可压缩流体的流动 (2)优秀PPT.ppt

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1、可压缩流体的流动第1页，本讲稿共45页 本章重点掌握本章重点掌握 1 1 等熵的基本概念等熵的基本概念 2 2 定常可压无摩擦绝热管流的基本方程定常可压无摩擦绝热管流的基本方程 3 3 收缩喷嘴的计算收缩喷嘴的计算第2页，本讲稿共45页 问题问题：什么是可压缩流动？：什么是可压缩流动？可压缩流体：流体密度可压缩流体：流体密度contcont，如，如爆炸和水锤情形下的液体爆炸和水锤情形下的液体气体（气体（Ma0.3)Ma0.3)不可压缩流体：流体密度不可压缩流体：流体密度 =cont=cont,如如液体液体气体（马赫数气体（马赫数Ma0.3)Ma0.3)第3页，本讲稿共45页 一、声速与马赫数一

2、、声速与马赫数 A AB BdVdV p,p,V=0,V=0 dFdF 声速（声速（a a）是小扰动压力波在静止介质中的传播速度）是小扰动压力波在静止介质中的传播速度,反映了介质本身可压缩性的大小。反映了介质本身可压缩性的大小。若活塞间流体不可压：扰动瞬时若活塞间流体不可压：扰动瞬时传递到传递到B,B,声速声速aaA AB BdVdV dFdFdVdV p p1 1=p+dp =p+dp 1 1=+d+d V V1 1=dv=dv 1 1 声速声速 第4页，本讲稿共45页A AB B p p1 1,1 1 V=dV V=dV p,p,V=0 V=0 dFdF 在可压缩流体介质中压强扰动一有限速

3、度传播，此速在可压缩流体介质中压强扰动一有限速度传播，此速度即度即声速。声速。p p1 1=p+dp=p+dp 1 1=+d+d V V1 1=dv=dvx x扰动后扰动后扰动前扰动前若活塞间流体可压：若活塞间流体可压：第5页，本讲稿共45页A AB B a-dV a-dV a a dFdF取与声波波面一起运动的控制体：取与声波波面一起运动的控制体：由连续性方程与动量方程：由连续性方程与动量方程：声速代表了介质可压缩性的大小，可压缩性越大，声速代表了介质可压缩性的大小，可压缩性越大，声速越小。声速越小。x第6页，本讲稿共45页 对于完全气体，声波的传播是可逆绝热过程，其声速大对于完全气体，声波

4、的传播是可逆绝热过程，其声速大小为：小为：其中，其中，R R为气体常数为气体常数,k,k为绝热指数，对于为绝热指数，对于完全气体完全气体取取1.41.4，CpCp、CvCv分别为定压和定容比热（分别为定压和定容比热（293293页）。页）。第7页，本讲稿共45页2 2 马赫数马赫数马赫数反映介质可压缩性对流体流动影响的大小，当马赫数反映介质可压缩性对流体流动影响的大小，当MaMa小于小于0.30.3时，可当作不可压缩流动处理。时，可当作不可压缩流动处理。Ma1:Ma1:Ma1:超音速流超音速流Ma3:Ma3:高超音速流高超音速流 根据马赫数对流动进行分类根据马赫数对流动进行分类第8页，本讲稿共

5、45页 跨音流，流场中即有亚音流动又有超音流的流动跨音流，流场中即有亚音流动又有超音流的流动透平叶栅内的跨透平叶栅内的跨音速流动结构音速流动结构第9页，本讲稿共45页 二、微弱扰动波的传播二、微弱扰动波的传播 扰动源扰动源(a)(a)静止波静止波1 Ma=0 1 Ma=0 在静止介质中的传播在静止介质中的传播 扰动波从扰动产生点以声速径向向外传播，沿周向能量的扰动波从扰动产生点以声速径向向外传播，沿周向能量的辐射均匀。辐射均匀。第10页，本讲稿共45页 2 Ma1(2 Ma1(扰动源以亚音速向左运动）扰动源以亚音速向左运动）声波从扰动源发射后仍然以球面形式向外传播，由于扰动源声波从扰动源发射后

6、仍然以球面形式向外传播，由于扰动源的速度小于声速，因此扰动源总是落后于声波。在这种条件下的速度小于声速，因此扰动源总是落后于声波。在这种条件下位于扰动源前方的观察者接收的扰动能量最强。位于扰动源前方的观察者接收的扰动能量最强。(b)Ma1 (b)Ma1 扰动中心扰动中心 扰动源前方能量集中、扰动源前方能量集中、频率增加频率增加 扰动源后方能量分散、频扰动源后方能量分散、频率下降率下降实际例子：站台上的人听到的实际例子：站台上的人听到的火车进站、出站的汽笛声调不火车进站、出站的汽笛声调不一样。一样。第11页，本讲稿共45页 (b)Ma1 (b)Ma1VaV1.(4 Ma1.(扰动源以超亚音速向左

7、运动扰动源以超亚音速向左运动)(d)Ma1 (d)Ma1VaVa 扰动中心扰动中心 扰动不可到达区扰动不可到达区/静音区静音区 马赫线马赫线扰动区扰动区 由于声波的传播速度小于扰动源的运动速度，因此扰动由于声波的传播速度小于扰动源的运动速度，因此扰动源发射的小扰动压强波总是被限制在一个锥形区域内，该源发射的小扰动压强波总是被限制在一个锥形区域内，该锥形区域即为锥形区域即为马赫锥马赫锥。第15页，本讲稿共45页 马赫角马赫角：马赫锥的半角：马赫锥的半角MaMa增加，马赫角减少。增加，马赫角减少。VaVa 马赫线马赫线第16页，本讲稿共45页思考思考思考思考：位于地面的观察者，超速飞机掠过头顶上方

8、时能否听：位于地面的观察者，超速飞机掠过头顶上方时能否听到发动机强度的轰鸣？到发动机强度的轰鸣？思考思考思考思考：飞行马赫数越大，扰动可到达区域越大还是越小：飞行马赫数越大，扰动可到达区域越大还是越小？第17页，本讲稿共45页 三、气体一维定常等熵可压流的基本方程三、气体一维定常等熵可压流的基本方程 无摩擦无摩擦(不计粘性）、绝热的流动即为等熵流。不计粘性）、绝热的流动即为等熵流。2 2 定常等熵可压缩流动的基本方程定常等熵可压缩流动的基本方程 连续性方程连续性方程1 1 什么是等熵流动？什么是等熵流动？第18页，本讲稿共45页 能量方程能量方程u u表示单位质量流体的内能，上式表明在一维等熵

9、可压缩流表示单位质量流体的内能，上式表明在一维等熵可压缩流中，各截面上单位中，各截面上单位质量流体质量流体具有的压强势能、动能与内能具有的压强势能、动能与内能之和保持为常数。可压缩流体的伯努利方程之和保持为常数。可压缩流体的伯努利方程 运动方程运动方程第19页，本讲稿共45页3 3、三种特定状态、三种特定状态（1 1）滞止状态滞止状态：以可逆和绝热方式使气体的速度降低到零时所：以可逆和绝热方式使气体的速度降低到零时所对应的状态。相应的参数称为滞止参数或总参数，如滞止焓对应的状态。相应的参数称为滞止参数或总参数，如滞止焓/总总焓、滞止温度焓、滞止温度/总温、滞止压强总温、滞止压强/总压总压.定义

10、：定义：第20页，本讲稿共45页 气体一维定常等熵可压流的能量方程可为：气体一维定常等熵可压流的能量方程可为：即滞止焓、总温、总压沿流向保持不变。即滞止焓、总温、总压沿流向保持不变。第21页，本讲稿共45页 滞止压强和温度与静压静温的关系滞止压强和温度与静压静温的关系 滞止点滞止点2 2 在不可压缩流中在不可压缩流中第22页，本讲稿共45页用法一：已知用法一：已知MaMa和总参数，求静参数。和总参数，求静参数。用法三：已知用法三：已知MaMa和静参数，求总参数。和静参数，求总参数。用法二：已知静参数和总参数，求用法二：已知静参数和总参数，求MaMa。滞止关系的用途：滞止关系的用途：第23页，本

11、讲稿共45页大气环境大气环境大容器大容器调节阀调节阀 在等熵条件下在等熵条件下无穷远处气流速度接近无穷远处气流速度接近0 0，故气体的状态即为滞止状态，故气体的状态即为滞止状态 从静止大气起动的可压缩流动从静止大气起动的可压缩流动第24页，本讲稿共45页（2 2）最大速度）最大速度状态：以可逆和绝热方式使气体压强和温度降低状态：以可逆和绝热方式使气体压强和温度降低到零、速度达到最大时所对应的状态。利用最大速度描述的能量到零、速度达到最大时所对应的状态。利用最大速度描述的能量方程为：方程为：即假设将热能全部转换为动能（不可实现）即假设将热能全部转换为动能（不可实现）第25页，本讲稿共45页（3

12、3）临界）临界状态状态：以可逆和绝热方式使气体的速度等于当地音：以可逆和绝热方式使气体的速度等于当地音速，相应的音速称为临界音速，临界参数用速，相应的音速称为临界音速，临界参数用“*”表示。利用表示。利用临界音速描述的能量方程为：临界音速描述的能量方程为：临界状态下滞止参数与静参数的关系临界状态下滞止参数与静参数的关系Ma=1第26页，本讲稿共45页4 4 小结小结对于一维定常可压等熵流有对于一维定常可压等熵流有:沿流向沿流向第27页，本讲稿共45页第28页，本讲稿共45页速度沿流动方向的变化率不仅与截面面积变化率相关，还与运速度沿流动方向的变化率不仅与截面面积变化率相关，还与运动速度是大于或

13、小于声速相关。动速度是大于或小于声速相关。速度沿流向的变化率总与压强和密度的变化率相反。速度沿流向的变化率总与压强和密度的变化率相反。s s管道内的等熵流动管道内的等熵流动四四 喷管中的等熵流动喷管中的等熵流动1 1 气流参数与截面面积变化的关系气流参数与截面面积变化的关系第29页，本讲稿共45页Ma1Ma1Ma1 超音流超音流速度速度 加速加速 减速减速 减速减速 加速加速p,T,p,T,表表8 81 1 截面变化对流速与压力等参数的影响截面变化对流速与压力等参数的影响第30页，本讲稿共45页deLaval nozzlethroat只有先收缩后扩张管才能将亚音流加速到超音流只有先收缩后扩张管

14、才能将亚音流加速到超音流第31页，本讲稿共45页2 2 渐缩喷嘴的流动渐缩喷嘴的流动设：设：气流流动等熵；气流流动等熵；容器足够大，气体压强足够高，使得容器内气容器足够大，气体压强足够高，使得容器内气流接近静止且压强不变：流接近静止且压强不变：V V1 1=0,p=0,p1 1=const,T=const,T1 1=const=const p p1 1=p=p0101=p=p0202 T T1 1=T=T0101=T=T0202 P P1 1,T,T1 1V V1 1=0=02 22 2环境压环境压,P,P3 3 s s第32页，本讲稿共45页 根据能量方程：根据能量方程：喷嘴出口质量流量为：

15、喷嘴出口质量流量为：P1,T1V1=022环境压强环境压强,P3 sp p3 3G GG Gmaxmaxp p*喷嘴出口流量与出口压强的关系喷嘴出口流量与出口压强的关系亚临界亚临界超临界超临界临界点临界点第33页，本讲稿共45页收缩喷嘴的三种工作状态收缩喷嘴的三种工作状态收缩喷嘴的三种工作状态收缩喷嘴的三种工作状态：亚临界、临界和超临界：亚临界、临界和超临界收缩喷嘴的工作状态的判别：收缩喷嘴的工作状态的判别：亚临界，亚临界，p2=p3临界，临界，p2=p3超临界，超临界，p2p3p p3 3G GG Gmaxmaxp p*喷嘴出口流量与出口压强的关系喷嘴出口流量与出口压强的关系亚临界亚临界超临

16、界超临界临界点临界点第34页，本讲稿共45页临界压比临界压比临界压比临界压比：流动马赫数达到音速时静压与总压之比：流动马赫数达到音速时静压与总压之比对于完全气体对于完全气体,k=1.4,k=1.4，则临界压比为，则临界压比为0.52830.5283第35页，本讲稿共45页 （1 1）临界工作点）临界工作点总结总结 P1,T1V1=022环境压强环境压强,P3 s第36页，本讲稿共45页(2)(2)亚临界工作点亚临界工作点亚临界工作点亚临界工作点 P1,T1V1=022环境压强环境压强,P3 sp p2 2=p=p3 3,Ma,Ma2 211，气体在喷嘴出口完全膨胀气体在喷嘴出口完全膨胀第37页

17、，本讲稿共45页(3)超临界超临界 p p2 2=p=p*pp3 3,Ma,Ma2 2=1,G=G=1,G=Gmax,max,气体在喷嘴出口未完全膨胀气体在喷嘴出口未完全膨胀 壅塞现象壅塞现象 ：对于一给定的收缩喷嘴，当环境压力对于一给定的收缩喷嘴，当环境压力p p3 3下降到临下降到临界压力时，它的流量就达到最大。继续减小界压力时，它的流量就达到最大。继续减小p p3 3不再影响喷嘴内的不再影响喷嘴内的流动，流量也不改变。流动，流量也不改变。第38页，本讲稿共45页 例例8 81 1：大容器内的空气通过收缩喷嘴流入大容器内的空气通过收缩喷嘴流入绝对压强绝对压强为为50kpa50kpa的的环境

18、中，已知容器内的温度是环境中，已知容器内的温度是1501500 0C C，喷嘴出口直径为，喷嘴出口直径为2cm2cm，在，在喷嘴出口气流速度达到声速，容器罐内的压强至少为多少？喷嘴出口气流速度达到声速，容器罐内的压强至少为多少？并计算相应的质量流量。并计算相应的质量流量。P1,T122 P3 第39页，本讲稿共45页 例例8 82:2:大气等熵地流入绝对压强为大气等熵地流入绝对压强为124.5kpa124.5kpa的环境中，喷嘴的环境中，喷嘴面积为面积为A A2 2=78.5cm=78.5cm2 2，如图所示。，如图所示。(1)(1)设静止大气的压强和温度设静止大气的压强和温度分别为分别为20

19、0kpa 200kpa、20200 0C C，求质量流量；，求质量流量；(2)(2)如果已知的是如果已知的是1 1截截面参数：面参数：V V1 1=200m/s=200m/s、p p1 1=190kPa=190kPa、T T1 1=12=120 0C C，求质量流量。，求质量流量。1122V第40页，本讲稿共45页 例例8 83 3：已知缩放喷管入口处过热蒸汽的滞止参数为：已知缩放喷管入口处过热蒸汽的滞止参数为p p0 0=3Mpa=3Mpa，温度，温度t t0 0=500=5000 0C C，质量流量为，质量流量为8.5Kg/s8.5Kg/s，出口压强为，出口压强为p p2 2=1Mpa=1

20、Mpa。过热蒸汽的气体常数为过热蒸汽的气体常数为R=426J/(Kg.K)R=426J/(Kg.K)，k=1.3k=1.3，设管内流动，设管内流动为等熵，确定喷管出口直径。为等熵，确定喷管出口直径。缩放喷管缩放喷管22第41页，本讲稿共45页本章要求的公式：本章要求的公式：1 1定常等熵流的能量方程定常等熵流的能量方程2 2连续性方程连续性方程3 3滞止关系式滞止关系式临界压比：临界压比：第42页，本讲稿共45页状态方程：状态方程：过程方程：过程方程：第43页，本讲稿共45页 h d pe2/p0 pb/p0pe1/p0 j pb/p0=pe2/p0 design point第44页，本讲稿共45页第45页，本讲稿共45页