工程热力学与传热学气体的流动ppt课件

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根本方程；2、了解促使流速改动的力学条件和几何条件的根本涵义；3、掌握喷管中气体流速、流量的计算，会进展喷管外形的选择和尺寸的计算；4、掌握滞止焓、临界参数等根本概念和相关计算。研讨内容：研讨内容：主要研讨流体流过变截面短管喷管和扩压管时，其热力形状、流速与截面积之间的变化规律。根本要求根本要求简化 1.系统：稳定流动 2.一元维 3. 绝热、可逆 4.比热为定值5-1 一元稳定流动的根本方程 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。

2、 本章讨论的气体流动仅限于一元稳定流动1.延续性方程222111vcAvcA常数ivcAii 对于稳定流动，流过流道任对于稳定流动，流过流道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。skgkgmsmm32?适用范围：适用范围： 在推导过程中没有参与任何限制性条件，在推导过程中没有参与任何限制性条件，适用于：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.能量方程式能量方程式 根据稳定流动能量方程根据稳定流动能量方程i12212212)()(21)(wzzgcchhq对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况

3、对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况可见，相对管道中的恣意两个截面而言可见，相对管道中的恣意两个截面而言假设气流的焓假设气流的焓 h，那么流速，那么流速c；反之，假设气流的焓反之，假设气流的焓h，那么流速，那么流速c 21222121cchh021122122hhcc适用范围：适用范围： 1.绝热稳定流动；2.任何工质；3.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，假设不思索摩擦，也就是定熵过程。本章只讨论绝热流动，假设不思索摩擦，也就是定熵过程。 对于定熵可逆绝热流动过程对于定熵可逆绝热流动过程 ，恣意两截面上的，恣意两截面上的p和和v应满应满足：足：k

4、kkpvvpvp2211过程方程过程方程 0dddvvccAA延续性方程延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根本过程三个根本过程常数；ivcAii常数kPv21222121cchh0vdvpdp 工程上常有将气流加速或加压的要求。例如：工程上常有将气流加速或加压的要求。例如： 利用喷管将蒸汽流加速，激动汽轮机的叶轮作功；利用喷管将蒸汽流加速，激动汽轮机的叶轮作功； 喷气式发动机那么利用喷管将气流加速后喷出，产生宏大的反喷气式发动机那么利用喷管将气流加速后喷出，产生宏大的反作用力来推进安装运动作用力来推进安装运动

5、经过扩压管利用气流的宏观运动动能令气流升压经过扩压管利用气流的宏观运动动能令气流升压 气流的这种加速或扩压过程可以仅利用气流的热力学形状或运气流的这种加速或扩压过程可以仅利用气流的热力学形状或运动形状变化来实现，无需借助其它机械设备动形状变化来实现，无需借助其它机械设备 5.2 促使流速改动的条件促使流速改动的条件 1. 力学条件力学条件 要使工质产生流动必需有压差，即对工质有推进力要使工质产生流动必需有压差，即对工质有推进力作用，工质才干流动。促进流速变化所需的力学条件可作用，工质才干流动。促进流速变化所需的力学条件可由分析流速改动由分析流速改动dc与压力变化与压力变化dp的之间的关系得出。

6、的之间的关系得出。2112)(vdphhq2)(212212cchhq212122)(21vdpcc联立流动能量方程式和热力学第一定律表达式：可得：pdpkckpvcdcc22TkRkpva?pdpcdckM2微分式：vdpcdc结论：dc、dp的符号一直相反，即：气体在流动过程中流速添加，那么压力下降；如压力升高，那么流速必降低。vdpdc221Mac?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，与传播介质的物性、热力形状有关音速不是固定的，与传播介质的物性、热力形状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

7、关vkkRTap对实践气体音速对实践气体音速a不仅与温度不仅与温度T 有关，还与气体的压力有关，还与气体的压力P或比体积或比体积v有关有关 水蒸气中的音速也借用上式计算，其中的水蒸气中的音速也借用上式计算，其中的k值按前述阅历值选取值按前述阅历值选取 流道中气体热力学形状不断变化，沿程不同截面上音速各不一流道中气体热力学形状不断变化，沿程不同截面上音速各不一样，对特定截面普通都强调为样，对特定截面普通都强调为“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

8、地音速，M 1 喷管燃气轮机的喷管喷管燃气轮机的喷管(3) 喷管和扩压管喷管和扩压管气流经过后能令气流气流经过后能令气流PP，cc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经过后能令气流气流经过后能令气流P P ，c c 的流道的流道cdcMAdA122.几何条件0vdvkpdpcdcvdvAdApdpkvdv1- 气流速度与压力的反方向变化需经过管道截面积有规律地变气流速度与压力的反方向变化需经过管道截面积有规律地变化来促成化来促成 ,因此几何条件可由分析流速改动因此几何条件可由分析流速改动dc与流道截面积变化与流道截面积变化dA的关系得出。的关系得出。0dddvv

9、ccAApdpcdckM2pdpkcdcM12M1,亚声速流动,dA0,截面扩张；对于喷管dc 0)时，截面外形与流速间的关系：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 对气流由亚音速延续增至超音速时，要做成缩放喷管，或叫拉法尔喷管Laval，只需这样才干保证气流在喷管中充分膨胀，到达理想加速后果。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 对气流延续降至亚音速时，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延续转变cr

10、crcrvkcpa 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机点，通常称为临界形状。对应的形状参数，称为临界参数。并加以下标cr表示。M=1，即c=a。归纳：归纳： 1压差是使气流加速的根本条件，几何外形是使压差是使气流加速的根本条件，几何外形是使 流动可逆必不可少的条件；流动可逆必不可少的条件； 2气流的焓差为气流加速提供了能量；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；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，截面上流速拉法尔喷管喉

11、部截面为临界截面，截面上流速 达当地音速，达当地音速，crcrcrvkcpa 5-3 气体流经喷管的流速和流量 滞止参数：在研讨流速过程中，为了表达滞止参数：在研讨流速过程中，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紧缩过程折算到流速为零的各种参数定熵紧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“*标志它们。如滞止压标志它们。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。 气体从滞止形状气体从滞止形状c*=0开场，在喷管中开场，在喷管中随着喷管截面积的变化，流速随着喷管截面积的变化，流速c不断添不断添加，其他形状

12、参数加，其他形状参数p，v，T，h也相应也相应地跟着变化。地跟着变化。1.流速 气体经过恣意截面是流速为c，可根据能量方程式计算：hhcc*2*221)(2*hhc 适用于绝热流动过程，与工质无关，与过程能否可逆无关)(1 12a)(1 12)(1 12)1 (12)(2)(21*1*1*kkkkkkpppkppkvkpppkkRTTTkkRTTTchhc?理想气体crcrcrcrkkcrcrvkpacppkvkpc)(1 121*kcrcrppvv1*)(10)12(kkcrcrkpp2、临界压力比临界截面定义临界压比：*ppcrcr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. 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