工程热力学第5章_气体的流动及压缩

1、工工 程程 热热 力力 学学Engineering Thermodynamics第第 五五 章章气体的流动和压缩气体的流动和压缩内内 容容 提提 要要一、一元稳定流动的基本方程一、一元稳定流动的基本方程二、喷管中气流参数变化和喷管截面二、喷管中气流参数变化和喷管截面变化的关系变化的关系三、气体流经喷管的流速三、气体流经喷管的流速四、压气机的压气过程四、压气机的压气过程第五章第五章 气体的流动和压缩气体的流动和压缩5.1、一元稳定流动的基本方程、一元稳定流动的基本方程稳定流动是指系统（稳定流动是指系统（内部及边界内部及边界）各点工质的所）各点工质的所有有热力参数及运动参数热力参数及运动参数都都不

2、随时间而变化不随时间而变化的流动。的流动。条件：任一截面参数不随时间变化；条件：任一截面参数不随时间变化； 任一截面的质量流量均相同；任一截面的质量流量均相同； 与外界交换的功和热量不随时间变化；与外界交换的功和热量不随时间变化；一元稳定流动：工质的状态参数和流动参数只沿一元稳定流动：工质的状态参数和流动参数只沿着流动方向才发生变化着流动方向才发生变化5.1、一元稳定流动的基本方程、一元稳定流动的基本方程1 连续性方程连续性方程质量守恒定律应用于工质流动的数学表达式质量守恒定律应用于工质流动的数学表达式1122iiconstvAcqmcdcvdvAdA课堂思考课堂思考 上式用于水时有什么结论，

3、生活中有哪些应上式用于水时有什么结论，生活中有哪些应用呢？如果是气体呢？用呢？如果是气体呢？对不可压缩流体，一定质量流量条件下，流对不可压缩流体，一定质量流量条件下，流道截面减小，流速增加。道截面减小，流速增加。5.1、一元稳定流动的基本方程、一元稳定流动的基本方程2 能量方程：能量方程：能量守恒定律应用于工质流动。能量守恒定律应用于工质流动。vdpcdcswzzgcchhq)()(21)(1221221202212212cchh0cdcdh喷管：加速气流喷管：加速气流扩压管：降低流速，提高压力扩压管：降低流速，提高压力vdpdhq5.1、一元稳定流动的基本方程、一元稳定流动的基本方程3 过程

4、方程过程方程根据过程进行的特点描述工质参数变化规律的数根据过程进行的特点描述工质参数变化规律的数学表达式。学表达式。4 声速和马赫数声速和马赫数0pdpvdv0pvTRpvcgs注意注意声速是状态参数，是指流体在某一状态（声速是状态参数，是指流体在某一状态（p、v或或T）时的声速，称为当地声速。）时的声速，称为当地声速。TRcccMags理想气体理想气体5.2、喷管中气流参数变化和喷管截面积关系、喷管中气流参数变化和喷管截面积关系 1 压力与流速变化的关系压力与流速变化的关系0cdcdhvdpdhqvdpcdcpdpMapdpcccdcs2221ppcc2211结论结论流动过程中工质压力的变化

5、和速度的变化趋势流动过程中工质压力的变化和速度的变化趋势相反相反5.2、喷管中气流参数变化和喷管截面积关系、喷管中气流参数变化和喷管截面积关系 2 比体积与流速变化的关系比体积与流速变化的关系pdpMacdc21结论结论比体积的变化和流速的变化是同向的。比体积的变化和流速的变化是同向的。它们的变化率大小关系则取决于工质流速，与它们的变化率大小关系则取决于工质流速，与马赫数有关。马赫数有关。0pdpvdvcdcMavdv25.2、喷管中气流参数变化和喷管截面积关系、喷管中气流参数变化和喷管截面积关系 3 流速变化对截面积的要求流速变化对截面积的要求结论结论对于喷管或扩压管，管道截面的增大或减小取

6、对于喷管或扩压管，管道截面的增大或减小取决于入口状态下的马赫数。决于入口状态下的马赫数。cdcMavdv2cdcvdvAdAcdcMaAdA) 1(2 3 流速变化对截面积的要求流速变化对截面积的要求cdcMaAdA) 1(2对对喷管喷管，dc0入口亚声速流动。入口亚声速流动。Ma1，则则Ma2 1 0，应采用渐缩喷，应采用渐缩喷管，即截面积沿流动方向逐渐管，即截面积沿流动方向逐渐减小，减小，dA 0Ma1dA1，则则Ma2 1 0，应采用渐扩喷，应采用渐扩喷管，即截面积沿流动方向逐渐管，即截面积沿流动方向逐渐增大，增大，dA 0Ma1dA 0Ma1 3 流速变化对截面积的要求流速变化对截面积

7、的要求cdcMaAdA) 1(2对对喷管喷管，dc0如进口马赫数如进口马赫数Ma1，则应当，则应当采用缩放喷管（拉伐尔喷管）采用缩放喷管（拉伐尔喷管）Ma1Ma1dA0临界截面，气体达到当地音速，对应的状态临界截面，气体达到当地音速，对应的状态称为称为临界状态临界状态 3 流速变化对截面积的要求流速变化对截面积的要求流速流速c比体积比体积v压力压力p声速声速ac ccrcr喉部喉部,crcrcrApT 3 流速变化对截面积的要求流速变化对截面积的要求cdcMaAdA) 1(2对对扩压管扩压管，dc1，则则Ma2 1 0，应采用渐缩扩，应采用渐缩扩压管，即截面积沿流动方向逐压管，即截面积沿流动方

8、向逐渐减小，渐减小，dA 1dA0Ma1入口亚声速流动。入口亚声速流动。Ma1，则则Ma2 1 0Ma0Ma1 3 流速变化对截面积的要求流速变化对截面积的要求cdcMaAdA) 1(2对对扩压管扩压管，dc1，而要，而要求出口马赫数求出口马赫数Ma1，则应当，则应当采用缩放扩压管采用缩放扩压管Ma1dA0确定某一管道是喷管或扩压管并不取决于管道的形确定某一管道是喷管或扩压管并不取决于管道的形状，而是由管道内工质状态的变化所决定的。状，而是由管道内工质状态的变化所决定的。注意注意课堂思考课堂思考 下列形状的管道，在入口气流分别为超声速下列形状的管道，在入口气流分别为超声速流动和亚声速流动时，分

9、别起到什么作用？流动和亚声速流动时，分别起到什么作用？亚声速亚声速喷管喷管扩压管扩压管缩放喷管缩放喷管输送管道输送管道超声速超声速扩压管扩压管喷管喷管缩放扩压管缩放扩压管输送管道输送管道5.3 滞止参数滞止参数定义：气体流速为定义：气体流速为0或流速虽大于或流速虽大于0但按定熵过程但按定熵过程折算到流速为折算到流速为0时的各种参数称为时的各种参数称为滞止参数滞止参数。1 理想气体滞止参数的确定理想气体滞止参数的确定22*chhTchppccTT22*1*TTpp11*TTvv5.4、气体流经喷管的流速、气体流经喷管的流速1 流速的计算流速的计算)(2)(22*21212hhchhckkppvp

10、kkc1*2*2)(112 对理想气体对理想气体结论结论滞止参数（即初始状态参数滞止参数（即初始状态参数p1、v1、c1）一）一定时，出口流速定时，出口流速c2取决于取决于p2/p*压力比压力比 5.4、气体流经喷管的流速、气体流经喷管的流速2 临界流速与临界压力比临界流速与临界压力比cr20pp1c2ccrcmax临界状态临界状态临界流速临界流速1*)(112ppvpccrcr*max12vpc理论最大流速理论最大流速kkppvpkkc1*2*2)(112 *2 临界流速与临界压力比临界流速与临界压力比临界压力比临界压力比1*12ppcrcr单原子的理想气体：单原子的理想气体： 1.67，

11、c0.468双原子的理想气体：双原子的理想气体： 1.4， c 0.528多原子理想气体：多原子理想气体： 1.3， c 0.546过热蒸汽：过热蒸汽： 1.3， c 0.546干饱和蒸汽：干饱和蒸汽： 1.135， c 0.5775.5 压气机的压气过程压气机的压气过程一一 压气机的压缩过程压气机的压缩过程消耗外功使气体压缩升压的设备统称为压气机。消耗外功使气体压缩升压的设备统称为压气机。压气机分类压气机分类压缩原理和结构压缩原理和结构活塞式活塞式叶轮式叶轮式引射式引射式工作压力工作压力通风机（表压通风机（表压0.01MPa）鼓风机（表压鼓风机（表压0.010.3MPa）压气机（表压压气机（

12、表压0.3MPa以上）以上）一一 压气机的压缩过程压气机的压缩过程1 压气机的压缩过程压气机的压缩过程1）单级活塞式压气机的工作原理单级活塞式压气机的工作原理a-1 进气过程进气过程1-2 压缩过程压缩过程2-b 排气过程排气过程压缩过程的耗功可由图压缩过程的耗功可由图中过程线中过程线12与与v轴所轴所包围的面积表示包围的面积表示V12abpVV2p20p11 压气机的压缩过程压气机的压缩过程2）单级活塞式压气机级的理论耗功）单级活塞式压气机级的理论耗功V12abpVV2p20p1进气过程消耗功量进气过程消耗功量 p1V1排气过程作功量排气过程作功量 p2V2压缩过程作功量压缩过程作功量21V

13、Vpdv21pptcVdpWW1 压气机的压缩过程压气机的压缩过程2）单级活塞式压气机级的理论耗功）单级活塞式压气机级的理论耗功三种压缩方式三种压缩方式可逆绝热压缩可逆绝热压缩111121,kkgstscppTRkkww可逆多变压缩可逆多变压缩111121,nngntncppTRnnww可逆定温压缩可逆定温压缩121,lnppTRwwgTtTc1 压气机的压缩过程压气机的压缩过程2）单级活塞式压气机级的理论耗功）单级活塞式压气机级的理论耗功pvTs12S2T12n2S2T2nabp2p1jmnp1p2结论结论Tcncscwww,TnSTTT, 2, 2, 2二二 压气机的实际循环压气机的实际循

14、环1 基本概念基本概念外止点外止点内止点内止点距离行程距离行程体积排量体积排量余隙容积余隙容积二二 压气机级的实际循环压气机级的实际循环2 余隙容积余隙容积Vc=V3有效容积有效容积Ve= V1-V4容积效率容积效率hevVV气缸排量有效吸气容积活塞排量活塞排量Vh=V1-V3二二 压气机级的实际循环压气机级的实际循环3 增压比对余隙容积的影响增压比对余隙容积的影响结论结论C和和n一定时，增压比一定时，增压比越越大，则容积效率越低，且大，则容积效率越低，且当当增加到某一值时，容增加到某一值时，容积效率为零积效率为零p2p1V1340VVcVh22p2p2p234hcVVVVV313定义定义余隙

15、容积比余隙容积比CnvCC11二二 压气机级的实际循环压气机级的实际循环4 余隙容积对压气机耗功的影响余隙容积对压气机耗功的影响12nn43gfpV6Vc结论结论如生产增压比相同，质如生产增压比相同，质量相同的同种压缩气体，量相同的同种压缩气体，理论耗功量与无余隙容理论耗功量与无余隙容积时相同。积时相同。1111nngCTmRnnW4gf431gf12SSWc三三 多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却1 多级压缩多级压缩pv12S2T2nabp2p1pv12T2nabp2p12n结论结论采用多级压缩，中间冷却可以减少压气机耗采用多级压缩，中间冷却可以减少压气机耗功，降低压缩终点温度。功，降低压缩终点温度。三三 多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却2 两级压缩级间冷却系统两级压缩级间冷却系统pv12T2nabp3p1p2低压缸中间冷却器高压缸1p2p3p冷却水2n三三 多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却2 两级压缩级间冷却系统两级压缩级间冷却系统pv12T2n