情況下管管道內(nèi)氣流流速度是按按拋物線分分布的。其特點(diǎn)如下下：77B、紊流當(dāng)氣流速度度較大時(shí)，，各氣流質(zhì)質(zhì)點(diǎn)不僅沿沿著氣流前前進(jìn)方向流流動(dòng)，而且且在各個(gè)方方向作無規(guī)規(guī)則的雜亂亂曲線運(yùn)動(dòng)動(dòng)，通常稱稱為紊流。。在紊流情情況下主流流內(nèi)形成許許多細(xì)小的的旋渦，故故又稱渦流流。由于紊流時(shí)時(shí)，氣體質(zhì)質(zhì)點(diǎn)有橫向向流動(dòng)，邊邊界層不再再是靜止?fàn)顮顟B(tài)，而是是層流狀態(tài)態(tài)，對(duì)中心心氣流速度度的影響也也較小，因因此，管內(nèi)內(nèi)的氣流速速度分布較較均勻。78C、流型的的判別和雷雷諾數(shù)的意意義紊流的形成成與下列因因素有關(guān)：：氣流速度(ωt)：ωt越大，越易易形成紊流流；氣體密度(ρt)：ρt愈大，氣體體質(zhì)點(diǎn)橫向向運(yùn)動(dòng)的慣慣性愈大，，愈易形成紊紊流；(3)管道道直徑(d)：d愈愈大，管壁壁對(duì)中心氣氣流的摩擦擦作用愈小小，愈易形成紊流；；(4)氣體粘性(μt)：μt愈小，產(chǎn)生生的內(nèi)摩擦擦力愈小，，愈易形成成紊流。79氣體在管道道內(nèi)的流動(dòng)動(dòng)情況決定定于下列數(shù)數(shù)值：或式中：Re——雷雷諾準(zhǔn)數(shù)(簡(jiǎn)稱雷諾數(shù)數(shù))，無因次；；ωt——?dú)怏w溫溫度為t℃℃時(shí)流過橫橫截面的平平均速度，，m/s；；ρt——?dú)怏w溫溫度為t℃℃時(shí)的密度度，kg/m3；μt——?dú)怏w溫溫度為t℃℃時(shí)的粘度度系數(shù)，Ns/m2;80νt——?dú)怏w溫溫度為t℃時(shí)的動(dòng)粘度度系數(shù)，m2/s；d當(dāng)——當(dāng)量直徑，，m。對(duì)于圓形形管道，d當(dāng)即管道直徑徑；當(dāng)管道不是圓圓形時(shí)，當(dāng)當(dāng)量直徑的的求法為：：實(shí)驗(yàn)證明：：當(dāng)氣體在在光滑管道道中流動(dòng)時(shí)時(shí)，Re<2300時(shí)為層流；Re>10000時(shí)為紊流；；2300<Re<10000時(shí)為過渡區(qū)區(qū)。81在冶金生產(chǎn)產(chǎn)中實(shí)際遇遇到的氣體體流動(dòng)絕大大多數(shù)是紊紊流，層流流只在很少少的情況下下才能遇到到。Re=2300為氣氣體在光滑滑直管道中中流動(dòng)時(shí)由由層流向紊紊流轉(zhuǎn)化的的綜合條件件。這種由由層流向紊紊流轉(zhuǎn)化時(shí)時(shí)的雷諾數(shù)數(shù)稱臨界雷雷諾數(shù)，常常用Re臨表示。Re臨就是判斷氣氣體流動(dòng)狀狀態(tài)的標(biāo)志志。在過渡區(qū)內(nèi)內(nèi)，可能呈呈現(xiàn)層流，，但更可能能呈現(xiàn)紊流流。82D、邊界層層概念邊界層又稱稱附面層，，它指的是是流動(dòng)著的的粘性氣體體(或液體)與固體表面面接觸時(shí)，，由于流層層與壁面的的摩擦作用用便在固體體表面附近近形成速度度變化的區(qū)區(qū)域。圖1—8氣氣體流經(jīng)經(jīng)平板時(shí)層層流性和紊紊流性邊界界層的形成成圖及速度度分布83氣體的原有有流速為ωo。當(dāng)氣體與與和氣流平平行的固體體表面相遇遇時(shí)，就在在固體表面面附近形成成速度變化化的區(qū)域，，這種帶有有速度變化化區(qū)域的流流層稱為邊邊界層。從從圖1—8可以看到：：當(dāng)氣體剛剛剛接觸到固固體表面前前沿時(shí)，邊邊界層厚度度δ界=0；沿著氣流流方向前進(jìn)進(jìn)，邊界層層的厚度逐逐漸增加并并具有層流流特性，稱稱這種具有有層流性質(zhì)質(zhì)的邊界層層為層流邊邊界層。它它的徑向速速度分布完完全符合合拋物線線規(guī)律。84(2)當(dāng)氣氣流流過一一定距離后后，邊界層層內(nèi)氣體流流動(dòng)的性質(zhì)質(zhì)開始向紊紊流轉(zhuǎn)變并并逐漸成為為紊流邊界界層。(3)從從圖中可以以看到：在在紊流邊界界層內(nèi)靠近近固體壁面面邊沿處仍仍有薄薄的氣體體流層保持持著層流狀狀態(tài),，我們稱之之為層流底底層(層流內(nèi)層)，把由層流流邊界層開開始轉(zhuǎn)變?yōu)闉槲闪鬟吔缃鐚拥牟课晃坏狡桨迨级说木嚯x離稱為臨界界距離，用用X臨表示。實(shí)驗(yàn)指出：：氣體的原原有速度ωo愈大，則臨臨界距離X臨愈小。對(duì)于于不同的氣氣體由層流流邊界層向向紊流邊界界層過渡取取決于X臨所對(duì)應(yīng)得雷雷諾數(shù)。85一般情況下下可以認(rèn)為為Rex大于500000以后后，，層層流流邊邊界界層層才才開開始始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變?yōu)闉槲晌闪髁鬟呥吔缃鐚訉印！?4)由由圖圖還可可以以看出出：：紊紊流流邊邊界界層層厚厚度度δ紊=δδ渦+δδ層，并并且且只只有有當(dāng)當(dāng)X大于于X臨時(shí)才才能能形形成成紊紊流流邊邊界界層層。。流體體在在進(jìn)進(jìn)入入管管道道后后便便開開始始于于管管壁壁處處形形成成邊邊界界層層，，隨隨著著流流動(dòng)動(dòng)的的進(jìn)進(jìn)程程，，邊邊界界層層逐逐漸漸加加厚厚，，經(jīng)經(jīng)過過一一定定距距離離后后由由于于厚厚度度的的增增加加邊邊界界層層將將由由周周圍圍淹淹沒沒到到管管道道的的軸軸線線，，這這時(shí)時(shí)邊邊界界層層就就充充滿滿了了整整個(gè)個(gè)管管道道，，如如圖圖1——9所示示。。8687在邊邊界界層層沒沒有有淹淹沒沒管管道道軸軸線線以以前前，，由由于于附附面面層層厚厚度度沿沿流流動(dòng)動(dòng)方方向向的的增增加加，，故故截截面面上上的的速速度度分分布布是是沿沿流流向向而而變變化化的的，，在在附附面面層層淹淹沒沒管管道道軸軸線線之之后后，，即即當(dāng)當(dāng)X>Le時(shí)，，管管道道中中的的速速度度分分布布就就穩(wěn)穩(wěn)定定下下來來了了。。所所以以又又把把X臨=Le稱做做穩(wěn)穩(wěn)定定段段(或叫叫固固定定段段)。對(duì)對(duì)氣氣體體在在管管道道中中的的流流動(dòng)動(dòng)狀狀態(tài)態(tài)可可以以這這樣樣來來理理解解：：如如果果在在附附面面層層淹淹沒沒到到管管道道軸軸線線之之前前，，附附面面層層為為層層流流附附面面層層，，則則淹淹沒沒以以后后管管道道中中的的流流體體將將繼繼續(xù)續(xù)保保持持層層流流狀狀態(tài)態(tài)的的性性質(zhì)質(zhì)，，如如圖圖1——9所示示；；如如果果附附面面層層在在淹淹沒沒到到管管道道軸軸線線以以前前就就已已變變成成紊紊流流附附面面層層，，則則管管內(nèi)內(nèi)后后段段流流體體的的流流動(dòng)動(dòng)性性質(zhì)質(zhì)將將是是紊紊流流狀狀態(tài)態(tài)的的了了。。如如圖圖1—10所示。881.2.2運(yùn)動(dòng)氣體體的連續(xù)續(xù)方程式式氣體連續(xù)續(xù)方程式式是研究究運(yùn)動(dòng)氣氣體在運(yùn)運(yùn)動(dòng)過程程中流量量間關(guān)系系的方程程式。運(yùn)動(dòng)氣體體的主要要物理參參數(shù)：1、流速速和流量量A、流速速單位時(shí)間間內(nèi)氣體體流動(dòng)的的距離稱稱為氣體體的流速速，用符符號(hào)ω表示，單單位是m/s。流速是表表示氣體體流動(dòng)快快慢的物物理參數(shù)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)態(tài)下氣體體的流速速用ωo表示，單單位仍是是m/s。89式中：ωo——標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)狀態(tài)下下氣體的的流速,，m/s；t——?dú)鈿怏w的溫溫度,℃;ωt——10l325Pa，t℃時(shí)氣體的的流速，，m/s；β——?dú)鈿怏w溫度度膨脹系系數(shù)。B、流量量單位時(shí)間間內(nèi)氣體體流過某某截面的的數(shù)量稱稱為流量量。流量是表表示氣體體流動(dòng)數(shù)數(shù)量多少少的物理理參數(shù)。。流速也隨隨氣體的的壓力和和溫度而而變。恒恒壓下，，流速隨隨溫度的的變化關(guān)關(guān)系為：：90a、體積積流量單位時(shí)間間內(nèi)氣體體流過某某截面的的體積稱稱為體積積流量，，用符號(hào)號(hào)V表示示，單位位為m3/s、m3/min或m3/h。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)態(tài)下氣體體的體積積流量用用Vo表示。當(dāng)當(dāng)氣體的的流動(dòng)截截面為fm2，氣體在在標(biāo)準(zhǔn)狀狀態(tài)下的的流速為為ωom/s時(shí)時(shí)，則氣氣體在標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)態(tài)下的體體積流量量為：Vo=ωofm3/s由式中看看出：當(dāng)當(dāng)生產(chǎn)要要求的體體積流量量Vo和選取的的經(jīng)驗(yàn)流流速ωo已知時(shí)，，可根據(jù)據(jù)公式確確定氣體體運(yùn)動(dòng)設(shè)設(shè)備的流流動(dòng)截面f值，從而而確定設(shè)設(shè)備的流流動(dòng)直徑徑D值。91恒壓時(shí)體體積流量量隨溫度度的變化化關(guān)系為為：或或b、質(zhì)量量流量單位時(shí)間間內(nèi)氣體體流過某某截面的的質(zhì)量稱稱為質(zhì)量量流量，，用符號(hào)號(hào)M表示，單單位是kg/s或kg/h。92質(zhì)量等于于體積乘乘以密度度，因此此可得：：Kg/s——適用用于標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)狀態(tài)下下的氣體體。或kg/s——適用用于任意意狀態(tài)下下的氣體體。式中：M——?dú)鈿怏w的質(zhì)質(zhì)量，kg/s；f——?dú)鈿怏w的流流動(dòng)截面面，m2；ωo、ρo和Vo——標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)狀態(tài)下下氣體的的流速(m/s)、密密度(kg/m3)和體積流量量(m3/s)；；ω、ρ和V——任意狀態(tài)態(tài)下氣體體的流速速(m/s)、、密度(kg/m3)和體積積流量(m3/s)。。應(yīng)當(dāng)指出出：氣體體的質(zhì)量量流量是是不隨其其溫度和和壓力變變化的。。932、連續(xù)續(xù)方程式式當(dāng)氣體在在管道中中連續(xù)(即氣體充充滿管道道，管道道不吸氣氣亦不漏漏氣)而穩(wěn)定流流動(dòng)時(shí)，，氣體流流過管道道各截面面的質(zhì)量量必相等等。如圖1—11中，氣體體在管道道內(nèi)由截截面Ⅰ向截面Ⅱ做穩(wěn)定流流動(dòng)，根根據(jù)上述述推論，，則此兩兩截面上上的質(zhì)量量流量應(yīng)應(yīng)當(dāng)相等等，即：：M1=M2或V1ρ1=V2ρ294式中：M1和M2——I面面和Ⅱ面的質(zhì)量量流量，，kg/s；ρ1和p2——任意狀態(tài)下下I面和Ⅱ面處的氣體體密度，kg/m3；ω1和ω2——任意狀狀態(tài)下I面面和Ⅱ面處處的氣體流流速，m/s；f1和f2——I面和和Ⅱ面處流體的的截面積，，m2。如果不僅是是穩(wěn)定流動(dòng)動(dòng)，而且氣氣體在流動(dòng)動(dòng)過程中的的密度保持持不變，即即ρ1=p2，則：V1=V295式中：V1和V2——流動(dòng)時(shí)時(shí)，密度不不變的I面面和Ⅱ面處處的體積流流量，m3/s；ω1和ω2——流動(dòng)時(shí)時(shí)，密度不不變的I面面和Ⅱ面處處的氣體流流速，m/s；f1和f2——1面和和Ⅱ面處流體的的截面積，，m2。[例題1—9]已知某爐子子煤氣消耗耗量為7200標(biāo)米3/小時(shí)，燃燃燒產(chǎn)物量量為2.9標(biāo)米3/標(biāo)米3煤氣，廢氣氣流經(jīng)煙道道時(shí)的溫度度為450℃，煙道道截面積已已知是1.2米2。求廢氣在在煙道中的的流速為多多少?96廢氣在煙道道中的流速速：在t=450℃時(shí)時(shí)廢氣的體體積流量:解:每秒的廢氣氣流量：971.2.3氣體的能量量如圖1—13的管道道內(nèi)流動(dòng)著著穩(wěn)定流動(dòng)動(dòng)的氣體，，在此管道道上任取一一截面積為為f的橫截截面。下面面研究此橫橫截面上氣氣體具有的的能量。在靠近f截面取一長長為dl，體積為dV=fdl的微小氣塊塊。當(dāng)dl極小時(shí)，此此氣塊具有有的能量即即為f截面上氣體體具有的能能量。下面面分析此氣氣塊即f截面上氣體體具有的能能量。981、位壓和和位壓頭當(dāng)氣塊的質(zhì)質(zhì)量、密度度和距基準(zhǔn)準(zhǔn)面的高度度分別為m、ρ和H時(shí)，此氣塊塊具有的位位能為：位能=mgH=ρdvgHNm單位體積氣氣體具有的的位能稱為為位壓。氣塊亦即f面上氣體的的位壓為：：99當(dāng)氣體的密密度ρ一定時(shí)，氣氣體各處的的位壓僅隨隨該處距基基準(zhǔn)面的高高度而變，，若基準(zhǔn)面面取在下面面，則愈上上面氣體的的位壓愈大大，愈下面面氣體的位位壓愈小。。管內(nèi)氣體位位壓與管外外同高度上上大氣的位位壓的差值值，稱為管管內(nèi)氣體的的相對(duì)位壓壓或簡(jiǎn)稱位位壓頭，用用符號(hào)h位表示，單位位是Pa。100氣體的位壓壓頭是單位位體積氣體體所具有的的相對(duì)位壓壓。當(dāng)氣體的密密度ρ小于于大氣密度度ρ′，即即浮力大于于氣體本身身的重力時(shí)時(shí)，這時(shí)位位壓頭為負(fù)負(fù)值，即位位壓頭是一一種促使氣氣體上升的的能量。Pa當(dāng)管內(nèi)氣體體的位壓為為Hgρ，，管外同高高度上大氣氣的位壓為為Hgρ′′時(shí)(ρ‘‘為大氣的的密度)，，則管內(nèi)氣氣體的位壓壓頭為：1012、靜壓和靜壓壓頭為了使位壓壓頭得正值值，常將基基準(zhǔn)面取在在氣體的上上面，因?yàn)闉榛鶞?zhǔn)面以以下之高度度為負(fù)值。。氣塊的f面面積上受到到其相鄰氣氣體的絕對(duì)對(duì)壓力P的的作用，而而且f面積積上所受的的總壓力為為Pf。此此總壓力可可能對(duì)氣塊塊作功而將將氣塊壓扁扁，所作的的最大功為為Pfdl。事實(shí)上上氣塊并未未被壓扁。。這樣，氣氣塊本身必必然具有一一個(gè)與外界界可能作的的最大功大大小相等，，方向相反反的能量與與之平衡。。這個(gè)能量量稱為氣體體的壓力能能。因此，，氣塊的壓壓力能為：：壓力能=pfdl=pdVNmPa102單位體積氣氣體具有的的壓力能稱稱為靜壓。該氣塊亦即即f面處氣體的的靜壓為：：結(jié)論：f面面處氣體的的靜壓在數(shù)數(shù)值上即等等于該處氣氣體的絕對(duì)對(duì)壓力。靜壓頭：：管道內(nèi)氣氣體的靜壓壓與管道外外同高度上上大氣的靜靜壓之差值稱為相對(duì)對(duì)靜壓或簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱靜壓頭頭，用符號(hào)號(hào)h靜表示示，單位是Pa。。103當(dāng)管道內(nèi)氣氣體的靜壓壓為P，管管道外同高高度上大氣氣的靜壓為為P時(shí)，則則管道內(nèi)氣氣體的靜壓壓頭為：結(jié)論：氣體的靜壓壓頭是單位位體積氣體體所具有的的相對(duì)靜壓壓，其數(shù)值等于管道道內(nèi)外氣體體所具有的的相對(duì)壓力力(即表壓壓力)。氣體的靜壓壓與氣體的的絕對(duì)壓力力，二者的的物理意義義不同，二二者在數(shù)值值上相等，，故?；煊糜?；同樣，，氣體的靜靜壓頭與氣氣體的表壓壓力，二者者的物理意意義亦不同同，但二者者在數(shù)值上上相等，故故亦?；煊糜?。運(yùn)動(dòng)和靜止止的氣體都都具有靜壓壓頭。1043、動(dòng)壓和和動(dòng)壓頭運(yùn)動(dòng)的物體體都具有動(dòng)動(dòng)能。氣塊塊也具有動(dòng)動(dòng)能。當(dāng)氣氣塊的質(zhì)量量、流速、、密度分別別為m、ωω、ρ時(shí),則氣塊具具有的動(dòng)能能為：?jiǎn)挝惑w積氣氣體具有的的動(dòng)能稱為為動(dòng)壓。因此，氣塊塊亦即f面面處氣體的動(dòng)壓為：105動(dòng)壓頭：管管道內(nèi)氣體體的動(dòng)壓與與管道外同同高度上大大氣的動(dòng)壓壓之差值稱為相對(duì)對(duì)動(dòng)壓或簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱動(dòng)壓頭頭，用符號(hào)號(hào)h動(dòng)表示，單位位是Pa。或1064、柏努利利方程式柏努利方程程式是研究究氣體在運(yùn)運(yùn)動(dòng)過程中中的能量變變化規(guī)律的的方程式。。它是能量量守恒定律律在氣體力力學(xué)中的具具體應(yīng)用。。a、單種氣氣體的柏努努利方程式式⑴理想氣氣體的柏勢(shì)勢(shì)利方程式式理想氣體在在流動(dòng)過程程中沒有摩摩擦力，所所以在流動(dòng)動(dòng)過程中不不產(chǎn)生能量量損失，此此為理想氣氣體的特點(diǎn)點(diǎn)。107如果圖1—15的管道內(nèi)流流動(dòng)著密度度ρ不變的穩(wěn)定定流動(dòng)的理理想氣體時(shí)時(shí)，則：假如氣體是是由圖中的的I面流向向圖中的ⅡⅡ面，則對(duì)對(duì)上式積分分可得：108則得：或上式說明：：密度ρ不不變的理想想氣體在穩(wěn)穩(wěn)定流動(dòng)中中各截面的的單位體積氣體的的總能量(即靜壓、、位壓和動(dòng)動(dòng)壓之和)相等。(b)109⑵實(shí)際氣氣體的柏努努利方程式式自然界的氣氣體都屬于于實(shí)際氣體體。實(shí)際氣氣體在流動(dòng)動(dòng)時(shí)各層之之間以及氣氣體與管壁壁之間存在在著摩擦力力，因此，，實(shí)際氣體體在流動(dòng)過過程中有能能量損失，，如果用而而h失表示示實(shí)際氣體體由任意截截面I流至至任意截面面Ⅱ間的能能量損失時(shí)時(shí)，則截面面I處氣體體的總能量量應(yīng)等于截截面Ⅱ處氣氣體的總能能量加上兩兩面間的能能量損失h失。此為為實(shí)際氣體體的一個(gè)特特點(diǎn)。則穩(wěn)定流動(dòng)動(dòng)的不可壓壓縮性的實(shí)實(shí)際氣體的的柏努利方方程式如下下：110上式說明：：低壓氣體體在穩(wěn)定流流動(dòng)中，前前一截面的的總壓(靜靜壓、位位壓、動(dòng)壓壓之和)等等于后一截截面的總壓壓(靜壓、、位壓、動(dòng)動(dòng)壓、能量量損失之和和)。而各各種能量間間可相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，各種種能量都可可直接或間間接地消耗耗于能量損損失，在能能量轉(zhuǎn)變和和能量損失失過程中靜靜壓不斷變變化。一般般情況下，，氣體在流