机械设计第八章精选PPT.ppt
机械设计第八章第1页，此课件共45页哦1、掌握定熵稳定流动的基本方程；2、理解促使流速改变的力学条件和几何条件的基本涵义；3、掌握喷管中气体流速、流量的计算，会进行喷管外形的选择和尺寸的计算；4、掌握临界参数等基本概念和相关计算。研究内容：主要研究流体流过变截面短管（喷管和扩压管）时，其热力状态、流速与截面积之间的变化规律。基本要求：第2页，此课件共45页哦1、沿流动方向上的一维问题：取同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值。2、可逆绝热过程：流体流过管道的时间很短，与外界换热很小，可视为绝热，另外，不计管道摩擦。稳定流动：流体在流经空间任何一点时，其全部参数都不随时间而变化的流动过程。简化假设：第3页，此课件共45页哦8 81 1稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式 一、连续性方程一、连续性方程稳定流动中，任一截面的所有参数均不随时间稳定流动中，任一截面的所有参数均不随时间而变，故流经一定截面的质量流量应为定值，不随而变，故流经一定截面的质量流量应为定值，不随时间而变时间而变 。如图取截面11和22，两截面的质量流量分别为qm1、qm2，流速cf 1、cf 2，比体积为v1和v2，截面积A1、A2第4页，此课件共45页哦根据质量守恒定律：根据质量守恒定律：微分：微分：以上两式为稳定流动的连续方程式。它描述了流以上两式为稳定流动的连续方程式。它描述了流道内的流速、比体积和截面积之间的关系。普遍适用道内的流速、比体积和截面积之间的关系。普遍适用于稳定流动过程。于稳定流动过程。第5页，此课件共45页哦1）对于不可压流体（dv=0），如液体等，流体速度的改变取决于截面的改变，截面积A与流速cf成反比；2）对于气体等可压流，流速的变化取决于截面和比体积的综合变化。结论：结论：第6页，此课件共45页哦二、稳定流动能量方程式二、稳定流动能量方程式由流动能量方程：由流动能量方程：不计位能，无轴功，绝热，则：不计位能，无轴功，绝热，则：微分上式：微分上式：喷管内流动的能喷管内流动的能量变化基本关系量变化基本关系式。式。第7页，此课件共45页哦1、气体动能的增加等于气流的焓降2、任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，把两者之和定义为一个参数：总焓或滞止焓h0结论：结论：第8页，此课件共45页哦气体在绝热流动过程中，因受到某种阻碍流速降为气体在绝热流动过程中，因受到某种阻碍流速降为零的过程。零的过程。在绝热滞止时的温度和压力称为滞止温度在绝热滞止时的温度和压力称为滞止温度T T0 0和滞止和滞止压力压力p p0 0。若过程为定熵滞止过程：。若过程为定熵滞止过程：绝热滞止过程：绝热滞止过程：第9页，此课件共45页哦在稳定流动过程中，若：在稳定流动过程中，若：1 1）任一截面上的参数不随时间而变化；）任一截面上的参数不随时间而变化；2 2）与外界没有热量交换；）与外界没有热量交换；3 3）流经相邻两截面时各参数是连续变化；）流经相邻两截面时各参数是连续变化；4 4）不计摩擦和扰动；）不计摩擦和扰动；三、过程方程式三、过程方程式则过程是可逆绝热过程。任意两截面上气体的状态参数可用则过程是可逆绝热过程。任意两截面上气体的状态参数可用可逆绝热过程方程式描述，对理想气体（定比热容）有：可逆绝热过程方程式描述，对理想气体（定比热容）有：微分上式，得：微分上式，得：第10页，此课件共45页哦Ma1 亚声速Ma1 气流速度等于当地声速Ma1 超声速四、音速方程四、音速方程对于理想气体得：对于理想气体得：马赫数：气体的流速与当地声速的比值。马赫数：气体的流速与当地声速的比值。第11页，此课件共45页哦8-2 8-2 促使流速改变的条件促使流速改变的条件喷管：流速升高的管道；扩压管：流速降低、压力升高的管道。由流体力学的观点可知，要使工质的流速改变，可通过以下两种方法达到：1）截面积不变，改变进出口的压差力学条件；2）固定压差，改变进出口截面面积几何条件。第12页，此课件共45页哦一、力学条件一、力学条件联立流动能量方程式和热力学第一定律表达式：联立流动能量方程式和热力学第一定律表达式：可得：可得：第13页，此课件共45页哦微分式：微分式：结论：结论：dcdcf f、dpdp的符号始终相反，即：气体在流动过程中流的符号始终相反，即：气体在流动过程中流速增加，则压力下降；如压力升高，则流速必降低。速增加，则压力下降；如压力升高，则流速必降低。第14页，此课件共45页哦 Ma1时，dv/v1时，dv/vdcf/cf二、几何条件二、几何条件该式揭示了定熵流动中气体比体积变化率和流该式揭示了定熵流动中气体比体积变化率和流速变化率之间的关系：速变化率之间的关系：第15页，此课件共45页哦结论：结论：当流速变化时，气流截面积的变化规律不但与流速的变化有关，还与当地马赫数有关。第16页，此课件共45页哦Ma1,亚声速流动,dA0,截面扩张；对于喷管（对于喷管（dcdcf f 0)0)时，截面形状与流速间的关系：时，截面形状与流速间的关系：第17页，此课件共45页哦Ma1,超声速流动,dA0,截面扩张；对于扩压管管（对于扩压管管（dcdcf f 0)0)：第18页，此课件共45页哦8 83 3喷管的计算喷管的计算喷管的计算：喷管的计算：喷管的设计计算：据给定条件（气流初参数、流量及背压），选择喷管的外形及确定几何尺寸。喷管的校核计算：已知喷管的形状和尺寸及不同的工作条件，确定出口流速和通过喷管的流量。第19页，此课件共45页哦一、流速计算及其分析一、流速计算及其分析1 1、计算流速的公式：、计算流速的公式：出口流速：出口流速：不计不计c cf f 1 1，则，则第20页，此课件共45页哦假设：1）理想气体；2）定值比热容；3）流动可逆；4）满足几何条件。2 2、状态参数对流速的影响、状态参数对流速的影响第21页，此课件共45页哦第22页，此课件共45页哦在初态确定的条件下：在初态确定的条件下：第23页，此课件共45页哦当当p p2 20 0时，出口速度达最大，即：时，出口速度达最大，即：此速度实际上是达不到的，因为压力趋于零时比体积趋此速度实际上是达不到的，因为压力趋于零时比体积趋于无穷大。于无穷大。第24页，此课件共45页哦3 3、临界压力比、临界压力比在临界截面上：在临界截面上：定义临界压比：定义临界压比：双原子气体：k=1.4 cr=0.528过热蒸汽：k=1.3 cr=0.546干饱和蒸汽：k=1.135 cr=0.577第25页，此课件共45页哦临界压力比是分析管内流动的一个重要数值，截面上工质的压力与滞止压力之比等于临界压力比是气流速度从亚声速到超声速的转折点；以上分析在理论上只适用于定比容理想气体的可逆绝热流动，对于水蒸气的可逆绝热流动，k 为一经验值，不是比热比。结论：结论：第26页，此课件共45页哦临界速度：临界速度：第27页，此课件共45页哦二、流量计算二、流量计算收缩喷管：收缩喷管：缩放喷管：缩放喷管：根据连续方程，喷管各截面的质量流量相等。但各种形式喷管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收缩喷管的出口截面、缩放喷管的喉部截面）来计算流量，即：第28页，此课件共45页哦代入速度公式可得：代入速度公式可得：第29页，此课件共45页哦第30页，此课件共45页哦结论：结论：当当A A2 2及进口截面参数保持不变时：及进口截面参数保持不变时：对于收缩喷管：对于收缩喷管：？第31页，此课件共45页哦 对于缩放喷管：对于缩放喷管：尽管在喉道后气流速度达到超音速，喷管截面面积扩尽管在喉道后气流速度达到超音速，喷管截面面积扩大，但据质量守恒原理其截面上的质量流量与喉道处相等，大，但据质量守恒原理其截面上的质量流量与喉道处相等，因此流量保持不变，如图中曲线因此流量保持不变，如图中曲线bcbc。在正常工作条件下：在正常工作条件下：在喉道处：在喉道处：第32页，此课件共45页哦三、喷管外形和尺寸计算三、喷管外形和尺寸计算设计目的：1、确定喷管几何形状；2、保证气流充分膨胀。第33页，此课件共45页哦1 1、外形选择：、外形选择：渐缩喷管渐缩喷管缩放喷管缩放喷管第34页，此课件共45页哦2 2、尺寸计算、尺寸计算渐缩喷渐缩喷管：缩放喷管：缩放喷管：第35页，此课件共45页哦8-5 8-5 有摩阻的绝热流动有摩阻的绝热流动由于存在摩擦，实际流动是不可逆过程，过程中由于存在摩擦，实际流动是不可逆过程，过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。焓的增加量等于动能焓的增加量等于动能的减小量的减小量 有摩阻的绝热流动：由能量方程式得：由能量方程式得：第36页，此课件共45页哦 速度系数速度系数：能量损失系数能量损失系数：工程上表示气流出口速度下降和动能减小的两个系数：工程上表示气流出口速度下降和动能减小的两个系数：第37页，此课件共45页哦8 86 6 绝热节流绝热节流流体流经阀门、孔板等设备时，由于局部阻力，使流体压力下降，称为节流现象。如果节流过程是绝热的，则为绝热节流，简称节流。一、绝热节流的特点一、绝热节流的特点一、绝热节流的特点一、绝热节流的特点 节流过程不可逆节流过程不可逆节流过程不可逆节流过程不可逆 节流前后流体的焓不变节流前后流体的焓不变节流前后流体的焓不变节流前后流体的焓不变 节流后压力下降、比体积增大节流后压力下降、比体积增大第38页，此课件共45页哦二、节流的温度效应二、节流的温度效应 绝热节流后流体的温度变化称为节流的温度效应绝热节流后流体的温度变化称为节流的温度效应绝热节流后流体的温度变化称为节流的温度效应绝热节流后流体的温度变化称为节流的温度效应节流冷效应节流冷效应节流热效应节流热效应节流零效应节流零效应 对于理想气体，只有节流零效应，因为对于理想气体，只有节流零效应，因为第39页，此课件共45页哦 绝热节流系数（焦耳汤姆逊系数）：绝热节流系数（焦耳汤姆逊系数）：节流冷效应节流冷效应节流热效应节流热效应节流零效应节流零效应 因为节流过程压力下降，即因为节流过程压力下降，即dp0dp0第40页，此课件共45页哦三、温度效应转变图三、温度效应转变图保持状态保持状态1 1不变，改变流体的流量得出一组不变，改变流体的流量得出一组节流后状态点节流后状态点2a,2b,2c,2d2a,2b,2c,2d第41页，此课件共45页哦三、温度效应转变图三、温度效应转变图 在一定焓值范围内，定焓线都有一个温度极值点：定焓线定焓线的斜率的斜率这些点称为转变点，转变点的连线为转变（转回）曲线。转点这些点称为转变点，转变点的连线为转变（转回）曲线。转点曲线将图分为两个区域：曲线将图分为两个区域：冷效应区（J0）：转变曲线与温度轴包围的区域热效应区（J0）：转变曲线以外的区域第42页，此课件共45页哦三、温度效应转变图三、温度效应转变图 节流过程三种状况1、节流过程发生在冷效应区，恒有J0，节流冷效应。2、节流过程发生在热效应区，恒有J0，节流热效应。3、节流过程状态1在热效应区，而状态点2在冷效应区，这时节流温度效应还与dp有关。图中12c为热效应，12d为零效应，1-2e为冷效应。第43页，此课件共45页哦四、最大转变压力四、最大转变压力 图中pN为最大转变压力 流体在大于pN的压力范围内不会发生节流冷效应。流体在小于pN的压力范围内的任一定压线与转变曲线有两个交点，对应温度：T1 TK 最大转变温度T2 Tmin 最小转变温度p0T1上转变温度T2下转变温度 流体温度大于TK或小于Tmin 时，不会发生节流冷效应。第44页，此课件共45页哦五、节流过程的应用五、节流过程的应用 制冷 调节功率 流体流量测量（孔板流量计）建立实际气体状态方程式第45页，此课件共45页哦
