工程热力学第七章气体与蒸汽的流动课件.ppt

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1、第七章第七章气体与蒸汽的流动气体与蒸汽的流动 工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位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、扩压管及节流阀内流动过程的能，特别是喷管、扩压管及节流阀内流动过程的能量转换情况。能量转换情况。1、掌握定熵稳定流动的基本方程；、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涵义；、理解促使流速改变的力学条件和几何条件的涵义；3、掌握喷管中气体流速、流量的计算，会进行喷管外、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；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。、掌握滞止焓、临界参数等

2、基本概念和相关计算。研究内容：研究内容：1、主要研究气体流过变截面短管（喷管和扩压管）、主要研究气体流过变截面短管（喷管和扩压管）时，气流参数变化与截面积的关系；时，气流参数变化与截面积的关系；2、主要研究流动过程中气体能量传递和转化问题；、主要研究流动过程中气体能量传递和转化问题；3、简要讨论绝热节流过程。、简要讨论绝热节流过程。基本要求基本要求:怎么掌握怎么掌握这些知识这些知识呢呢?1、沿沿流流动动方方向向上上的的一一维维问问题题：取取同同一一截截面面上上某某参参数的平均值作为该截面上各点该参数的值。数的平均值作为该截面上各点该参数的值。2、可可逆逆绝绝热热过过程程：流流体体流流过过管管道

3、道的的时时间间很很短短，与与外外界界换换热热很很小小，可可视视为为绝绝热热，另另外外，不不计计管管道道摩擦。摩擦。稳定流动稳定流动：流体在流经空间任何一点时，其全部参数都不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。随时间而变化的流动过程。简化假设简化假设：771 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而变，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。如图取截面如图取截面11和和22，两截面的参数为，两截

4、面的参数为质量流量：质量流量：qm1、qm2流速：流速：cf 1、cf 2比体积：比体积：v1 、v2截面积：截面积：A1、A2根据质量守恒定律：根据质量守恒定律：微分：以上两式为稳定流动的连续方程式。它描述了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。适用于稳定流动过程。1）对对于于不不可可压压流流体体（dv=0，d=0），如如液液体体等等，流流体体速速度度的的改改变变取取决决于于截截面面的的改改变变，截截面积面积A与流速与流速cf成反比；成反比；结论：结论：2）对对于于气气体体等等可可压

5、压流流，流流速速的的变变化化取取决决于于截截面面和比体积的综合变化。和比体积的综合变化。对于不可压流体对于不可压流体对于可压流体对于可压流体二、稳定流动能量方程式二、稳定流动能量方程式由热焓方程：由热焓方程：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：喷管内流动的喷管内流动的能量变化基本能量变化基本关系式。关系式。1、气体动能的增加等于气流的焓降；、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。、任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值。结论：结论：在稳定流动过程中：在稳定流动过程中：1）与外界没有热量交换；）与外界没有热量交换；2）流

6、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；3）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 过程是可逆绝热过程。任意两截面上气体的状态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：比热容）有：微分上式，得：微分上式，得：截面截面1截面截面21、2截面的状态方程？截面的状态方程？1到到2截面的过程方程？截面的过程方程？四、音速方程四、音速方程dvp+dp,+dcP，p+dppcP，c-dvp+dp,+dp+dppdvv=0c-dvccP，c-dvp+dp

7、,+d能量方程能量方程000(1)连续方程连续方程cP，c-dvp+dp,+d0(2)热焓方程热焓方程0(3)(3)(2)(1)对于理想气体定熵过程有：对于理想气体定熵过程有：Ma1 亚声速亚声速Ma1 气流速度等于当地声速气流速度等于当地声速Ma1 超声速超声速马赫数：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。假想把某截面的气流在绝热可逆条件下滞止的状假想把某截面的气流在绝热可逆条件下滞止的状态。处于定熵滞止状态的状态参数称为定熵滞止参数态。处于定熵滞止状态的状态参数称为定熵滞止参数或总参数，而具有原来速度或总参数，而具有原来速度Cf的状态参数称为静参数。的状态参数称为

8、静参数。如定熵滞止温度或总温如定熵滞止温度或总温T0（T*）、定熵滞止压力或总）、定熵滞止压力或总压压p0（P*）定熵滞止状态定熵滞止状态五、定熵滞止参数五、定熵滞止参数截面截面1截面截面21、2截面的定熵滞止参数相等吗？截面的定熵滞止参数相等吗？T0,P0T0,P0某截面处的定熵滞止参数总是存在的吗？1、总焓和静焓、总焓和静焓定义：总焓或滞止焓定义：总焓或滞止焓h0（h*）总焓或滞止焓：总焓或滞止焓：h0（h*）静焓：静焓：hh0hhs 2、总温和静温、总温和静温空气：空气：流速为音速时流速为音速时T0比气流温度大比气流温度大20。流速为流速为3倍音速时倍音速时T0为气流温度的为气流温度的2

9、.8倍。倍。当卫星返回时，表面的滞止温度可以把外壳当卫星返回时，表面的滞止温度可以把外壳熔化。熔化。为何冷风洞中吹风模型的为何冷风洞中吹风模型的温度很低？温度很低？3、总压和静压、总压和静压4、总密度或滞止密度、总密度或滞止密度*5、用滞止参数表示同一截面的状态方程、用滞止参数表示同一截面的状态方程嘿嘿嘿嘿自己证明吧，作自己证明吧，作为课后思考。为课后思考。6、用滞止参数表示熵变、用滞止参数表示熵变7-2 促使流速改变的条件、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：联立流动能量方程式和热力学第一定律表达式：可得：可得：微分式：微分式：结论：结论：dcf、dp的符号始终相反，

10、即：气体在流动过的符号始终相反，即：气体在流动过程中流速增加，则压力下降；如压力升高，则流程中流速增加，则压力下降；如压力升高，则流速必降低。速必降低。二、几何条件二、几何条件结论：结论：当流速变化时，气流截面积的变化规律不但当流速变化时，气流截面积的变化规律不但与流速是高于当地声速还是低于当地声速有关，与流速是高于当地声速还是低于当地声速有关，还与流速是增加还是降低，即是喷管还是扩压管还与流速是增加还是降低，即是喷管还是扩压管有关。有关。Ma1,亚声速流动亚声速流动,dA0,截面扩张截面扩张对于喷管对于喷管（dcf 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：缩放喷管（拉伐尔

11、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）处喷管最小截面（喉部截面或临界截面）处Ma=1，在，在临界截面处的参数称为临界参数（以下标临界截面处的参数称为临界参数（以下标cr表示），表示），如：如：喷管内参数变化示意图喷管内参数变化示意图vC：当地音速当地音速Cf：当地气流速度：当地气流速度Ma1,超声速流动超声速流动,dA0,截面扩张；截面扩张；对于扩压管对于扩压管（dcf 0)：73喷管的计算喷管的计算：喷管的计算：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）据给定

12、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。，选择喷管的外形及确定几何尺寸。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。件，确定出口流速和通过喷管的流量。一、流速计算及其分析一、流速计算及其分析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cf 1，则，则假设：假设：1）理想气体；）理想气体；2）定值比热容；）定值比热容；3）流动可逆。）流动可逆。2、状态参数对流速的影响、状态参数对流速的影响在初态确定的条件下：在初态确定的条件下：当当p20时，出口速度达最大，即：时

13、，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，要求出口截面面积无穷大。体积趋于无穷大，要求出口截面面积无穷大。可能吗？可能吗？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临界压力比是分析管内流动的一个重要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比等于临界压力比是气流速

14、度从亚声速到超声速的转折点；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，对于水蒸气的想气体的可逆绝热流动，对于水蒸气的可逆绝热流动，可逆绝热流动，k 为一经验值，不是比为一经验值，不是比热比。热比。结论：结论：临界速度：临界速度：临界速度仅决定于进口截面上的初态参数临界速度仅决定于进口截面上的初态参数二、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

15、面（收缩喷管截面控制，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）来计算的出口截面、缩放喷管的喉部截面）来计算流量，即：流量，即：代入速度公式可得：代入速度公式可得：结论：结论：当当A2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：b 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但如果出口

16、截面面积A2保持不变，则随着保持不变，则随着p2下降，下降，将使实际所需的喉道面积减小，则会出现流量减小，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。如图中虚线所示。在正常工作条件下：在正常工作条件下：在喉道处：在喉道处：三、喷管外形和尺寸计算三、喷管外形和尺寸计算设计目的：设计目的：1、确定喷管几何形状；、确定喷管几何形状；2、保证气流充分膨胀。、保证气流充分膨胀。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2、尺寸计算、尺寸计算渐缩喷管：渐缩喷管：缩放喷管：缩放喷管：例题例题1、由不变气源来的压力、由不变气源来的压力p1=1.5MPa，温度，温度t1=27C

17、的空气，流经一喷管进入压力保持的空气，流经一喷管进入压力保持在在pb=0.6MPa的某装置中，若流过喷管的的某装置中，若流过喷管的流量为流量为3kg/s，来流速度可忽略不计，试设，来流速度可忽略不计，试设计该喷管？计该喷管？例题例题2、一渐缩喷管，其进口速度接近零，进口截面、一渐缩喷管，其进口速度接近零，进口截面积积A1=40cm2，出口截面积，出口截面积A2=25cm2。进。进口参数为口参数为p1=9MPa，温度，温度t1=500C的空气，的空气，背压背压pb=7MPa，试求：，试求：（1）出口流速及流过喷管的流量。）出口流速及流过喷管的流量。（2）由于工况的改变，背压变为）由于工况的改变，

18、背压变为pb=4MPa，这，这时的出口流速和流量又为多少？时的出口流速和流量又为多少？7-5 有摩阻的绝热流动由于存在摩擦，实际流动是不可逆过程，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，并被过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。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：有摩阻的绝热流动：由能量方程式得：由能量方程式得：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：P255例7-376 绝热节流流体流经阀门、孔板等设备时

19、，由于局部阻力，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。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 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理想气体节流后温度不变，但实际气体节理想气体节流后温度不变，但实际气体节理想气体节流后温度不变，但实际气体节理想气体节流后温度不变，但实际气体节流过程的温度变化比较复杂流过程的温度变化比较复杂流过程的温度变化比较复

20、杂流过程的温度变化比较复杂 节流后流体的压力下降节流后流体的压力下降节流后流体的压力下降节流后流体的压力下降二、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二、节流的温度效应二、节流的温度效应 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）：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dpdp0p2p0p1p2p0，T1T0T1T0（p0p0、T0T0为环境压力与温度），试为环境压力与温度），试在在T-sT-s图上表示此两过程，并根据图比较两过程作功图上表示此两过程，并根据图比较两过程作功能力损失的大小（假定比热容为定值）。能力损失的大小（假定比热容为定值）。