МАСЛОВ В.А.

ТЕПЛОТЕХНИКА ДЛЯ МЕТАЛЛУРГОВ

(часть 3 «Механика жидкостей и газов»)

Мариуполь 2009

Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический

Университет

МАСЛОВ В.А.

ТЕПЛОТЕХНИКА ДЛЯ МЕТАЛЛУРГОВ

(часть 3 «Механика жидкостей и газов»)

Мариуполь 2009

УДК 669. 04(075.8)

Теплотехника для металлургов. В.А Маслов

Учебное пособие для вузов. Изд. ПГТУ, Мариуполь,

2009 г., с.83.

В разделе «Механика жидкостей и газов» рассмотрены основные понятия, определения, закономерности и законы статики, кинематики и динамики жидкостей и газов.

Рассмотрены вопросы практического использования основных положений механики жидкостей и газов в печах.

Раздел «Механика жидкостей и газов» является составной частью базового курса «Теплотехника» для направления «Металлургия» и может быть рекомендован студентам этого направления в качестве учебника. Иллюстраций 28, таблиц 3, библиографий 4.

Компьютерный набор

и верстка Л.н. Сапрыкина

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение в механику жидкости и газа Основные законы газового состояния и их следствия Вязкость и плотность жидкостей и газов Гидростатическое давление, напоры Свойства гидростатики Кинематика газов и жидкости Дифференциальное уравнение статики идеальной жидкости (уравнение Эйлера) Уравнение неразрывности движения жидкости и газа Дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости Дифференциальное уравнение движения вязкой жидкости Навье-Стокса) Уравнение Бернулли и его физический смысл Уравнение Бернулли для реальных газов Уравнение Бернулли для печных газов Характер движения и теория пограничного слоя Потери энергии при движении жидкостей и газов Некоторые важные случаи применения уравнения Бернулли Истечения из отверстий с острыми краями Истечения из отверстий с цилиндрическим насадком и острыми краями Измерение расходов различных сред с помощью измерительной диафрагмы Изменение скорости и расхода потока Понятие об эквивалентном отверстии Свойства свободной струи Особенности движения газов в печах Движение газов в трубопроводах, каналах, боровах Газослив в печах Движение газов с высокими скоростями Основы расчета механики газов в печах Алгоритм расчета механики газов в печах Литература

5 7 11 14 19 20 22 26 28 32 33 38 40 42 46 53 54 55 56 57 59 60 64 67 68 69 75 81 83

Механика жидкостей и газов

1. Введение в механику жидкости и газа

От характера движения газов в печах в значительной мере зависят условия теплообмена в их рабочем пространстве, удале­ние продуктов сгорания и распределение давлений по дымовому тракту печи.

В.Е. Грум-Гржимайло первым обратил внимание на поведение газов в печах, систематизировал сложившиеся у него на основе опыта представление о движении газов и наглядно их описал, при­няв законы гидравлики и создал "Гидравлическую теорию печей".

Механика газов, так же как и гидромеханика рассматривает газ и жидкости как сплошную легкоподвижную среду, которая сос­тоит из частиц, между которыми отсутствуют свободные промежутки. Это позволяет считать распределение вещества и параметров непре­рывным.

Такой подход применим лишь в том случае, если возможно вы­делить частицы, удовлетворяющие следующим требованиям:

1. Частица должна быть настолько малой, чтобы в ее пределах частицу можно было считать однородной, т.е. во всех точках такой частицы свойства были одинаковы.

2. Частица должна быть настолько большой, чтобы она содер­жала очень большое число молекул и линейные размеры её были зна­чительно больше длины свободного пробега молекул.

Если невозможно выделить из рассматриваемой системы частицу, которая удовлетворяет указанным требованиям, то среду нельзя считать сплошной и необходимо учитывать молекулярное движение, т.е. использовать законы молекулярно-кинетической теории.

Поэтому нет никакого принципиального различия между закона­ми, управляющими движением газов и жидкостей. Вследствие этого механика газов использует всё то богатство, которое накопила гидравлика.

Раздел механики сплошных сред, относящихся к газам и жид­костям, получил название "гидромеханики" или "механика жидкос­ти".

Раздел механики сплошных сред, относящихся к движению газов с относительно небольшими скоростями внутри камер промышленных печей, принято называть "механикой газов".

Раздел, посвященный движению газов с большими скоростями, когда существенной становится их сжимаемость, называется "газо­вой динамикой".

Механика газов и жидкостей исходит из основных принципов физики и общей механики, причём полученные выводы они согласуют с экспериментальными исследованиями, которые одновременно допол­няют и подтверждают эти выводы.

При минимальном течении жидкость можно представить в виде слоев, которые скользят один относительно другого.

Жидкостью называется агрегатное состояние вещества между твердым и газообразным. Жидкость характеризуется следующими свойствами:

1) сохраняет объем;

2) образует поверхность;

3) обладает прочностью на разрыв;

4) принимает форму сосуда;

5) обладает твердостью.

Свойства 1-3 подобны свойствам твердых тел, а 4 - свойством газа. Главным отличительным свойством жидкости является текучесть.

Газом называется агрегатное состояние вещества, в котором все его частицы слабо взаимодействуют между собой и двигаясь заполняют весь объем. Основным свойством газа является его способность заполнять весь предоставленный ему объем. Свойства жидкости и газов имеют много сходных черт и изучаются параллельно.

С позиций физики капельная жидкость значительно отличается от газа с позиций механики жидкости различие между ними не так велико и часто законы, справедливые для капельных жидкостей, могут быть приложены к газам.

Известно, что число молекул в 1 см³ при атмосферном давлении равно 2,7^.10¹⁹, а длина свободного пробега молекулы, представляющая собой статистическое среднее расстояние, проходимое молекулами между столкновениями, будет порядка 10^-5 см.

Этот пример показывает, что заменяя реальную жидкость ее моделью в виде непрерывной жидкой среды, мы действительно не делаем ошибки до тех пор, пока не будем интересоваться движением мо­лекул или состоянием внутри межмолекулярного пространства.

Газы в нагревательных печах обычно находятся под давлением, мало отличающимся от атмосферного. Давление газов в различных местах печи обычно отличается на 20÷200 н/м², что составля­ет 0,02-0,2 % по отношению к абсолютному давлению, под которы­ми эти газы находятся. Вследствие этого изменение объема газа из-за малого изменения давления ничтожно. Изменение температу­ры в печах происходит постепенно и поэтому на коротких участках можно пренебречь его влиянием на изменение объема газа. Все это позволяет рассматривать газы как несжимаемые среды.