热力学喷管和扩压管.ppt

第九章喷管和扩压管,本章介绍热工基础理论在喷管和扩压管中的应用。在叶轮式动力机中，热能向机械能的转换是在喷管中实现的。喷管就是用于增加气体或蒸气流速的变截面短管。如图就是一喷管。气体或蒸气在喷管中绝热膨胀，压力降低，流速增加。高速流动的气流冲击叶轮机的叶片，使叶轮机旋转，使气流的动能转变为叶轮机旋转的机械能。,与喷管中的热力过程相反，在工程实际中还有另一种转换，即高速气流进入变截面短管中时，气流的流速降低，而压力升高。这种能使气流压力升高而速度降低的变截面短管称为扩压管。扩压管在叶轮式压气机中得到应用。本节讨论比热容为定值的理想气体的可逆过程，且仅考虑沿流动方向的状态和流速变化，即认为流动是一维流动；同时假定气体的流动是稳定流动。,一、一维稳定流动的基本方程,（一）连续性方程,根据质量守恒原理，流体稳定流经任一截面的质量流量保持不变。若任一截面的面积为A，流体在该截面的流速为c，比体积为，则流量,常数,上式称为稳定流动的连续性方程。对其两边微分得,（二）能量方程,在喷管和扩压管的流动中，由于流道较短，工质流速较高，故工质与外界几乎无热交换。在流动中，工质与外界也无轴功交换，工质进出口位能差可忽略不计，因此上式变为,两边微分得,上式说明，工质的流速升高来源于工质在流动过程中的焓降；工质的流速减小时，焓将增加。,又,当q=0且可逆时,故,上式说明，在流动过程中欲使工质流速增加，必须有压力降落。所以压差是提高工质流动速度的必要条件，也是流速提高的动力。,（三）过程方程,在定熵（绝热可逆）流动过程中，工质的状态参数变化遵循定熵的过程方程,常数,两边微分有,上式说明，在定熵流动过程中，若压力下降，比体积增加。联系能量方程分析知，工质流速与比体积是同时增加或减少，而压力变化分别与比体积变化和流速变化相反。,二、声速和马赫数,由物理学知，声速,根据过程方程,有,上式说明，气体的声速与气体的热力状态有关，气体的状态不同，声速也不同。在气体的流动过程中，气体的热力状态发生变化，声速也要变化。因此在气体介质中的声速是当地声速，即某截面处热力状态下的声速。,马赫数是气体在某截面处的流速与该处声速之比,根据M的大小，流动可分为,亚声速流动声速流动超声速流动,三、气体在喷管和扩压管中的定熵流动,由上面的基本方程可得到马赫数为参变量的截面积与流速变化的关系式,故,该式称为管内流动的特征方程,对于喷管而言，增加气体流速是其主要目的。根据特征方程，当气流的时，要使，则必须使。沿流动方向上流道截面逐渐减小的喷管称为渐缩喷管，如图所示。当时，则应，称为渐扩喷管，如图所示。,工程上许多场合要求气体从加速到。为使气体流速增加，压力是不断下降的。气体在喷管内的绝热流动中，压力下降，温度下降，声速也将不断下降，流速的不断增加和声速的不断降低使得马赫数总是不断增加。在渐缩喷管内，马赫数可增加到极限值1；在渐扩喷管内，马赫数可从1开始增加。,因而，为使从连续增加到，在压差足够大的条件下，应采用由渐缩喷管和渐扩喷管组合而成的缩放喷管，又称拉伐尔喷管。在缩放喷管中，最小截面即喉部截面处的流动是的声速流动。该截面是的亚声速流动与的超声速流动转折点，称为临界截面。临界截面上的状态参数称为临界参数，用下标cr表示。,渐缩喷管的出口流速在极限条件下可增加到，此时出口截面也是临界截面。工程上喷管进口处气流速度一般较低，总是小于1，而进口处的渐扩喷管几乎不单独使用。,对于扩压管，使用的主要目的是为了升高气流的压力，流动过程中流速降低、压力升高。当时，此种扩压管称为渐扩扩压管。工程上扩压管比较简单，仅限于的情况，故渐扩两字通常省略。,四、喷管的计算,（一）流速计算,当喷管进口气体流速较小，可忽略不计时,由能量方程,由于该式是从能量方程直接推导得到的，故对于工质和过程是否可逆均无限制。对于理想气体，由于，故有对于蒸气，和可通过查图、查表得到。,在定熵条件下，若工质为理想气体，可推得,上式说明，在喷管内的气体定熵流动中，喷管出口的气体流速取决于工质性质、进口参数和气体出口与进口的压比。在工质、气体进口状态都确定的条件下，气体出口流速仅取决于压比，其值随的减小而增大。当时，,然而，这一最大出口流速是达不到的。因为当时，此时出口截面积应趋于无穷大，这显然办不到。事实上，还受到喷管形状的限制。,（二）临界压比,临界截面上的气体压力与进口（初速约为0）压力之比称为临界压比，用表示,由式,以及求解得,由于绝热指数仅取决于气体热力性质，因此气体一定，其临界压比一定。对于定值比热的理想气体单原子气体k=1.67临界压比为0.487双原子气体k=1.4临界压比为0.52