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1、,冶金炉 第一部分冶金炉热工基础l 内容： 流体 动量传递过程 包括流体流动（不可和可压缩流体流动） 、（气体和气流）输 送 气体力学原理 燃料燃烧过程（包括气、液、固燃料燃烧） 热量传递过程 固体的稳态和非稳态导热、流体与固体壁面的对流传热、固体和气体的辐射传热 传热原理 耐火材料（包括耐火和绝热材料）,冶金炉热工基础 火法冶金设备 （冶金炉和熔盐电解槽）,任务： 研究传递过程、燃料燃烧和耐火材料的基本原理， 典型设备的构造及工艺尺寸的计算和确定（或选型） ；探索现成工程问题的最有效研究方法。 性质：专业技术基础课（专业课和毕业设计的基础课） 1 气体力学原理 本章要点 l 气体平衡方程（静
2、力学方程）及 其应用 l 连续性方程及其应用 l 伯努利方程及其应用 l 气体流动的阻力损失计算,本章学习要求熟练掌握的内容 流体的主要物性（密度、粘度等）和压强的定 义、单位及其换算；表压和负压的概念；流体静力 学基本方程、连续性方程、伯努利方程及其应用； 流体的流动类型、雷诺准数及其计算；流体流经管道 的阻力损失及其计算。 流体具有如下特征： 具有流动性；无固定形状（取容器形状）； 在外力作用下其内部发生相对运动； 气体力学的定义： 研究气体静止和运动的力学规律及其在工程技术 中应用的一门科学。 1.1 气体的主要物理性质和气体平衡方程式1.1.1主要物理性质,1.1.1.1密度和重度 （
3、1） 定义 密度的定义：单位体积气体所具有的质量。 密度符号； 国际单位：kg/m3 定义式： （平均）密度 = m/V (1-1) 其中 m ：气体质量 (kg); V ：气体 体积(m3) 重度的定义：单位体积气体 所具有的重量。 重度符号； 国际单位：N/m3 定义式： 平均重度 = G/V (1-2) 其中 G ：重量，N ; V ：体积（m3) 密度与重度之间的关系： 因为 G = mg 所以 = g (1-3),（2）温度和压强对气体密度的影响 影响气体密度的因素 T Vt/Tt=V0/T0 (P不变） V(质量一定时） P PV=P0V0 （T不变） 其中 下标0表示标准条件，即
4、00C和101325Pa 温度和压强变化时密度的变化 当P不变时有 Vt=V0Tt/T0=V0(1+t) (1-4) 和 t= 0/(1+t) (1-5) 当P和T都变时有 Pt Vt / T t=V0 P0 /T0 (1-6) 和 t= 0 P0 Tt / (Pt T0 ) (1-7) 因此 给出气体密度值时应同时标明温度和压强条件。 一般温度升高气体的密度下降；压强增加气体的密度增大。 （3）密度和重度大小的确定,/,（1）查图表 从书中附录和有关手册中查取。 （2）公式计算 流体密度可用有关公式计算出。 密度和重度的定义式： = m/V 和 = G/V 适用条件：已知m、G和V 气体 混
5、合物密度的计算公式： m= ai i （ m=m/V= iv i/ V= ai i) (3-4) (p8例1-5） 适用条件：已知各组分密度i和体积分率ai的气体混合物 理想气体密度和重度计算公式： = 0PT0/(P0 T)=PM/ (R0T) = 0P/P0 (1+t) kg/m3 (1-8) 其中 T=T0t , =1/ T0=1/273 PV=nR0 T= mR0 T/ M 即m/V=PM/(R0 T),K,R0:通用气体常数=8.314kJ/(kmol )=8314J/(kmol)=(8314/M)J/(kg.K) R=R0/M :气体常数，J/( kg.K) R0=MR PV=nR
6、0T=mR0T/M PV/m=P=RT M ：气体的摩尔质量 对空气，M=28.9kg/kmol, 适用条件： 低压和温度不太低的气体。 其中 P、P0 :分别为实际和标准条件下气体的压强，N； T、T0 : 分别为实际和标准条件下气体的温度，K 标准条件： T0= 273.15K(00C) 273K P0= 101325 N/m2 0 标准条件下理想气体的密度，kg/m3； 0= M/22.4 (1-9) 对气体混合物M取加权平均值，即 M=Miyi,1.1.1.2 （静）压强 (1)定义：静止流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压 强，简称压强，习惯上称为压力。 （总压力： 作用于整
7、个面上的压力。） 定义式 ： p = P / f Nm -2 (1-10) 式中 f 作用面积 , m2 ; P 垂直作用于面积上的力，Pa p 平均压强，N (当f0时，P/f的极限值则为 点压强 ） P (2) 特性： f 垂直指向于作用面； 气体内任一点各个方向的压强均相等。 因 p x Ax= p n An cos = p n Ax p n 故 p x = p n p x (3)单位及单位换算： 单位 分国际单位和其他单位 国际单位（又称SI单位）：N /m2,称为帕斯卡（Pa) 其他单位有：大气压（又分为标准大气压和工程大气压）、,流体柱高度和kgf /cm2等 各单位换算关系： 1
8、atm (标准大气压) = 101325 N/m2 = 760 mmHg=10.33mH2O =1.033kgf / cm2 1at (工程大气压)=98070 N/m2 = 735.6mmHg =10mH2O =1kgf /cm2 （4） 压强的表示方法：可用绝对压强和相对压强两种方法表示 绝对压强：以绝对真空(绝对零压)为起算基准的 压强 相对压强：以当地大气压为起算基准的压强 正压或表压: 绝压大于大气压时的相对压强（0) 相对压强 负压: 绝压小于大气压时的相对压强（0) 零压： 绝压等于大气压时的相对压强（=0) 真空度: 绝压低于大气压的压强部分或负压的绝对值 即 相对压强绝对压强
9、大气压强 而 表压强(Pg)绝对压强(P)大气压强(Pa) (1-11) 真空度(Pv)大气压强(Pa)绝对压强(P) (1-12),假如A、B的绝对压强如图1-4所示， A 表压强 则绝对压强、表压强和真空度三者 大气压线 的关系可表示与图1-4中 B 真空度 绝对压强 绝对压强 绝对零压线 图3-1 绝对压强、表压强和真空度的关系 P6:例1-2 p7:例1-3，例1-4 p9:例1-6,1.1.1.3 粘滞性 (简称为粘性） （1）粘性定义：在两作相对运动的流体层接触面上，流体 产 生反抗此运动的内摩擦力(又称为粘性力）的特性称为流体的粘性。 与固体相比的异同点： dy w+dw 相同点
10、： 都产生反抗相对运动的摩擦力。 F w 不同点： 固体静止时产生静摩擦力，流体 w 静止时不产生静摩擦力 图1-1流体粘性 （2）产生粘性的原因： 两个原因：分子间的吸引力（吸引力大小与分子间距离的平方成反比）； 分子热运动造成分子间碰撞产生的作用力。 （3）牛顿粘性定律：内摩擦力的大小与两流体层的接触面积和速度 梯度成正比 。,内摩擦力计算公式（牛顿粘性定律公式）： F= f dw /d y 或 = d W/d y (1-13) 式中： F 内摩擦力（粘性力），N； f 接触面积，m2; d w/d y 速度梯度，s 1； 剪应力（粘性应力或动量通量），N/m2; 比例系数，简称为黏度，N
11、sm 2 ，在CGS制中单 位为d y n scm 2或P（泊）或c P(厘泊），三者换算关 系：因 1 N=105dyn ,1m2=104cm , 故 1cP=10 2P=10 3 Nsm 2(Pa s)。 适用条件： 牛顿流体（粘性力变化满足式1-13规律的流体）,（4）黏度的物理意义、理想流体和运动黏度 黏度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力 因为由牛顿粘性定律公式知：当 d W/d y = 1 时 = 。 理想流体： = 0 的流体（非理想流体： = 0 的流体) 问题： = 0 流体一定是理想流体吗？ 答案 : 不一定。因静止流体（d u/d y=0)的也等于零。 注：
12、不能因此说静止的流体无粘性。因 = 0 的流体才无粘性。故只能说静止流体的粘性显现不出来。, a b 0 c d d W/d y 图1-2 牛顿流体与非牛顿流体的流变图 a 宾汉塑性流体 b假塑性流体 c牛顿流体 d涨塑性流体,运动黏度： = / m2s 1 (1-14) （5）温度和压强对黏度的影响 流体产生粘性的原因是分子吸引力和分子热运动碰撞产生的作 用力。对液体前者是主要由于原因；对气体后者是主要原因。 故温度升高，液体的黏度减小，气体的黏度增大；压强对液体的 黏度基本无影响，对气体的黏度有一定的影响，但通常只在压强极高或极低时，才考虑压强变化对气体黏度的影响。 故通常给出黏度时须注明
13、温度 1.1.2 气体平衡方程 主要内容：作用在气体上的力、气体平衡方程即气体静力学基本方程式及其应用 重点：等压面的应用和静力学基本方程式的应用 1.1.2.1 作用在气体上的力,类型：（1）质量力：作用在气体内每一质点上并与气体质量成正比的力，如重力和惯性力； （2）表面力：作用在气体表面上并与表面积成正比的力，如压力和粘性应力。 1.1.2 气体平衡方程（静力学基本方程）式 气体平衡方程（静力学基本方程式）的含义：是用于描述在重力场作用下静止流体内部压强变化规律的数学表达式。用于描述绝对压强变化规律的称为单气体静力学基本方程式，简称气体静力学基本方程式，用于气（液体）；用于描述表压强变化规律的称为双流体静力学基本方程式，多用于气体。 1.1.2.1单流体静力学基本方程式的推导及使用条件 (1)方程推导 设有一静止气体体，从其中任意划出一垂直气柱如图13所示 P1、P2 分别为高度为H1及H2处的压强。 p1 H p2,
