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气体动力学基础气体动力学是研究气体运动规律以及与其他物体之间相互作用的学科。
它的研究对象包括气体的压力、体积、温度和分子速度等特性，以及这些特性之间的相互关系。
本文将介绍气体动力学的基础概念、理论模型和重要定律。
一、气体分子模型气体分子模型是气体动力学研究的基础，它假设气体是由大量极小的分子组成的。
这些分子之间几乎没有相互作用力，它们以高速不规则运动，并且具有各向同性的特性。
二、理想气体状态方程理想气体状态方程是描述气体状态的基本定律之一。
根据理想气体状态方程，气体的压力（P）、体积（V）和温度（T）之间存在着下列关系：P * V = n * R * T其中，n代表气体的摩尔数，R代表气体常数。
这个方程表明，在一定温度和摩尔数的条件下，气体的压力和体积成反比，而与气体的物理性质（例如分子大小和形状）无关。
三、气体的压强气体分子在容器壁上会产生压力，这种压力被称为气体的压强。
根据气体分子的运动特性，我们可以得到气体的压强与分子速度和撞击频率之间的关系。
通常情况下，气体的压强与气体分子的速度平方成正比。
四、气体的温度气体的温度是指气体分子的平均动能。
根据气体分子模型，气体分子的速度与其温度之间呈正相关关系。
在绝对温标上，温度与气体分子的平均动能之间存在着线性关系。
五、气体的体积气体的体积是气体占据的空间大小。
根据观察和实验结果，气体的体积与其分子数量和分子碰撞的频率有关。
当温度不变时，气体的体积与其压强成反比。
六、亚音速和超音速流动亚音速流动是指气体在流动过程中，流速小于音速的情况。
这种流动模式下，气体能够传递信息，且压力和温度分布相对均匀。
超音速流动则是指气体的流速大于音速。
在超音速流动中，气体的压力和温度存在明显的不均匀分布。
七、伯努利定理根据伯努利定理，沿着气体流动的方向，气体的总能量保持不变。
这意味着当气体流速增大时，气体的压强会降低，从而产生较低的静压力。
八、霍金定理霍金定理是描述亚音速气体流动的基本原理。
1第一章空气动力学基础知识(总14页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第四单元飞机与飞机系统第一章空气动力学基础知识大气层和标准大气地球大气层地球表面被一层厚厚的大气层包围着。
飞机在大气层内运动时要和周围的介质——空气——发生关系，为了弄清楚飞行时介质对飞机的作用，首先必须了解大气层的组成和空气的一些物理性质。
根据大气的某些物理性质，可以把大气层分为五层：即对流层(变温层)、平流层(同温层)、中间层、电离层(热层)和散逸层。
对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里，在赤道约17公里，在两极约8公里。
对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的增加而下降，并且由于地球对大气的引力作用，在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之三，因此该层的大气密度最大、大气压力也最高。
大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产生在对流层中。
另外，由于地形和地面温度的影响，对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流动，形成水平方向和垂直方向的突风。
对流层内空气的组成成分保持不变。
从对流层顶部到离地面约30公里之间称为平流层。
在平流层中，空气只有水平方向的流动，没有雷雨等现象，故得名为平流层。
同时该层的空气温度几乎不变，在同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零下度，所以又称为同温层。
同温层内集中了全部大气质量的四分之一不到一些，所以大气的绝大部分都集中在对流层和平流层这两层大气内，而且目前大部分的飞机也只在这两层内活动。
中间层从离地面30公里到80至100公里为止。
中间层内含有大量的臭氧，大气质量只占全部大气总量的三千分之一。
在这一层中，温度先随高度增加而上升，后来又下降。
中间层以上到离地面500公里左右就是电离层。
这一层内含有大量的离子(主要是带负电的离子)，它能发射无线电波。
在这一层内空气温度从-90℃升高到1 000℃，所以又称为热层。
上篇热工基础概述一、课程的性质任务1、什么是热工过程,什么是热工设备?热的来源、传递、利用过程；产生热量、利用热量的设备；包含的内容有：研究系统的工作介质、体系的性质以及做功等2、该门课的性质：专业基础与技术课课程的任务：是将热力学的基本原理知识、流体力学的基本知识与工程实际上的热工设备相结合，研究热工过程中的各参数变化情况。
也就是说将讨论与热工过程有关的气体流动性质、气体性质、热的产生，传递、交换及过程中的物质交换等。
3、研究内容二、课程特点：强调“三传一反的能量交换”：动量、质量、热量传递、燃烧与烧成反应。
强调平衡概念：物料平衡、动量平衡、能平衡,强调基本：基本概念、基本定律、基本方法、基本理论知识强调理论与实践用基本的理论知识去理解硅酸盐行业常见的热工设备的工作原理。
强调分析问题、解决问题的能力。
三、课程的主要研究方法1．数学方法：微分方程和积分方程的求解及数值求解；2．分析方法：过程分析与数量级分析等；3．模型方法：物理模型及数学模型的建立；4．类比方法：热电类比及动量，质量，热量传递的类比等。
四、学习本课程的目的与意义1、掌握本专业中所用的热工理论知识，用所学的知识解决工程中出现的问题。
2、在该基础上进一步的深入研究创新，开发新型的热工设备五、本课程的基本要求1、注重研究的方法和思路：要掌握基本概念、掌握基本理论的来龙去脉，强调概念明确、思路清晰。
2、注重理论应用，多做习题，熟悉基本概念与理论。
3、答疑、作业、课堂讨论、考试。
六、课时安排（７６学时）绪论（1学时）第一章气体力学在窑炉中的应用（10学时）第二章传热原理（22学时）第三章质量原理（2学时，自学）第四章燃料及其燃烧过程与设备（12学时）第五章干燥过程及设备（10学时）第六章物料烧成与窑炉（18学时）小结(1学时）实验（？学时）七、教材及教学参考书教材：孙晋涛编《硅酸盐热工基础》武汉工业大学出版社参考书（1）沈慧贤胡道和主编《硅酸盐热工工程》武汉工业大学出版社（2）蔡悦民编《硅酸盐工业热工技术》武汉工业大学出版社（3）姜金宁编《热工过程与设备》冶金工业出版社（4）杨世铭编《传热学》人民教育出版社（5）韩昭论主编《燃料及燃烧》冶金工业出版社（6）胡道和编《水泥工业热工设备》武汉工业大学出版社（7）刘振群《陶瓷工业热工设备》武汉工业大学出版社（8）孙曾绪《玻璃工业热工设备》武汉工业大学出版社第一章气体力学在窑炉中的应用内容：研究气体流动规律及相应的热工流动设备。
第一节气体的属性与气体流动的基本理论一、气体的物理属性1、压缩性与膨胀性膨胀性——气体受压、遇冷收缩，受热、减压膨胀的性质。
压缩性: 气体体积随压强变化的特性膨胀性：气体体积随温度变化的特性一般情况下,在温度不过低（T>-20℃），压强不过大（p<200atm）时，气体遵守理想气体状态方程pv=RT其中，R=8314.3/M (J/kg.K)，单位：P--Pa,T--(K)或：RT P=ρ/1) T=C时，等温过程，既p/ρ=C，表明压强与密度成正比则p↑， ρ ↑ ，说明气体具有压缩性。
但在压力p 变化较小时，气体的密度变化也很小，可以认为是不可压缩气体。
一般地：将压强变化小于10%的气体均看作是不可压缩气体。
在建材行业中：窑炉中的气体可看作是不可压缩气体；在某些高压喷嘴中，应将气体视作可压缩气体。
2). p=C 时， ρT=C ，说明密度与温度成反比，也说明气体具有膨胀性 当T↑，则ρ↓ ，问题： 100℃的空气与20℃的空气那个密度大?表明同一种气体不同状态下压强与密度、温度成积之比为一常数若气体在标准状态（t 0=0℃，p 0=1atm ）的参数，与静压为p ，温度为t 时的参数之间的关系为：4) 若气体在管内流动如图所示，则：1111,,ρu F m21m m =即：222111u F u F ρρ= （1）将其代入则有：22121121u F T P u F T P =2、粘性定义：流体内部质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质 1）牛顿内摩擦定律（粘性定律)μ- 动力粘度或动力粘滞系数。
单位:N.s/m 2或kg/m.s 或Pa.s 与动力粘度μ对应的是运动粘度υ，二者的关系是2）混合气体的粘度计算公式：式中，n ——混合气体的种类数； μm ——混合气体的粘度；M i 、αi 、μi ——混合气体中各组分的分子量、体积百分数、粘度。
3）影响黏度的因素液体：主要取决于分子间的内聚力， 温度T 增大，分子间距增加，内聚力减小，黏度降低。
气体：主要取决于分子热运动， 温度T 增大，分子热运动增强，黏度增大。
因此：当温度变化时：3.气体的浮力液体：一般不考虑其浮力的作用 气体：考虑其浮力的影响。
例如：两个同样大小的流体柱，高10m,截面积为1m 2./2.13m kg =空气已知ρN6.1178.92.1110=⨯⨯⨯：则水和空气的浮力相同N N 8.588.96.0110981008.91000110=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯气柱重：水柱重：但：不可以忽略对于烟气柱，气体浮力同数量级，与以忽略。
对于水柱，气体浮力可∴∴>>N N N N 6.1178.58,6.11798100二、 气体流动的基本理论质量守恒原理 ——连续性方程热力学第一定律——能量方程（柏努利方程） 牛顿第二定律 ——动量方程 1、 连续性方程在流场中取微元六面体，根据质量守恒定律，推出空间流动的连续性方程推导条件假设:在流场中取一微元体,以微元体的中心为坐标园点,微元体中心的气体物理参数,密度为ρ,速度为:u x ,u y , u z ,则在微元体的左、右两则面及其它几个面上的参数如图所示。
以x气体流出微元体的质量：则流入流出微元体的质量差值：经简化：在x同理：在y在z方程适用条件：可压缩流体，恒定流和非恒定流。
1） 对于定常流动:由于运动参数ρ不随时间变化，则：或为：0)(=u div ρ2）对于不可压缩流体，ρ=常数，上式变为：即：0)(=u div2、 能量方程——柏努力方程气体流动和其它物体运动一样都有具有能，从热力学的角度来讲流动着的气体具有机械能和内能。
在流场中，我们取一微元控制体，对微元体来说，根据热力学第一定律可知，热过程中，体系所吸收的热量，除了对外做功，余下的就是过程前后体系的能量变化。
或者说，进入微元体的能量，减去出微元体的能量，应等于控制体内存储能量的增量。
对微元体来说，体系吸收的热量为：Q流动时具有的机械能：对外做净功：W 每个截面具有的能量和为：在稳定状态下，单位时间传入系统的热量等于系统内气体能量的增量与系统对外做出的功之和。
根据能量进出系统没有造成系统内热量变化时，该方程称为引申的柏努力方程。
与以前的柏努力方程对比（流动方向1→2），教材p5图1-3所示可压缩流体 还可以看出，有两点不同：W有两种情况：W可为系统向外界作功，W也可为外界向系统作功；现在的式子可以适用于可压缩流体，而以前的式子只适用于不可压缩流体。
3、能量方程应用时注意的问题1）注意的是：以上的讨论都是在稳态情况下的，对于非稳态，情况就很复杂，在此就不进行讨论。
2）在稳态情况下，流体流过1、2断面时时，其质量是相等的，能量是平衡的，另外，我们在应用能量平衡方程时，要清楚的知道，体系一定是绝热的，并未对外界做功。
也就是说体系的热量变化为零，作功为零。
这样才有：式中：第一项为气体的位能，第二项为气体的焓，第三项为气体的动能。
其中，第二项焓p是一个与气体密度有关的参数，而气体密度大小反映了其膨胀性与压缩性，这使得问题复杂化了。
但在实际工程中，可以对气体流动全程进行分段处理，使每段的密度变化较小，这样上式就可以应用于实际工程中了3）还要注意的是：气体在实际流动过程中，不可避免的要有各种阻力存在，使气体流动过程中各断面的能量发生变化，所以对于这种情况就用：4）对于实际工程中，气体在流动过程中，总是存在着热量的交换，并非理想的绝热或可逆状态，这时伯努利方程就是近似应用了。
如果是等温流动，则是比较理想的状态了。
5)柏努利方程在实际应用时,是以缓变流为前提的,也就是说各截面应取处的流动状态不应是急变状态,即不能急剧扩散,也不能是急剧转弯。
6）为了处理问题方便，各截面上的压力变化不大，也就是说气体的密度变化不大，即是各个不同的截面只要压强差小于20%时，造成的误差可以接受。
4、动量方程——动量守恒定律讨论气体流动的动量方程是以流动控制体为研究对象，探讨作用在该控制体上的各外力之合对对象作用的结果，即控制体各断面的动量的变化。
如下各式的表示：或：)(12xxxuuVF-=∑ρ)(12yyyuuVF-=∑ρ)(12zzzuuVF-=∑ρ如果所讨论的流动是稳态的，则称上述方程为气体稳态流动动量方程，其中：u1、u2两个研究断面上的气体流速。
应用动量方程时注意的事项1）当作用于研究对象的合外力相等时，即∑F=0时，则称该体系为动量守衡。
2）使用动量守衡方程式时，可以不考虑界区中进行的过程，只根据断面上的气体参数进行各项流动计算3）可用于两断面上气体密度不同的实际工程中，以解决能量方程解决不了的压差解问题。
也就是说，当两断面密度不同时，用能量方程只能求：而动量方程则为∑F=mu2-mu1, ∑F 中直接与（p2-p1)压差有关，所以，在并联管排气的动力学平衡计算中，不能使用能量方程，而只能使用动量方程。
4）动量方程是喷射器和喷射式煤气烧嘴工作的理论基础。
第二节窑炉系统中不可压缩气体的流动一、二气流的柏努利方程1、单一气体的伯努利方程前面所述的气体流体力学柏努利方程式为适用条件：a) 不可压缩流体；b)质量力仅有重力；c)恒定流动；d)缓变流；流量没有损失；e)两截面处的压强差变化不大。
注意问题：基准面的选择一定在下方2、二气流流体的柏努利方程的推导两气流流体是指有冷、热两种气体存在的流动体系，在这个体系中，热气流在冷气体的浮力作用下的热气体运动的能量方程——伯努利方程。
1）、方程的推导假设条件：不可压缩流体；质量力仅有重力；恒定流动; 流动过程中没有质量的减少2)具体推导过程如右图：设：在硅酸盐窑炉中，窑内为热气体，窑外为冷气体，取1、2两个有效断面选0-0为基准面，则：列出1与2截面之间的柏努利方程：对于冷气体：2211a a a a p z p z +=+γγ(a)-(b)因为热气体：a r r < 所以，方程变为令 H 1=-z 1，H 2=-z 2 ，则规定：运用该方程时：基准面取在上方，向下为正，向上为负。
区别单一流体力学的柏努利方程之处： z 1、z 2为流体力学中，向上为正，向下为负； H 1、H 2为热工工程中，向上为负，向下为正方程就是窑炉中二气流的柏努利方程，还可以写成 ：∑-+++=++)21(222111l k s ge k s ge h h h h h h h其中：)(γγ-=a ge H h 为几何压头a s p p h -=为静压头∑-)21(l h为损失头2、方程的物理意义:表示流动过程中能量的守恒关系。
