工程热力学气体与蒸汽的流动演示

（优选）工程热力学气体与蒸汽的流动现在是1页\一共有62页\编辑于星期二2023/4/132直管节流阀风洞现在是2页\一共有62页\编辑于星期二

对研究的问题进行简化

1.一维稳定流动；

2.流动过程是绝热的；

3.先将流动过程简化为可逆过程，再考虑不可逆因素的影响；

4.流动工质为气体,常简化为理想气体。

研究流体在变截面短管中的一维绝热稳定流动本章内容联系的工程实际问题：管道内的流动—喷管、扩压管、节流阀等。归结为：现在是3页\一共有62页\编辑于星期二2023/4/134例如：直管，二维简化为一维12一般沿垂直流动方向的截面上也有变化，如温度、流速。为简单起见，取截面上的平均值作为该截面上任何点的参数，则流动也可看作是一元流动。如图：现在是4页\一共有62页\编辑于星期二

7-1

一维稳定流动的基本方程

1.连续性方程(质量守恒)

稳定流动任一截面上的质量流量为定值现在是5页\一共有62页\编辑于星期二适用于任何工质可逆和不可逆过程

反映了流体截面积、流速和比体积之间的关系。微分形式现在是6页\一共有62页\编辑于星期二绝热稳定流动2.能量方程000工质流速的增加来自于焓值的减少现在是7页\一共有62页\编辑于星期二

任一截面上流体的焓与动能之和保持常量。适用于任何工质可逆和不可逆过程微分得现在是8页\一共有62页\编辑于星期二

h0

称为总焓或滞止焓。

气流在绝热流动过程中，受到阻碍使流速降为0的过程称为绝热滞止过程，相应的状态参数称为滞止参数。

滞止参数:对于理想气体，定比热，定熵滞止，有现在是9页\一共有62页\编辑于星期二滞止状态在工程上有现实意义

如：钝体表面迎风面上的驻点，

载人飞船返回舱的迎风面上承受很高的温度

现在是10页\一共有62页\编辑于星期二3.过程方程式可逆绝热过程方程式适用条件:(1)理想气体(2)定比热(3)可逆过程微分变比热时κ取过程范围内的平均值对于水蒸气也可以近似采用，κ取经验值。现在是11页\一共有62页\编辑于星期二4.声速与马赫数微小扰动在连续截介质中的传播速度1)声速声速方程:在气体中的过程可近似看作定熵过程现在是12页\一共有62页\编辑于星期二取决于气体的性质和温度理想气体的声速声速是状态参数，称当地声速。

现在是13页\一共有62页\编辑于星期二

马赫数定义为某处气体流速与当地声速的比值

亚声速流动

声速流动

超声速流动2)马赫数现在是14页\一共有62页\编辑于星期二7-2促使流速改变的条件

一、力学条件

由能量方程

压力的变化与流速的变化符号相反

流速增加，压力必下降；而流速减小，压力升高

喷管扩压管现在是15页\一共有62页\编辑于星期二二、几何条件气体流速变化与截面积变化之间的关系推导由得到及现在是16页\一共有62页\编辑于星期二

气流截面积的变化与流速的变化有关，还与马赫数有关。再结合连续性方程得：现在是17页\一共有62页\编辑于星期二在压差条件满足的情况下，分析dcf>0

（喷管）时截面的变化规律现在是18页\一共有62页\编辑于星期二使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管—拉伐尔喷管(Lavalnozzle)

。

为最小截面，也称喉部截面，截面上Ma=1、cf=c，称临界截面现在是19页\一共有62页\编辑于星期二亚声速气流流经渐缩喷管，流速可以不断提高，最高在出口截面达到声速。超声速气流要加速必须流经渐扩喷管。若使亚声速气流流速不断提高最终达到超声速则必须采用拉伐尔喷管，也叫缩放喷管。现在是20页\一共有62页\编辑于星期二缩放喷管最小截面（喉部截面)处流速等于声速，即马赫数等于1，这个截面称为临界截面，该截面相应的参数为临界参数。

临界参数：现在是21页\一共有62页\编辑于星期二

在渐缩喷管中，气体流速最大只能达到声速，而且只可能在出口截面达到，这时的出口截面为临界截面，流速等于声速，压力等于临界压力。现在是22页\一共有62页\编辑于星期二7-3喷管的计算采用滞止参数，任何初速度不为零的流动可等效成从滞止状态开始的流动，使入口条件简化。初速度较小时，入口截面近似处理成滞止截面。现在是23页\一共有62页\编辑于星期二1.流速的计算

任一截面上的流速

出口截面工质的流速理想气体、定值比热、可逆流动有：取决于初态参数和压力比。现在是24页\一共有62页\编辑于星期二临界压力比

临界截面上临界压力比只与气体的性质有关临界流速临界压力比写为现在是25页\一共有62页\编辑于星期二临界压力比非常重要，它是喷管选型的依据。常见工质的临界压力比νcr

双原子理想气体：νcr＝0.528

多原子理想气体：νcr=0.546

过热水蒸汽：νcr＝0.546

饱和水蒸汽：νcr=0.577经验值现在是26页\一共有62页\编辑于星期二

2.流量的计算在一维稳定流动中，任何一个截面上的质量流量均相同。常以流道的最小截面计算流量。

渐缩喷管以出口截面计算流量，计算公式为：现在是27页\一共有62页\编辑于星期二将计算式及代入得到现在是28页\一共有62页\编辑于星期二qm,max现在是29页\一共有62页\编辑于星期二

当渐缩喷管出口截面的压力等于临界压力时，流量取得最大流量，为

对于缩放型喷管，喉部截面为临界截面，应有：现在是30页\一共有62页\编辑于星期二3.喷管的计算

喷管的计算包括设计计算和校核计算（1）喷管的设计计算

已知：气流的初参数（p1，t1，cf1），流量qm，背压pb。

任务：选择喷管的形状，并计算喷管的尺寸。

现在是31页\一共有62页\编辑于星期二

喷管设计计算步骤：

①求滞止参数②选型原则：

计算出与νcr(＝)进行比较：

现在是32页\一共有62页\编辑于星期二时采用渐缩喷管时采用缩放喷管现在是33页\一共有62页\编辑于星期二

③确定(临界截面和)出口截面上气体的状态参数④求(临界流速和)出口截面流速⑤求面积对于渐缩喷管，求出口截面积A2；对于缩放喷管，求喉部截面积Amin，出口截面积A2及渐扩段的长度。现在是34页\一共有62页\编辑于星期二（2）喷管的校核计算

已知：喷管的形状和尺寸，工作条件即初参数和背压。

任务：确定出口流速和通过喷管的流量。

现在是35页\一共有62页\编辑于星期二

喷管校核计算步骤：

①求出滞止参数；②确定喷管出口截面上的压力，

这是与设计计算不同的一步。

对于渐缩喷管：

若>νcr

则若≤νcr

则=νcrp0

现在是36页\一共有62页\编辑于星期二③求临界截面和出口截面上气体的状态参数④求临界流速和出口截面流速⑤求通过喷管的流量,可用临界截面参数求，也可用出口截面参数来求。现在是37页\一共有62页\编辑于星期二例题1

已知空气流经喷管，初态参数：

背压，质量流量

，试设计喷管。

现在是38页\一共有62页\编辑于星期二解题思路：1.据初速度计算滞止参数;2.将给定的压力比与临界压力比进行比较,确定喷管的形状;3.确定出口截面压力;4.计算出口流速、临界流速；5.计算截面积等尺寸。现在是39页\一共有62页\编辑于星期二例题2压力，温度的蒸汽，经拉伐尔喷管流入压力为的大空间中，若喷管出口截面积A2=200mm2，试求：临界速度、出口速度、喷管质量流量及喉部截面积。

现在是40页\一共有62页\编辑于星期二例题

初态的水蒸气以初速度可逆绝热流经喷管，进入的空间。当蒸汽的流量为3000kg/h，试确定喷管的形状和尺寸。

流体为蒸气，应查h-s图进行计算。现在是41页\一共有62页\编辑于星期二7-4背压变化时喷管内的流动过程渐缩喷管现在是42页\一共有62页\编辑于星期二缩放喷管现在是43页\一共有62页\编辑于星期二7-5有摩阻的绝热流动

实际上，喷管内气体的流动存在摩擦阻力，过程是不可逆的绝热流动。在压降相同的情况下，有摩阻的流动与定熵流动相比，喷管出口处气体的熵增大，出口温度和焓提高，出口流速减小。现在是44页\一共有62页\编辑于星期二能量方程出口流速现在是45页\一共有62页\编辑于星期二喷管速度系数喷管效率一般在0.92~0.98现在是46页\一共有62页\编辑于星期二7-6绝热节流绝热节流的概念

气体在管道中流过阀门、孔板等突然缩小的截面，且与外界没有热量交换的过程。现在是47页\一共有62页\编辑于星期二

气流在绝热节流过程前后的焓相等，但不是等焓过程。因为在缩孔附近，由于流速增加，焓是下降的，流体在通过缩孔时动能增加，压力下降并产生强烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，使节流后的压力不能回复到与节流前相同。现在是48页\一共有62页\编辑于星期二节流过程是典型的不可逆过程。节流前后参数的变化情况：

温度变化：理想气体节流前后温度不变，实际气体节流后温度可以升高，可以降低，也可以不变，取决于节流前气体所处的状态及压降。现在是49页\一共有62页\编辑于星期二用焦耳—汤姆逊系数表示节流过程温度随压力变化的关系反映节流的温度效应。现在是50页\一共有62页\编辑于星期二根据焓的一般关系式现在是51页\一共有62页\编辑于星期二<0>0=0产生热效应产生冷效应产生零效应现在是52页\一共有62页\编辑于星期二节流在工程上的应用:

1.利用节流的温度效应，工质节流后降温制冷。2.利用节流来测量流体的流量。3.利用节流调节功率。4.在物性研究中，绝热节流也有很大的应用价值，如可根据实验测得的值求取状态方程。现在是53页\一共有62页\编辑于星期二本章总结：掌握气体在喷管中的流动特性和规律；重点掌握喷管计算的方法、步骤；注意理解渐缩喷管和缩放喷管的流量qm、出口截面处的压力p2、流速cf2的取值情况；掌握对有摩阻的绝热流动的处理方法及计算；绝热节流的概念和参数变化,作功能力损失计算。

现在是54页\一共有62页\编辑于星期二

空气进入喷管时流速为300m/s，压力为0.5MPa，温度450K，喷管背压pb=0.28MPa，求：喷管的形状，最小截面积及出口流速。已知：空气cp=1004J/(kg·K)，Rg=287J/(kg·K)解：滞止过程绝热由于cf1=300m/s，所以应采用滞止参数现在是55页\一共有62页\编辑于星期二所以采用缩放喷管注意：若不考虑

cf1，则

pcr=c