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1、陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动1陕西科技大学材料科学与工程学院1-2 窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动主要有三种类型：窑炉系统内的气体流动主要有三种类型：（1）不可压缩气体的流动，）不可压缩气体的流动， = const（2）可压缩气体的流动，）可压缩气体的流动， const（3）射流（流股）射流（流股）1；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动2陕西科技大学材料科学与工程学院1 不可压缩气体的流动不可压缩气体的流动 在高温窑炉中，由于气体
2、的组成、温度在高温窑炉中，由于气体的组成、温度和压力的变化，气体的密度是渐变的。但若和压力的变化，气体的密度是渐变的。但若截取某一有限单元体，如截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通水平炉膛、垂直通道、局部孔口道、局部孔口等作为研究对象，则可视为恒等作为研究对象，则可视为恒密度（不可压缩）气体的流动。密度（不可压缩）气体的流动。 即当温度波动大时，取等温段分段考虑。即当温度波动大时，取等温段分段考虑。2；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动3陕西科技大学材料科学与工程学院1.1 气体通过炉墙小孔的溢出和吸入气体通过炉墙小孔的溢出和
3、吸入如图如图 列列1-1至至2-2截面伯氏方程：截面伯氏方程：(3) p2 = pa (1) 是水平流动（是水平流动（Z1=Z2），且气体），且气体 通过小孔时压差很小（通过小孔时压差很小（1=2）(2) F2 F1 w1 w2，w1 0 hk1 0 hge1 = hge2 hs2 = 0分析分析3；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动4陕西科技大学材料科学与工程学院因此上面伯式可改写成：因此上面伯式可改写成：hs1 = hk2 + hL, 1-2 =(1+) hk2溢气量：溢气量：4；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热
4、工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动5陕西科技大学材料科学与工程学院流量系数：流量系数： = 其中：其中：缩流系数：缩流系数： =F2/F速度系数：速度系数：同理，当同理，当hs1B 假设扰动，使假设扰动，使tA tB，即，即A通道推动力通道推动力 QVBtA直至直至tA= tB 相反，若气体自下而上流动相反，若气体自下而上流动(此时几何压头此时几何压头是推动力是推动力)，则当发生扰动使，则当发生扰动使tAB QVA QVBtA，即，即A通道阻力通道阻力13；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动14陕西科技大学
5、材料科学与工程学院结论结论:（1）烟气）烟气(热气体热气体)加热制品时，热气体从加热制品时，热气体从上向下走叫上向下走叫“倒焰倒焰”(此时几何压头为阻力此时几何压头为阻力)，水平温差小；水平温差小；（2）空气冷却制品时，冷气体从下向上升）空气冷却制品时，冷气体从下向上升叫叫“升焰升焰”(此时几何压头为推动力此时几何压头为推动力)，水平温，水平温差小。差小。 14；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动15陕西科技大学材料科学与工程学院15；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流
6、流动动16陕西科技大学材料科学与工程学院分散垂直气流法则的使用条件分散垂直气流法则的使用条件(适用条件适用条件)： 应用于几何压头起主要作用的通道，应用于几何压头起主要作用的通道，如传统的倒焰窑、蓄热室等。如传统的倒焰窑、蓄热室等。分散垂直气流法则不适用于：分散垂直气流法则不适用于：（1）阻力很大的窑；）阻力很大的窑；（2）流动速度很大或者说压差大的窑。）流动速度很大或者说压差大的窑。作业：作业：64页页1-516；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动17陕西科技大学材料科学与工程学院2 可压缩气体的流动可压缩气体的流动即：即：
7、p/p0 20%，或者或者 p 20kPa时时2.1 音速和马赫数音速和马赫数音速（音速（a）：）：声波在气体中的传播速度，声波在气体中的传播速度，或者说是声波在弹性介质中的传播速度。或者说是声波在弹性介质中的传播速度。 声波是因机械振动引起的机械弹性波，声波是因机械振动引起的机械弹性波，是纵波（压缩、放松交替进行）。是纵波（压缩、放松交替进行）。17；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动18陕西科技大学材料科学与工程学院其中：其中： 音速，音速，m/s E 介质的弹性模数，介质的弹性模数，w/m2 介质的密度，介质的密度，kg/
8、m3因声波在气体中的传播速度很大，引起的温度因声波在气体中的传播速度很大，引起的温度变化很微弱，可以认为是绝热可逆（等熵）过变化很微弱，可以认为是绝热可逆（等熵）过程。由理想气体的多变方程，得声波在静止流程。由理想气体的多变方程，得声波在静止流体及静止理想气体中的传播速度为：体及静止理想气体中的传播速度为：18；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动19陕西科技大学材料科学与工程学院若介质为空气，若介质为空气， =1.4，R=287（J/kgK）则空气中的音速为：则空气中的音速为：t / a (空气中音速空气中音速)/(m/s)-2
9、03190331+20343 可见，音速是气体（介质）温度的函数，可见，音速是气体（介质）温度的函数，是一个状态函数；音速的大小反映了气体的可是一个状态函数；音速的大小反映了气体的可压缩程度；音速的方向与飞行物飞行方向相反。压缩程度；音速的方向与飞行物飞行方向相反。19；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动20陕西科技大学材料科学与工程学院其中：其中：Ma1，w 1，w ，为超音速流动为超音速流动20；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动21陕西科技大学材料科学与工程
10、学院2.2 可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出罐内罐内(0-0面面)：ws 0 ，滞止状态（，滞止状态（static） 滞止参数：滞止参数：ps、Ts、s ws( 0)如图如图2-2截面（出口处）：截面（出口处）：w达到最大。达到最大。流动过程中：流动过程中：p 、w 、 、T 即气体在流动过程中，不仅即气体在流动过程中，不仅hs （p ） ，而，而且内能且内能 （T ）；）；21；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动22陕西科技大学材料科学与工程学院2.2.1 压强变化规律压强变化规律流动过程中：流动过程中：p
11、sp1p2=pa 可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状态方程（理想气体多变方程）：态方程（理想气体多变方程）：或：或： 其中：其中： 为绝热指数，为绝热指数， = Cp/CV 单原子气体：单原子气体： =1.6 双原子气体：双原子气体： =1.4 多原子气体：多原子气体： =1.322；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动23陕西科技大学材料科学与工程学院任一截面处压强（任一截面处压强（p）与）与 之比，恒之比，恒等于滞止状态下等于滞止状态下ps/s之比。之比。即：即：2.2.2 密度变化规律密度变
12、化规律由上得：由上得：其中：其中：p1/ps1，1/ 1，所以所以1/s 1， 即即 1 s 23；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动24陕西科技大学材料科学与工程学院2.2.3 温度变化规律温度变化规律绝热过程绝热过程 p 相当于膨胀，内能相当于膨胀，内能 ，所以，所以T 其中：其中：p1/ps 1，(-1) / 1所以：所以：T1/Ts 1，即即T1 pa ）33；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动34陕西科技大学材料科学与工程学院wmaxcrwQmABCDE
13、FGW2=f1(p2/ps)Qm=f2(p2/ps)Qm,max临界状态是流量最大状态临界状态是流量最大状态此时：此时：w2 = w2,cr= a （等于当地音速）（等于当地音速） cr = p2,cr/ps （临界压强比）（临界压强比）拥塞效应拥塞效应流量流量达到一达到一定值后，定值后，流速流速不再随压强不再随压强比的减小而继续增大的现比的减小而继续增大的现象。象。34；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动35陕西科技大学材料科学与工程学院由流量方程对压强比（由流量方程对压强比（）求导并令其等于零）求导并令其等于零同理可推得：同
14、理可推得： 即令：即令：得：得：35；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动36陕西科技大学材料科学与工程学院（2）温度比）温度比（3）音速比）音速比（4）临界流速）临界流速（5）最大流量）最大流量（1）密度比）密度比36；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动37陕西科技大学材料科学与工程学院2.3 可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴的流动可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴的流动拉伐尔（拉伐尔（Larals）喷嘴（）喷嘴（nozzle）：）： 2-2断面断面(喉部喉部)：Ma=1 2-
15、2断面以前断面以前(收缩段收缩段)： Ma137；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动38陕西科技大学材料科学与工程学院(1) 气体参数与流速的关系气体参数与流速的关系（由能量方程（由能量方程和理想气体状态方程导出）和理想气体状态方程导出）38；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动39陕西科技大学材料科学与工程学院(2) 流速与截面积的关系流速与截面积的关系(由连续性方程导出由连续性方程导出)(c) 超音速流动时：超音速流动时：Ma1， (Ma2-1)0 dF dw
16、正消长关系正消长关系(a) 亚音速流动时：亚音速流动时：Ma1，(Ma2-1)0 dF dw 负消长关系负消长关系 (b) 跨音速流动时：跨音速流动时：Ma 1，dF 、dw不变不变39；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动40陕西科技大学材料科学与工程学院3 气体射流气体射流射流射流气流经管嘴喷射到空间中去时，由于气流经管嘴喷射到空间中去时，由于气流脱离了原来限制它流动的管道的限制而在气流脱离了原来限制它流动的管道的限制而在空间继续扩散流动，这种气体的流动叫射流。空间继续扩散流动，这种气体的流动叫射流。射流分类射流分类： (1)
17、 按流动状态分类：层流、湍流射流；按流动状态分类：层流、湍流射流； (2) 按喷入空间大小分类：自由射流、受按喷入空间大小分类：自由射流、受 限射流。限射流。硅酸盐窑炉中大都是湍流状态下的受限射流。硅酸盐窑炉中大都是湍流状态下的受限射流。40；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动41陕西科技大学材料科学与工程学院3.1 自由射流自由射流(1) 等温自由射流等温自由射流无限大空间、静止介质、介质的无限大空间、静止介质、介质的t、与喷与喷出气流的相同。出气流的相同。气流由喷嘴喷出后，不受固体边界的约束，气流由喷嘴喷出后，不受固体边界的
18、约束，在足够大的空间内自由扩张称为自由射流。在足够大的空间内自由扩张称为自由射流。41；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动42陕西科技大学材料科学与工程学院质量流量Qm动量 mw压强 p中心速度 wc动能 (1/2)mw2w0wc=w0wcw0(wc=0)FEDCBAG极点 M内边界外边界转折面x核心区开始段主段边界层42；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动43陕西科技大学材料科学与工程学院 自由射流特点：自由射流特点： (1) 近似一维流动近似一维流动 (2)
19、等压过程等压过程 (3) 动量守恒（动量守恒（mw=const） (4) 质量流量增大（质量流量增大（Qm ） (5) 动能减小动能减小 (6) 各截面上速度分布相似各截面上速度分布相似 经验公式：经验公式： w/wc=1-(r/Rx)3/22 相对速度是相对位置的函数相对速度是相对位置的函数43；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动44陕西科技大学材料科学与工程学院(2) 非等温、非等浓度自由射流非等温、非等浓度自由射流 当周围气体的当周围气体的t、与喷射气体不同时，介与喷射气体不同时，介质与喷射气体间有热量和质量交换。由于传热
20、质与喷射气体间有热量和质量交换。由于传热和传质速度的差异和传质速度的差异不十分大不十分大，可认为，可认为近似相等近似相等，所以其特点（规律）近似等温等密度自由射流。所以其特点（规律）近似等温等密度自由射流。 当热气体水平射至冷气体时：当热气体水平射至冷气体时：a，射流，射流轴线向下弯曲轴线向下弯曲(重力作用重力作用)射流弯曲现象射流弯曲现象44；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动45陕西科技大学材料科学与工程学院空气空气煤气煤气sa内内上升的距离：上升的距离：向上加速度：向上加速度：45；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料
21、热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动46陕西科技大学材料科学与工程学院3.2 受限射流受限射流指介于自由射流与管流之间的气体流动，指介于自由射流与管流之间的气体流动，即既受限又不能充满整个空间。即既受限又不能充满整个空间。III区区I区区II区区C回流区回流区旋涡区旋涡区主流区主流区 p46；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动47陕西科技大学材料科学与工程学院受限射流影响因素：受限射流影响因素：(1) 喷入空间（受限空间）的大小；喷入空间（受限空间）的大小；(2) 射流喷出口的位置（入口在有限空间的射流喷
22、出口的位置（入口在有限空间的 相对位置）；相对位置）；(3) 射流喷出口与气流出口的相对位置；射流喷出口与气流出口的相对位置；(4) 其它其它(如窑墙、窑顶、挡墙、料垛等如窑墙、窑顶、挡墙、料垛等)。47；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动48陕西科技大学材料科学与工程学院常见的特殊射流：常见的特殊射流：(1) 两射流的相遇。两射流的相遇。(2) 同心射流。同心射流。(3) 射流与平面相遇。射流与平面相遇。(4) 弯管中的射流。弯管中的射流。(5) 旋转射流旋转射流1.348；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基
23、础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动49陕西科技大学材料科学与工程学院49；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动50陕西科技大学材料科学与工程学院ps、Ts、sws 0112200pa50；.陕西科技大学材料科学与工程学院材材料料热热工工基基础础 |窑窑炉炉系系统统内内的的气气体体流流动动51陕西科技大学材料科学与工程学院w2p22F2w1p11F1FF21122Z零压面零压面 1-1截面（上游）取在窑内截面（上游）取在窑内 2-2截面（下游）取在喉部截面（下游）取在喉部 缩流系数：缩流系数： =F2/F窑窑内内窑窑外外基准面基准面51；.
