工程热力学与传热学气体的流动.ppt

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1、工程热力学与传热学工程热力学与传热学工程热力学工程热力学第五章第五章 气体的流动气体的流动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、掌握滞止焓、临界参数等基本概念和相关计算。研究内容研究内容：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。基本要求基本要求简化1.系统：稳定流动2.一元（维）3.绝热、可逆4.比热为定值5-1 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动是指流体的一切参数仅沿一个方向（如管道的长度方向）变化，且流动过程不随时间而变化。本

2、章讨论的气体流动仅限于一元稳定流动1.连续性方程 对对于于稳稳定定流流动动，流流过过流流道道任任何一个截面的流量必定相等。何一个截面的流量必定相等。适用范围：适用范围：在推导过程中没有加入任何限制性条件，适用于：1.任何一元稳定流动；任何一元稳定流动；2.任何工质；任何工质；3.可逆与不可逆的过程。可逆与不可逆的过程。2.能量方程能量方程式式 根据稳定流动能量方程根据稳定流动能量方程对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况可见，相对管道中的任意两个截面而言可见，相对管道中的任意两个截面而言若气流的焓若气流的焓 h，则流速，则流速c；反之，若气

3、流的焓反之，若气流的焓h，则流速，则流速c 适用范围：适用范围：1.绝热稳定流动；绝热稳定流动；2.任何工质；任何工质；3.可逆与不可逆的过程可逆与不可逆的过程。3.3.过程方程式过程方程式 本章只讨论绝热流动，如果不考虑摩擦，也本章只讨论绝热流动，如果不考虑摩擦，也就是定熵过程。就是定熵过程。对于定熵（可逆绝热）流动过程对于定熵（可逆绝热）流动过程，任意两截，任意两截面上的面上的p和和v应满足：应满足：过程方程过程方程 连续性方程连续性方程能量方程能量方程 小结小结 描写机器稳定的、不作功、可逆绝热流动的描写机器稳定的、不作功、可逆绝热流动的三个基本过程三个基本过程 工程上常有将气流加速或加

4、压的要求。例如：工程上常有将气流加速或加压的要求。例如：利用利用喷管喷管将蒸汽流加速，冲动汽轮机的叶轮作功；将蒸汽流加速，冲动汽轮机的叶轮作功；喷喷气气式式发发动动机机则则利利用用喷喷管管将将气气流流加加速速后后喷喷出出，产产生生巨巨大大的的反反作作用力来推动装置运动用力来推动装置运动 通过通过扩压管扩压管利用气流的宏观运动动能令气流升压利用气流的宏观运动动能令气流升压 气气流流的的这这种种加加速速或或扩扩压压过过程程可可以以仅仅利利用用气气流流的的热热力力学学状状态态或或运运动状态变化来实现，无需借助其它机械设备动状态变化来实现，无需借助其它机械设备 5.2 促使流速改变的条件促使流速改变的

5、条件 1.力学条件力学条件 要使工质产生流动必须有压差，即对工质有推动力作用，工质才能流动。促进流速变化所需的力学条件可由分析流速改变dc与压力变化dp的之间的关系得出。联立流动能量方程式和热力学第一定律表达式：可得：微分式：结论：dc、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。音速马赫数令音速音速 通常所说的音速指声波在空气中的传播速度通常所说的音速指声波在空气中的传播速度 音速不是固定的，与传播介质的音速不是固定的，与传播介质的物性物性、热力状态热力状态有关有关对理想气体音速只与温度有关对理想气体音速只与温度有关对对实实际际气气体体音音速速a不

6、不仅仅与与温温度度T 有有关关，还还与与气气体体的的压压力力P或或比比体体积积v有关有关 水蒸气水蒸气中的音速也借用上式计算，其中的中的音速也借用上式计算，其中的k值按前述值按前述经验值经验值选取选取 流流道道中中气气体体热热力力学学状状态态不不断断变变化化，沿沿程程不不同同截截面面上上音音速速各各不不相相同，对特定截面一般都强调为同，对特定截面一般都强调为“当地音速当地音速”马赫数马赫数 马赫数马赫数(M)流道中某一截面上的气体流速与当地音速之比流道中某一截面上的气体流速与当地音速之比 亚音速亚音速气体的流速小于当地音速气体的流速小于当地音速，M 1 喷管（燃气轮机的喷管）喷管（燃气轮机的喷

7、管）(3)喷管和扩压管喷管和扩压管气流通过后能令气流气流通过后能令气流P，c的流道的流道扩压管（叶轮式压气机的扩压管）扩压管（叶轮式压气机的扩压管）气流通过后能令气流气流通过后能令气流P ，c 的流道的流道2.几何条件 气流速度与压力的反方向变化需通过管道截面积有规律地变化来促成,因此几何条件可由分析流速改变dc与流道截面积变化dA的关系得出。M1,亚声速流动,dA0,截面扩张；对于喷管（dc 0)时，截面形状与流速间的关系：相应对喷管的要求：对亚音速气流做成渐缩喷管对超音速气流做成渐扩喷管对气流由亚音速连续增至超音速时，要做成缩放喷管，或叫拉法尔喷管（Laval），只要这样才能保证气流在喷管

8、中充分膨胀，达到理想加速后果。M1,超声速流动,dA0,截面扩张；对于扩压管（dc 0)：相应对扩压管的要求：对超音速气流做成渐缩扩压管对亚音速气流做成渐扩扩压管对气流连续降至亚音速时，要做成缩放扩压管。但这种渐缩渐扩扩压管中气流流动情况复杂，不能按定熵流动规律实现超音速到亚音速的连续转变临界参数缩放喷管和扩压管的最小截面处，称为喉部。此处的流速恰好等于当地音速。此处为气流从亚音速变为超音速，或从超音速变为亚音速的转折点，通常称为临界状态。对应的状态参数，称为临界参数。并加以下标cr表示。M=1，即c=a。归纳归纳：1）压差压差是使气流加速的基本条件，几何形状几何形状是使 流动可逆必不可少的条

9、件；2）气流的焓差为气流加速提供了能量；3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉法尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速 达当地音速，5-3 气体流经喷管的流速和流量 滞止参数：在研究流速过程中，为了表达滞止参数：在研究流速过程中，为了表达和计算方便，人们通常把气体流速为零或和计算方便，人们通常把气体流速为零或定熵压缩过程折算到流速为零的各种参数定熵压缩过程折算到流速为零的各种参数为滞止参数。用为滞止参数。用“*”标记它们。如滞止压标记它们。如滞止压力力p*、滞止温度、滞止温度T*、滞止焓、滞止焓h*等。等。气体从滞止状态（气体从滞止状态（c*=0）开始，在喷管中）开始，在喷管中随着

10、喷管截面积的变化，流速（随着喷管截面积的变化，流速（c）不断增）不断增加，其他状态参数（加，其他状态参数（p，v，T，h）也相应）也相应地跟着变化。地跟着变化。1.流速气体通过任意截面是流速为c，可根据能量方程式计算：适用于绝热流动过程，与工质无关，与过程是否可逆无关理想气体2、临界压力比临界截面定义临界压比：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：临界速度：3、流量计算4、滞止参数计算例5-1例5-2课后作业思考题1