气体与蒸汽的流动精选课件.ppt

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1、关于气体与蒸汽的流动1第一页，本课件共有43页涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机第二页，本课件共有43页3喷气发动机是由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管五大部件组成。工作原理：足够量的空气，通过进气道以最小的流动损失顺利地引入压气机；压气机以高速旋转的叶片对空气作功压缩空气，提高空气的压力；高压空气在燃烧室内和燃油混合，燃烧，将化学能转变为热能，形成高温高压的燃气；高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀，推动涡轮旋转，去带动压气机；然后燃气在喷管内继续膨胀，加速燃气，提高燃气的速度，使燃气以较高的速度喷出，产生推力。第三页，本课件共有43页4涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机 涡喷发动机的主要结构如上图，空气首

2、先进入进气道，因为飞机飞行的状态是变化的，进气道需要保证空气最后能顺利的进入下一结构：压气机(compressor，或压缩机)。进气道的主要作用就是将空气在进入压气机之前调整到发动机能正常运转的状态。在超音速飞行时，机头与进气道口都会产生激波(shockwave，又称震波)，空气经过激波压力会升高，因此进气道能起到一定的预压缩作用，但是激波位置不适当将造成局部压力的不均匀，甚至有可能损坏压气机。所以一般超音速飞机的进气道口都有一个激波调节锥，根据空速的情况调节激波的位置。第四页，本课件共有43页5压气机由定子(stator)页片与转子(rotor)页片交错组成，一对定子页片与转子页片称为一级，

3、定子固定在发动机框架上，转子由转子轴与涡轮相连。现役涡喷发动机一般为812级压气机。级数越多越往后压力越大，当战斗机突然做高g机动时，流入压气机前级的空气压力骤降，而后级压力很高，此时会出现后级高压空气反向膨胀，发动机工作极不稳定的状况，工程上称为“喘振”，这是发动机最致命的事故，很有可能造成停车甚至结构毁坏。防止“喘振”发生有几种办法。经验表明喘振多发生在压气机的5，6级间，在次区间设置放气环，以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。或者将转子轴做成两层同心空筒，分别连接前级低压压气机与涡轮，后级高压压气机与另一组涡轮，两套转子组互相独立，在压力异常时自动调节转速，也可避免喘振。第五页，

4、本课件共有43页6燃烧室与涡轮燃烧室与涡轮 空气经过压气机压缩后进入燃烧室与煤油混合燃烧，膨胀做功；紧接着流过涡轮，推动涡轮高速转动。因为涡轮与压气机转子连在一根轴上，所以压气机与涡轮的转速是一样的。最后高温高速燃气经过喷管喷出，以反作用力提供动力。燃烧室最初形式是几个围绕转子轴环状并列的圆筒小燃烧室，每个筒都不是密封的，而是在适当的地方开有孔，所以整个燃烧室是连通的，后来发展到环形燃烧室，结构紧凑，但是整个流体环境不如筒状燃烧室，还有结合二者优点的组合型燃烧室。第六页，本课件共有43页7喷管及加力燃烧室喷管及加力燃烧室 喷管(nozzle，或称喷嘴)的形状结构决定了最终排除的气流的状态，早期

5、的低速发动机采用单纯收敛型喷管，以达到增速的目的。根据牛顿第三定律，燃气喷出速度越大，飞机将获得越大的反作用力。但是这种方式增速是有限的，因为最终气流速度会达到音速，这时出现激波阻止气体速度的增加。而采用收敛扩张喷管（也称为拉瓦尔喷管）能获得超音速的喷气流。飞机的机动性来主要源于翼面提供的空气动力，而当机动性要求很高时可直接利用喷气流的推力。在喷管口加装燃气舵面或直接采用可偏转喷管（也称为推力矢量喷管，或向量推力喷嘴）是历史上两种方案，其中后者已经进入实际应用阶段。著名的俄罗斯Su-30、Su-37战机的高超机动性就得益于留里卡设计局的AL-31推力矢量发动机。燃气舵面的代表是美国的X31技术

6、验证机。第七页，本课件共有43页8第六章第六章 气体和蒸汽的流动气体和蒸汽的流动Gas and Steam Flow6-1 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式6-2 促使流速改变的条件促使流速改变的条件6-3 喷管计算喷管计算6-4 有摩擦的绝热流动有摩擦的绝热流动6-5 绝热节流绝热节流第八页，本课件共有43页9 工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管特别是喷管(nozzle,jet)、扩压管、扩压管(diffuser)及节流阀及节流阀(throttle valve)内流动过程的能量转换情况。内流动过程的能量转换情况。第九页，本课

7、件共有43页1061 稳稳定流定流动动的基本方程式的基本方程式一、一、简化简化稳定稳定绝热绝热一维一维可逆可逆参数取平均值参数取平均值第十页，本课件共有43页11 二、稳定流动基本方程二、稳定流动基本方程 1.质量守恒方程（连续性方程）质量守恒方程（连续性方程）(continuity equation)p1T1qm1cf1p2T2qm2cf2第十一页，本课件共有43页122.过程方程过程方程3.稳定流动能量方程稳定流动能量方程(steady-flow energy equation)第十二页，本课件共有43页134.声速方程声速方程等熵过程中等熵过程中所以所以第十三页，本课件共有43页14注意

8、：注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速。声速是状态参数，因此称当地声速。如空气，如空气，2）马赫数马赫数(Mach number)（subsonic velocity）（supersonic velocity）（sonic velocity）亚声速亚声速声速声速超声速超声速第十四页，本课件共有43页1562 促使流速改促使流速改变变的条件的条件一、力学条件一、力学条件流动可逆绝热流动可逆绝热能量方程能量方程力学条件力学条件第十五页，本课件共有43页16讨论讨论：喷管喷管扩压管扩压管2）是压降，是焓是压降，是焓（即技术功）转换成机械能。（即技术功）转换成机械能。的能量来源的能量来源1）异号异

9、号第十六页，本课件共有43页17二、几何条件二、几何条件力学条件力学条件过程方程过程方程连续性方程连续性方程几何条件几何条件第十七页，本课件共有43页18讨论讨论：1）A的关系与的关系与Ma有关，对于喷管有关，对于喷管渐缩喷管渐缩喷管（convergent nozzle）第十八页，本课件共有43页19 截面上截面上Ma=1、cf=c，称，称临界截面临界截面(minimum cross-sectional area)也也称称喉部喉部(throat)截面截面，临界截面上速度达当地音速临界截面上速度达当地音速(velocity of sound)称称临界压力临界压力(critical pressur

10、e)、临界温度临界温度及及临界比体积。临界比体积。第十九页，本课件共有43页20归纳归纳：1）压差压差是使气流加速的基本条件，是使气流加速的基本条件，几何形状几何形状是使流动可逆必不是使流动可逆必不可少的条件；可少的条件；2）气流的）气流的焓焓（即技术功）为气流加速提供能量；（即技术功）为气流加速提供能量；3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速第二十页，本课件共有43页21 燃气以质量流量 流经一喷管。在喷管入口截面处的压力、温度和流速分

11、别为 在喷管出口截面处压力为 。设流动工质为理想气体且 ，流动过程为可逆绝热过程。试求喷管出口截面处的温度、流速、比体积和截面面积。当地音速为438.22m/s，判断此喷管类型？第二十一页，本课件共有43页2263 喷喷管管计计算算一、流速计算及分析一、流速计算及分析1.计算式计算式注意：注意：a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；b）式中）式中h，J/kg，cf，m/s，但一般资料提供，但一般资料提供 h，kJ/kg。2.初态参数对流速的影响初态参数对流速的影响：为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实为分析方便，取理想气体、定比热，但

12、结论也定性适用于实际气体。际气体。第二十二页，本课件共有43页23二、流量计算及分析二、流量计算及分析1.计算式计算式通常通常收缩喷管收缩喷管出口截面出口截面缩放喷管缩放喷管喉部截面喉部截面出口截面出口截面第二十三页，本课件共有43页242.初参数对流量的影响初参数对流量的影响分析：分析：a）第二十四页，本课件共有43页25确定确定第二十五页，本课件共有43页26 b）结合几何条件和质量守恒方程：结合几何条件和质量守恒方程：图中图中收缩喷管收缩喷管缩放喷管缩放喷管且喷管初参数及且喷管初参数及p2确定后，确定后，喷管各截面上喷管各截面上qm相同，并相同，并不随截面改变而改变。不随截面改变而改变。

13、第二十六页，本课件共有43页27三、喷管设计三、喷管设计据据p1，v1，T1背压背压 pb功率功率喷管形状喷管形状几何尺寸几何尺寸首先确定首先确定pcr与与pb关系，然后选取恰当的形状关系，然后选取恰当的形状初参数初参数1.外形选择外形选择第二十七页，本课件共有43页28第二十八页，本课件共有43页292.几何尺寸计算几何尺寸计算A1往往已由其他因素确定往往已由其他因素确定太长太长摩阻大摩阻大过大，产生涡流过大，产生涡流(eddy)太短太短第二十九页，本课件共有43页30 四、工作条件变化时喷管内流动过程简析四、工作条件变化时喷管内流动过程简析 喷管在非设计工况下运行，尤其是背压变化较大最终是

14、造成动能损喷管在非设计工况下运行，尤其是背压变化较大最终是造成动能损失。失。1.收缩喷管收缩喷管背压背压pb出口截面压力出口截面压力p2运行工况运行工况第三十页，本课件共有43页312.缩放喷管缩放喷管1）若）若pbpb过度膨胀过度膨胀(over expansion)，产生激波产生激波(shock wave)第三十一页，本课件共有43页32例例A4511661例例A451266例例A451377第三十二页，本课件共有43页3374 有摩擦的绝热流动有摩擦的绝热流动一、摩阻对流速的影响一、摩阻对流速的影响定义：喷管速度系数定义：喷管速度系数(velocity coefficient of noz

15、zle)一般在0.920.98第三十三页，本课件共有43页34二、摩阻对能量的影响二、摩阻对能量的影响定义：能量损失系数定义：能量损失系数喷管效率喷管效率注意：注意：？第三十四页，本课件共有43页35三、摩阻对流量的影响三、摩阻对流量的影响若若p2、A2不变不变据据例例A4512871第三十五页，本课件共有43页3675 绝热节绝热节流流一、绝热节流一、绝热节流(adiabatic throttling)定义：由于局部阻力，使流体定义：由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。压力降低的现象。节流现象特点：节流现象特点：1)p2s1,I=T0sg 3)h1=h2，但节流过程并非，但节流过程并非 等

16、焓过程；等焓过程；4)T2可能大于等于或小于可能大于等于或小于T1 理想气体理想气体T2=T1。第三十六页，本课件共有43页37二、节流后的温度变化二、节流后的温度变化 1.焦耳焦耳-汤姆逊系数（汤姆逊系数（Joule-Thomson coefficient）据据令令焦耳焦耳-汤姆逊系数（也称节流微分效应）汤姆逊系数（也称节流微分效应）第三十七页，本课件共有43页38如理想气体如理想气体降温降温升温升温不变不变第三十八页，本课件共有43页392.转回温度转回温度(inversion temperature)节流后温度不变的状态的温度节流后温度不变的状态的温度把气体的状态方程代入把气体的状态方程

17、代入J表达式即表达式即可求得不同压力下的转回温度曲可求得不同压力下的转回温度曲线，转回曲线线，转回曲线(inversion curve)。例如例如 理想气体转回温度为一直线；理想气体转回温度为一直线；实际气体，如用范氏方程实际气体，如用范氏方程代入代入J可得可得或或第三十九页，本课件共有43页40若令若令p=0，得，得 3.节流的积分效应节流的积分效应 节流时状态在致冷区则节流时状态在致冷区则T下降，下降，节流时状态在致温区则节流时状态在致温区则T上升或下降取决于上升或下降取决于p的大小的大小 当气体温度当气体温度TTi,max或或TT1常温常压下节流常温常压下节流T下降下降第四十页，本课件共有43页41三、水蒸气节流过程三、水蒸气节流过程1）节流后温度稍有下降）节流后温度稍有下降2）但少作功但少作功作功能力损失作功能力损失？四、节流现象的工程应用四、节流现象的工程应用气体液化气体液化发动机功率调节发动机功率调节孔板流量计，干度计孔板流量计，干度计 利用利用J，结合实验，建立实际气体微分方程，结合实验，建立实际气体微分方程热网中蒸汽降压热网中蒸汽降压第四十一页，本课件共有43页42例例A652266例题例题A452177下一章下一章第四十二页，本课件共有43页感感谢谢大大家家观观看看第四十三页，本课件共有43页