[工学]工程热力学7气体蒸汽流动ppt课件

1、第七章第七章 气体和蒸汽的流动气体和蒸汽的流动 第一节第一节 喷管和扩压管的截面变化规律喷管和扩压管的截面变化规律 第二节第二节 气体和蒸汽在喷管中的流速和质气体和蒸汽在喷管中的流速和质 量流量量流量 第三节第三节 有摩阻的绝热流动有摩阻的绝热流动 第四节第四节 气体和蒸汽的绝热节流气体和蒸汽的绝热节流(Gas and Steam Flow) 工程热力学工程热力学根底实际根底实际工程运用工程运用喷管、扩压管、节流安装喷管、扩压管、节流安装紧缩机紧缩机内燃机内燃机蒸气机蒸气机制冷安装制冷安装s122212)()(2112wzzgcchhqff0sw12ffcc12hhq适用于恣意工质、恣意过程。

2、适用于恣意工质、恣意过程。相对于相对于q, 动能、位能的增量可以忽略，故：动能、位能的增量可以忽略，故：单纯的热力学问题单纯的热力学问题两类流动问题两类流动问题12ZZ cf2cf111112222流入流出喷管扩压管cf1流入0q0sw2122)(2112hhccff压力势能动能pccff12工质特点工质特点热力形状的改动热学问题热力形状的改动热学问题宏观可见流动形状的改动流膂力学问题宏观可见流动形状的改动流膂力学问题s122212)()(2112wzzgcchhqff动能热能 12ffcc喷气发动机喷气发动机飞机尾部喷管飞机尾部喷管一元稳定流动一元稳定流动第一节第一节 喷管和扩压管的截面变化

3、规律喷管和扩压管的截面变化规律可逆流动应满足：延续性方程、可逆流动方程、可可逆流动应满足：延续性方程、可逆流动方程、可逆绝热方程、音速方程逆绝热方程、音速方程 一、气流流通截面变化率方程一、气流流通截面变化率方程1 1、按延续性方程得出截面变化率方程、按延续性方程得出截面变化率方程 dQ=0；Ws=0根据质量守恒原理，在稳定流动中，经过流道根据质量守恒原理，在稳定流动中，经过流道任一截面的质量流量必相等：任一截面的质量流量必相等：对其取对数再求微分，有：对其取对数再求微分，有：上式称为稳定流动过程的延续性方程式。上式称为稳定流动过程的延续性方程式。skgkgmsmmvcAqfm32常数0vdv

4、cdcAdAffffffffcdccdcvdvcdcvdvAdA) 1(渐缩管道：对液体，一定渐缩管道：对液体，一定是喷管，但对气体和蒸汽是喷管，但对气体和蒸汽就不一定了。就不一定了。ffcdcAdAdv则：对液体，, 0ffffffcdccdcvdvcdcvdvAdA) 1(ccMfa2、比体积变化率与流速变化率之比、比体积变化率与流速变化率之比ffffffcdccdcvdvcdcvdvAdA) 1(pvcTRcg关于声速关于声速留意：留意：1声速是形状参数，因此称当地声速。声速是形状参数，因此称当地声速。 0 C1.4 287 273.15331.2m/sc 如空气，如空气，2水蒸气当地声

5、速水蒸气当地声速cpv3fcMac 马赫数马赫数 (Mach number)1Ma 20 C318.93m/sc20 C343m/sc subsonic velocitysupersonic velocitysonic velocitygpVcR Tandc亚声速亚声速1Ma 声速声速1Ma 超声速超声速 在声速公式中，的选取：水蒸汽、可逆绝热过程水蒸汽、可逆绝热过程vpcck 取阅历数据取阅历数据=1.3 过热蒸汽过热蒸汽=1. 饱和蒸汽饱和蒸汽pdpkvdv1cvpk比体积变化率与比体积变化率与流速变化率之比流速变化率之比P243b式，式，p与与cf之间的关系，流速之间的关系，流速提高，压

6、力降低。提高，压力降低。对其取对数再求微分，有：对其取对数再求微分，有：ffffffcdccdcvdvcdcvdvAdA) 1(分析：从可逆流动方程，经推导可得从可逆流动方程，经推导可得vdpdccffpdpcpvcdcfff2可逆绝热方程可逆绝热方程222221afffffMccpvcpdpcpvpdpcdcvdv222221afffffMccpvcpdpcpvpdpcdcvdvffffcdccdcvdvAdA) 1(ffacdcMAdA)1(2 喷管截面外形Ma12、ffacdcMAdA) 1(2同号与，则fadcdAM1扩压管00fdcdA喷管pdcdAf00ffacdcMAdA) 1(

7、23、01dAMaA要么最大无工程意义 ，要么最小。声速只能够出如今截面最小处。渐缩喷管不能够获得超音速气流渐缩喷管不能够获得超音速气流Ma1Ma1Ma , 那么那么Ma 1，亚声速流动，亚声速流动 p2 / p0 1，超声速流动，超声速流动 000,1212vpTRTRccgcrgcrf根据临界压力比公式可求临界速度幻灯片根据临界压力比公式可求临界速度幻灯片30：crcr0ppcrcr三、质量流量的计算分析一元稳定流动三、质量流量的计算分析一元稳定流动收缩喷管：收缩喷管：缩放喷管：缩放喷管： 根据延续方程，喷管各截面的质量流量相等。但各种方式喷管的流量大小都受最小截面控制，因此通常按最小截面

8、收缩喷管的出口截面、缩放喷管的喉部截面来计算流量，即：222vcAqfmcrcrfcrmvcAq，vAcqmf102202002)()(12ppppvpAqm有：22f2vcAqm1、对于渐缩喷管：出口截面为最小截面1102200202()()kkfppvvvppc，上 面 已 求 得 ， 共 同 代 入 上 式 ：其中：其中： C 流量随 p2 / p0的变化曲线0p2 / p010.5mq讨论：讨论： 1、当、当 p2 / p0 = 1，质，质量流量为零，流不动，如图量流量为零，流不动，如图中点中点A。max,mqB 2、当 p2 / p0下降时，质量流量添加，当压力比到达临界压力比时，质

9、量流量到达最大值。如图中点B。 3、当、当p2 / p0 再下降时，虽然从力学条件上气流可到达超再下降时，虽然从力学条件上气流可到达超音速，对于渐缩喷管而言，其几何外形限制了气流的膨胀。出音速，对于渐缩喷管而言，其几何外形限制了气流的膨胀。出口截面上的压力仍为口截面上的压力仍为pcr ，流量为最大流量。实践按，流量为最大流量。实践按BC变化。变化。A102202002)()(12ppppvpAqmcrcrcrfmvcAq,min0012minmax,)12(12vpAqqmm2、对于缩放喷管：临界截面为最小截面1110002()()1crkkcrpvvvPk对于理想气体，由临界压力比及绝热过程

10、方程得：对于理想气体，由临界压力比及绝热过程方程得： 由于缩放喷管在喉口处已到达临界形状，质量流量一由于缩放喷管在喉口处已到达临界形状，质量流量一直坚持最大流量不变。留意：质量守恒直坚持最大流量不变。留意：质量守恒 例例1 废气涡轮中渐缩喷管出口截面积废气涡轮中渐缩喷管出口截面积A2=200cm2，背压，背压P2=0.11MPa，喷管入口燃气压力，喷管入口燃气压力P1=0.2MPa，温度，温度t1=400C燃气具有空气性质，试求喷管出口截面处的流速和质量流量。燃气具有空气性质，试求喷管出口截面处的流速和质量流量。解解: 首先判别背压是大于还是小于临界压力：首先判别背压是大于还是小于临界压力：5

11、28. 055. 02 . 011. 0112PPPPcraMpPP11.022skgPPPPvPAqsmPPRTwmg22. 61246111211221211211212忽略忽略 cf1，即以，即以为为cf10背压大于临界压力，故背压大于临界压力，故 smhhcf/1 .93810)23402780(2)(23212略去入口流速：略去入口流速：kgkJh/27801kgkJh/23402smcf/201smchhcff/3 .9382010)23402780(2)(22322112解解:2122)(2112hhccff例题：知喷管第一定律的例题，为什么可以略去cf1求 cf2 = ? 例例

12、2 渐缩喷管出口截面积渐缩喷管出口截面积A2=3cm2，背压，背压P2=0.5MPa，喷，喷管入口空气压力管入口空气压力P1=1MPa，温度，温度t1=700C，试求喷管出口截面，试求喷管出口截面处的流速和质量流量。处的流速和质量流量。解解 首先判别背压是大于还是小于临界压力：首先判别背压是大于还是小于临界压力：528.05.015.0112PPPPcr背压小于临界压力，故背压小于临界压力，故 。出口处为临界形状。出口处为临界形状crPP 2skgvPAqqsmRTwwmmcrgg39. 012125711211122max1,2，忽略忽略 cf1，即即以为以为cf10第三节：有摩阻的绝热流动

13、第三节：有摩阻的绝热流动由于存在摩擦，实践流动是不可逆过程，过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。 焓的添加量等于动能焓的添加量等于动能的减小量。的减小量。）（注意到起点为同一点222222220ffchchh0ggfssss22222222ffcchh由能量方程式得：由能量方程式得：绝热绝热22ffcc22222221fffccc理想动能损失的动能 速度系数： 能量损失系数：工程上表示气流出口速度下降和动能减小的两个系数：工程上表示气流出口速度下降和动能减小的两个系数：21hh 21221()02ffcc0sw0q第四节第四节 气体和蒸汽的绝热节流气体和蒸汽的绝热节流iffwzz

14、gcchhq)(2)(12212212孔口附近流速变化猛烈孔口附近流速变化猛烈节流阀 节流节流流体流经通道忽然减少的截面后发生压力降低的景象。流体流经通道忽然减少的截面后发生压力降低的景象。 工程上常利用节流过程控制流体的压力工程上常利用节流过程控制流体的压力, ,还可利用节流时压力还可利用节流时压力降低与流量的对应关系进展流量丈量。降低与流量的对应关系进展流量丈量。 气流在孔口前截面收缩，气流在孔口前截面收缩，pp、cfcf，孔口后气流截面到达最，孔口后气流截面到达最小，然后又逐渐增大，小，然后又逐渐增大， p p、cf cf ，最后到达稳定。，最后到达稳定。 由于孔口附近的扰动及涡流，呵斥不可逆损失，因此气流恢复由于孔口附近的扰动及涡流，呵斥不可逆损失，因此气流恢复稳定时，稳定时，p2p2比节流前稳定气流的压力比节流前稳定气流的压力p1p1要低。要低。2 2、实践气体：、实践气体： 节流后温度变化不定。节流后温度变化不定。 T2 T1 T2 T1 T2 T1 ， “节流热效应节流热效应绝热节流：绝热节流：1 1、h1 = h2h1 = h2 2 2、p2 p1p2 0 ,s2 s1 , sg 0 ,s2 s