工程热力学第7章-气体与蒸汽的流动v3.ppt

1,第七章气体与蒸汽的流动,GasandSteamFlow,7-1稳定流动的基本方程式,7-2促使流速改变的条件,7-3喷管的计算,7-5有摩阻的绝热流动,7-6绝热节流,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,本章内容,1研究气体流动过程中,2研究影响气体在管内流的,气流速度变化,能量转换,状态参数变化,的规律,系统的外部条件,管道截面积的变化,4,工程中有许多流动问题需考虑宏观动能，特别是喷管(nozzle,jet)、扩压管(diffuser)及节流阀(throttlevalve)内流动过程的能量转换情况。,5,71稳定流动的基本方程式,O、简化,稳定：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,绝热：流体流过管道的时间很短，与外界换热很小，可视为绝热,一维：取同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值,可逆：不计管道摩擦等,参数取平均值,可逆绝热流动的基本方程,概念,稳态稳流(稳定流动),状态不随时间变化,恒定的流量,几个基本方程,连续性方程(质量方程),绝热稳定流动能量方程,定熵过程方程,7,一、连续性（质量守恒）方程(continuityequation),p1T1qm1cf1,p2T2qm2cf2,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。,适用于任何工质,可逆和不可逆过程,1）流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与流速增加率之差；2）对于不可压缩流体（dv=0），如液体等，流体速度的改变取决于截面的改变，截面积A与流速cf成反比；3）对于气体等可压缩流体，流速的变化取决于截面和比体积的综合变化。,讨论：,任何稳流过程,9,二、稳定流动能量方程(steady-flowenergyequation),绝热滞止(stagnation),1）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，把两者之和定义为一个参数：总焓或滞止焓h0,10,理想气体：,定比热容,变比热容（P116throat-to-stagnationofpressure),31,讨论：1）,理想气体,水蒸气,随工质而变,理想气体定比热双原子k=1.4,过热水蒸气k=1.3,干饱和蒸汽k=1.135,2）,32,3）几何条件,约束，临界截面只可能,发生在dA=0处，考虑到工程实际,收缩喷管出口截面,缩放喷管喉部截面,另：,与上式是否矛盾？,4）,h0=ccr2/2+hcr,cpT0=kRgTcr/2+cpTcr,2T0=(k+1)Tcr,33,3.背压pb对流速的影响,a.收缩喷管,b.缩放喷管,不属本课程范围,34,二、流量计算及分析,1.计算式,通常,收缩喷管出口截面,缩放喷管,喉部截面,出口截面,35,2.初参数对流量的影响,分析：a）,36,确定,37,b）结合几何条件和质量守恒方程：,图中,收缩喷管,缩放喷管,且喷管初参数及p2确定后，喷管各截面上qm相同，并不随截面改变而改变。,38,三、喷管外形选择和尺寸计算,据,p1，v1，T1,背压pb,功率,喷管形状几何尺寸,首先确定pcr与pb关系，然后选取恰当的形状,初参数,1.外形选择,渐缩喷管,缩放喷管,39,40,2.几何尺寸计算,A1往往已由其他因素确定,太长摩阻大,过大，产生涡流(eddy),太短,:1012,四、喷管的校核计算（渐缩形喷管）,已知喷管的形状，测量出,计算,关键是确定出口截面上的压力,步骤,）判断出口截面的压力,若,若,）计算流速,）计算流量,计算压比,42,四、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造成动能损失。,1.收缩喷管,背压pb出口截面压力p2,运行工况,43,2.缩放喷管,1）若pbpb过度膨胀(overexpansion)，产生激波(shockwave),44,有一储气柜内有初温t1=100，压力为p1=4.90MPa的氢气。氢气经渐缩喷管流入背压pb=3.9MPa的外界，设喷管的出口截面积A2=20mm2，试求：1）氢气外射的速度及流量；2）若初始条件不变，喷管不变，氢外射入大气，求外射时的流速及流量。已知氢气Rg=4.12kJ/(kgK)，cp=14.32kJ/(kgK）,解：,A4511661,1）首先确定p2,45,？,=822m/s,46,确定p2，由于pb=0.1MPaT1,常温常压下节流T下降,1.制冷(节流冷效应)或气体液化,1）节流后温度稍有下降,2）,但少作功,作功能力损失,？,2.发动机功率调节,3.流体流量测量（孔板流量计）,4.建立实际气体状态方程式,5.热网中蒸汽降压,74,水蒸气由初态p=5MPa，t=500，节流到压力p=1MPa后经绝热渐缩喷管射入压力为600kPa的空间，若喷管出口截面积为3.0cm2，初速度忽略不计，喷管的速度系数为=0.95，已知蒸汽cr=0.546，环境温度T0=290K。求：1）蒸汽出口流速；2）每公斤蒸汽动能损失；3）每公斤蒸汽的作功能力损失,解：,查图,A452177,设1为节流前截面；2为喷管进口截面；3为喷管出口截面。,75,节流前后焓不变，由,若在喷管内等熵膨胀，则从点2作垂线交p=600kPa线于3s,查图表,76,据p3和h3，由h-s图,77,因为绝热，稳流，所以系统（蒸汽）进出口截面上熵变即为熵产。,78,1）本题中节流作功能力损失（）远大于不可逆绝热流动损失（）。,注意：,2）喷管中不可逆流动损失动能20.199kJ，而蒸汽在喷管中不可逆作功能力损失仅6.09kJ，其原因为损失之动能使蒸汽焓值增大，从而损失之动能并非作功能力损失。,返回,79,思考题7-8：如图渐缩喷管，设p1=1.0MPa,