第5章 气体力学计算 冶金炉内气体流动的显著特征： 第一：炉内气体为热气体（即炉内气体的温度高于周围大气的温度）； 第二：炉内热气体总是与大气相通的，而且炉内热气体的密度小于周围大气的密度，所以炉内气体的流动状况受大气的影响。 (5.1 热气体相对于大气的特殊规律 一、热气体的压头 单位体积流体的能为： 位能：ρgz 静压能：P 动能： 对于炉内热气体在流动过程中，虽然同样具有这三种能量，但由于周围大气对其流动的影响，这三种能量只能用相对值来表示，即 单位（体积）热气体所具有的位能与外界同一平面上单位（体积）大气所具有的位能之差称为位压头。同理也有动压头和静压头之称呼。但是在通常情况下，大气的流速比流体的流速小得多，所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。 1.热气体的位压头——几何压头 (1)阿基米德浮力原理 (2)有效重力 设流体的密度为,体积V，大气的密度为，则流体在大气中所受到的浮力为 流体本身的重力为 有效重力为 单位体积流体的有效重力为 当时有效重力为正,方向竖直向下,流体在大气中下沉;反之则流体在大气中上浮,由于热气体温度高于大气温度,所以,故热气体有效重力为负,方向向上,热气体在大气中有自动上浮的趋势。 (3)热气体的位压头及其分布规律 如图5-1-2所示   取0—0`为基准面，则热气体的位压头为 - 当基准面取在上方，高度向下量度时为正，故 （此时H为正值） 分布规律：线性，上小下大 注意：由于热气体有自动上升趋势，所以热气体由下向上流动时，位压头是流动的动力。反之，热气体自上向下流动时，位压头应作阻力来对待。 2.热气体静压头及其分布规律 (1)定义：热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差，即相对压力，常称做表压力，用hs表示。 (2)分布规律 A .静止液体表压力分布规律：上小下大 B.热气体表压力分布规律：上大下小 注意： 当在某一平面上，热气体的表压力为零时，称此面为零压面。在零压面以上，热气体表压力为正，若有缝隙，则热气体将外逸。反之，在零压面以下，热气体表压力为负，冷空气将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控制在炉底上，使炉膛呈正压区，而烟道则为负压区。 3.热气体的动压头 由定义知，热气体的动压头 二、热气体平衡方程式  三、热气体管流伯努利方程式（双流伯努利方程式） 1.表达式：实际流体管流伯努利方程式为  热气体管流伯努利方程式为  即 四、热气体管流时的阻力损失计算 表达式 计算特点说明： 1.摩擦阻力损失hf计算  的选择按圆管内流磨阻力计算式计算，工程上一般按经验式。 L为计算段长度，D为当量直径，Wo 取经济流速，t取时间段的平均值。 2.局部阻力损失的计算 hr 局部阻力系数仍按附表6查出， wo 仍取经济流速，温度则取对应与w 的温度。 3.热气体自上而下流动时，位压头作为阻力损失考虑，反之，热气体自下而上流动时，位压头应从阻力损失中减去。 4.两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差。 (5.2 排烟系统及烟囱 排烟系统及烟囱的重要性 一、烟囱 1.烟囱的工作原理 烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气，是因烟囱底部具有抽力，亦称吸力。烟囱产生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。 如图5-2-1，在烟囱内等温情况下  差值△，所以气体能自动地由炉膛入口并排入大气，称自动通风。实际上△P即为烟囱底部截面对烟囱顶部截面所产生的位压头，所以，烟囱底部的位压头是烟囱排烟的动力。 如图5-2-2，以3-3为基准面，在气体静止状态下列出2-2与3-3截面的伯氏方程得公式  由此式可得出，烟囱底部表压力为负值（称为抽力或吸力）该抽力称理论抽力。它是由位压头产生的，而且与烟囱的高度 H、大气的温度ta，烟囱温度tg等因素有关。 若烟气在烟囱内流动，则其实际抽力为  2.烟囱计算 在冶金炉中不论是设计新烟囱，还是对建成的烟囱进行校核，其原理是相同的，现以新设计烟囱为例说明其计算方法。 由烟囱的工作原理可知  但此式不能直接用来计算烟囱的高度H，因为式中很多参数均与H有关。所以只能用试算法，其步骤如下： (1)烟囱实际抽力hv的计算  (2)烟囱内动压头增量的计算  (3)烟囱内阻损失hl的计算  (4)空气及烟气密度计算  3.烟囱设计计算中的注意事项 (1)当几个炉子共用一个烟囱时，在计算hv时，应选用比较大的那炉子的数值。 (2)计算烟囱出口及底部直径所用的烟气流量vo，应用两个炉子烟气流量之和。 (3)考虑到环境保护问题，烟囱的高大至少应高出周围建筑物3米。 (4)布置烟道时，应尽量减少阻力损失。 (5.3 供气系统极其有关计算 一、供气管道 1.管道布置基本原则 (1)供气管道一般架空敷设，管道底部距地面的距离不得小于2米。 (2)管道系统中装有换热器时，应设旁道管道，金属换热器后的热风总管上一般要求安装放风阀。煤气管道上应安装放散管及放散阀。煤气总管上除安装调节阀外，还应安装低压快速切断阀。 (3)按有关规程进行气密性试验（试压）。 (4)管道布置应尽量减少阻力损失。 2.管道计算 (1)管径计算 (2)管道的阻力损失计算 二、常用风机简介 按产生压力的大小，风机分为 通风机 压力在0.1 atm以下 鼓风机 压力在0.1~3atm 以内 压缩机 压力超过3atm 高压压缩机 压力超过100atm 1.离心式通风机 (1)类型 低压通风机 压力小于981Pa(100mmH2O) 中压通风机 压力为981~2943 Pa(100~300mm H2O) 高压通风机 压力大于2943Pa(300mm H2O) (2)结构 2.离心式鼓风机 离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似，只是空气的压缩过程通常是经过几个工作叶轮（或称几级）在离心力的作用下进行的 3.回转式风机 三、离心式通风机特性及选择计算 1.通风机在管道上工作时的总压头 单位体积气体通过风机时所获得的机械能，称为通风机产生的总压头。其作用是： 将气体的压力从吸合空间的po提高到用气空间的pd，即提高到了pd-po 克服气体沿吸气，排气管道所产生的压头损失 使气体由气体由吸气空间的静止状态达到排风机口处时所具有的动能 2.通风机的风量、功率及效率  3.风机的特性曲线 4.管网特性 5.风机的工作点及工况调节 6.风机的选择及计算 (1)风机的选择注意事项 1)铭牌上标出的全风压、风量、功率是指在最高效率下的h、v及N值。 2)风机性能表说明书、铭牌上所标出的风机性能。都是指风机在实验标准状况（1个标准大气压，20摄氏度，密度为1.293）下的数值，工作条件若不同于实验条件，应进行参数换算。 3)风机的传动方式有A 、B、C、D、E、F等6种。 (2)参数换算 实际风量 实际全风压及轴功率  7.通风机的串联与并联 当一台风机的风压及风量不能满足需要时，只有同型号的风机才能串、并联使用。风机串联后总风压比二台风机风压之和略低，风量等于一台的风量。风机并联后，风量比两台风机风量之和略低，风量等于一台风机的风压。