气体与蒸汽的流动.pptx

工质工质气体气体理想气体理想气体蒸汽蒸汽水蒸汽水蒸汽流动流动这里指流体在管道内的流动，特点是这里指流体在管道内的流动，特点是W WS S=0=0。1122ii第1页/共74页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：8-1 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式第2页/共74页一、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而变，故流经一定截面的质量流量应为定值，不随时间而变。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3页/共74页根据质量守恒定律：对上式两端微分，得：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。普遍适用于稳定流动过程。（8-1）（8-2）第4页/共74页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：第5页/共74页二、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：不计位能，无轴功，绝热，则：微分上式：喷管内流动的能量变化基本关系式。第6页/共74页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：第7页/共74页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。在绝热滞止时的温度和压力称为滞止温度T0和滞止压力p0。若过程为定熵滞止过程：绝热滞止过程：第8页/共74页01h0hp0p1s定熵滞止过程可获得最高的压力定熵滞止过程可获得最高的压力定熵滞止过程可获得最高的压力定熵滞止过程可获得最高的压力第9页/共74页在稳定流动过程中，若：1）任一截面上的参数不随时间而变化；2）与外界没有热量交换；3）流经相邻两截面时各参数是连续变化；4）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：第10页/共74页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：马赫数：气体的流速与当地声速的比值。第11页/共74页喷管：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。8-2 8-2 促使流速改变的条件促使流速改变的条件第12页/共74页一一、力学条件力学条件联立流动能量方程式和热力学第一定律表达式：可得：第13页/共74页微分式：结论：dcf、dp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。第14页/共74页 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速变化率之间的关系：第15页/共74页结论：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/共74页Ma1,亚声速流动,dA0,截面扩张；1 1、喷管（、喷管（dcdcf f 0)0)的截面形状与流速间的关系的截面形状与流速间的关系第17页/共74页缩放喷管（拉伐尔喷管）：缩放喷管（拉伐尔喷管）：缩放喷管可实现气流从亚声速变为超声速，在喷管最小截面（喉部截面或临界截面）处Ma=1，在临界截面处的参数称为临界参数（以下标cr表示），如：第18页/共74页流速流速c比容比容v压力压力p音速音速a喷喷管管内内工工质质各各参参数数 沿沿流流动动方方向向的的变变化化规规律律Cc喷 管 内 工 质 各 参 数 沿 流喷 管 内 工 质 各 参 数 沿 流动 方 向 的 变 化 规 律动 方 向 的 变 化 规 律第19页/共74页Ma1,超声速流动,dA0,截面扩张。2 2、扩压管（、扩压管（dcdcf f 0)0)的截面形状与流速间的关系的截面形状与流速间的关系第20页/共74页喷管喷管混合室混合室扩压管扩压管高压工作流体高压工作流体被引射流体被引射流体工程举例工程举例1:1:引射式压缩器引射式压缩器引引 射射 器器引 射 器 示 意 图引 射 器 示 意 图第21页/共74页工程举例工程举例2:2:汽轮机的基本作功单元汽轮机的基本作功单元能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。第22页/共74页第23页/共74页第24页/共74页喷管计算的主要内容：喷管计算的主要内容：1 1 1 1、喷管的设计计算：喷管的设计计算：喷管的设计计算：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。2 2 2 2、喷管的校核计算：喷管的校核计算：喷管的校核计算：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。83喷管的计算第25页/共74页一、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：不计cf 1，则对气体性质没有规定。第26页/共74页假设：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27页/共74页第28页/共74页在初态确定的条件下：第29页/共74页当p20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于无穷大。第30页/共74页3、临界压力比在临界截面上：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31页/共74页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；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热容理想气体的可逆绝热流动，对于水蒸以上分析在理论上只适用于定比热容理想气体的可逆绝热流动，对于水蒸气的可逆绝热流动，气的可逆绝热流动，k k 为一经验值，不是比热比。为一经验值，不是比热比。结论：第32页/共74页临界速度：第33页/共74页二、流量计算二、流量计算渐缩喷管：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34页/共74页代入速度公式可得：代入速度公式可得：第35页/共74页第36页/共74页结论：当A2及进口截面参数保持不变时：对于渐缩喷管：？第37页/共74页0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 渐缩喷管流量实验曲线渐缩喷管流量实验曲线（p1=1bar t1=20）pb/p13.0kg/s2.52.01.51.00.50.0理论曲线实验测量曲线第38页/共74页 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bc。但如果出口截面面积A2保持不变，则随着p2下降，将使实际所需的喉道面积减小，则会出现流量减小，如图中虚线所示。在正常工作条件下：在喉道处：第39页/共74页0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 缩放喷管流量实验曲线缩放喷管流量实验曲线（p1=1bar t1=20）pb/p13.0kg/s2.52.01.51.00.50.0理论曲线实验测量曲线第40页/共74页三、喷管外形选择和尺寸计算三、喷管外形选择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41页/共74页1 1、外形选择：、外形选择：渐缩喷管缩放喷管第42页/共74页2 2、尺寸计算、尺寸计算渐缩喷管：缩放喷管：第43页/共74页四、喷管的校核计算（渐缩形喷管）四、喷管的校核计算（渐缩形喷管）已知喷管的形状，测量出已知喷管的形状，测量出计算计算关键是确定出口截面上的压力关键是确定出口截面上的压力步骤步骤）判断出口截面的压力）判断出口截面的压力若若若若）计算流速）计算流速）计算流量）计算流量计算压比计算压比第44页/共74页一、渐缩喷管一、渐缩喷管8-4 8-4 背压变化时喷管内流动过程简析背压变化时喷管内流动过程简析第45页/共74页二、缩放喷管二、缩放喷管在设计工况下：喉道处为临界状态，收缩段为亚音速，扩张段为超音速；图中ABC。在E处产生正激波，气流速度下降为亚音速第46页/共74页例题例题 8.1 8.1 设进入喷管的氮气的压力为设进入喷管的氮气的压力为0.4MPa0.4MPa，温度为，温度为227227，而出口背压为，而出口背压为0.15MPa,0.15MPa,试选用喷管形状，计算出口截面气体的压力、气流速度及马赫数。试选用喷管形状，计算出口截面气体的压力、气流速度及马赫数。解解 1 1）选形）选形因压比因压比所以选取缩放形喷管，且出口截面的压力应等于背压。所以选取缩放形喷管，且出口截面的压力应等于背压。2 2）计算气流的出口速度及马赫数）计算气流的出口速度及马赫数出口截面的压力出口截面的压力出口截面的温度出口截面的温度出口截面的流速出口截面的流速出口截面的音速出口截面的音速出口截面的马赫数出口截面的马赫数例题第47页/共74页例题8.2 空气自储气筒经喷管射出，空气自储气筒经喷管射出，p p0 0=78.4610=78.46105 5 Pa,t Pa,t0 0=15=15。P Pb b =0.980710=0.9807105 5 Pa Pa。若喷管的最小截面积为。若喷管的最小截面积为20mm20mm2 2,试问空气自试问空气自 喷管射出喷管射出 的的最大流量。最大流量。解 求压比求压比可知无论采用哪种喷管其最小截面处流速都等于当地音速，且流量恒为可知无论采用哪种喷管其最小截面处流速都等于当地音速，且流量恒为最小截面处的压力最小截面处的压力最小截面处的温度最小截面处的温度最小截面处的流速最小截面处的流速最小截面处的比容最小截面处的比容最大流量最大流量最大流量最大流量第48页/共74页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，过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。第49页/共74页 焓的增加量等于动能的减小量 有摩阻的绝热流动：由能量方程式得：第50页/共74页 速度系数 ：能量损失系数：工程上表示气流出口速度下降和动能减小工程上表示气流出口速度下降和动能减小的两个系数：的两个系数：第51页/共74页气体在喷管内的可逆与不可逆绝热过程的区别气体在喷管内的可逆与不可逆绝热过程的区别12T0T1Ts1s2p1p212h2h1hs1s2p1p2ss不可逆绝热流动在坐标图上的表示作功能力损失第52页/共74页hs21s2s1h1h2p1p2h1h2x=1水蒸汽的不可逆绝热流动定熵流动定熵流动实际流动实际流动能量损失能量损失续39第53页/共74页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。第54页/共74页标准孔板标准孔板法法 兰兰取样孔取样孔 孔板流量计示意图管管 道道孔 板 流 量 计示 意 图第55页/共74页123速度变化曲线压力变化曲线流体流经节流件时压力和流速的变化情况流体流经节流件时压力和流速的变化情况流体流经节流件时压力和流速的变化情况流体流经节流件时压力和流速的变化情况流 体 流 经 节 流 件 时流 体 流 经 节 流 件 时压 力 和 流 速 的 变 化压 力 和 流 速 的 变 化情 况情 况第56页/共74页一、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57页/共74页 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）：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）：二、节流的温度效应二、节流的温度效应 1 1 1 1、绝热节流系数、绝热节流系数、绝热节流系数、绝热节流系数因为:所以:第58页/共74页节流冷效应节流冷效应节流冷效应节流冷效应节流热效应节流热效应节流热效应节流热效应节流零效应节流零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，即因为节流过程压力下降，即因为节流过程压力下降，即dp0dp0 2 2 2 2、绝热节流的微分效应、绝热节流的微分效应、绝热节流的微分效应、绝热节流的微分效应 绝热节流系数又称为节流的微分效应。绝热节流系数又称为节流的微分效应。绝热节流系数又称为节流的微分效应。绝热节流系数又称为节流的微分效应。节流微分效应为零的气流温度称为转回温度。节流微分效应为零的气流温度称为转回温度。节流微分效应为零的气流温度称为转回温度。节流微分效应为零的气流温度称为转回温度。第59页/共74页 当压力变化一定值当压力变化一定值当压力变化一定值当压力变化一定值 后后后后,流体温度由流体温度由流体温度由流体温度由 变为变为变为变为 ，绝热节流后流体的温度变化称为节流的，绝热节流后流体的温度变化称为节流的，绝热节流后流体的温度变化称为节流的，绝热节流后流体的温度变化称为节流的温度（积分）效应。温度（积分）效应。温度（积分）效应。温度（积分）效应。节流冷效应节流冷效应节流冷效应节流冷效应节流热效应节流热效应节流热效应节流热效应节流零效应节流零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：3 3 3 3、绝热节流的绝热节流的绝热节流的绝热节流的积分效应积分效应积分效应积分效应积分效应与微分效应是不相同的。第60页/共74页三、温度效应转变图三、温度效应转变图保持状态1不变，改变流体的流量得出一组节流后状态点2a,2b,2c,2d第61页/共74页三、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。转变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62页/共74页三、温度效应转变图三、温度效应转变图 宏观节流过程三种状况宏观节流过程三种状况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63页/共74页四、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(微分)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64页/共74页五、节流过程的应用五、节流过程的应用 制冷(节流冷效应)调节功率(调节流量和作功能力)流体流量测量（孔板流量计）建立实际气体状态方程式第65页/共74页本章小结一、基本方程1、连续性方程2、能量方程3、过程方程4、音速方程第66页/共74页本章小结二、促使流速改变的条件1、力学条件2、几何条件第67页/共74页本章小结三、喷管计算1、流速计算理想气体第68页/共74页本章小结三、喷管计算1、流速计算理想气体第69页/共74页本章小结三、喷管计算2、流量计算渐缩喷管：缩放喷管：第70页/共74页渐缩喷管缩放喷管本章小结三、喷管计算3、外形选择第71页/共74页本章小结四、绝热节流1 1、绝热节流的特点、绝热节流的特点2 2、节流的温度效应、节流的温度效应第72页/共74页本章结束本章结束第73页/共74页感谢您的观看。第74页/共74页