2025工程热力学稳定流动试题及答案

2025工程热力学稳定流动试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在稳定流动能量方程中，若忽略势能变化，单位质量工质的轴功等于（）A.焓降与动能增量之和B.焓降与动能增量之差C.焓增与动能增量之和D.焓增与动能增量之差答案：A2.空气在喷管中作等熵膨胀，若入口速度可忽略，出口马赫数大于1，则喷管型式必为（）A.渐缩喷管B.渐扩喷管C.缩放喷管D.直管答案：C3.对于理想气体稳定流动，若绝热、无功、无势能变化，则沿流线滞止温度（）A.升高B.降低C.不变D.先升后降答案：C4.蒸汽在汽轮机内稳定流动，其动能变化与焓降相比通常（）A.大一个数量级B.小一个数量级C.同数量级D.无法比较答案：B5.在稳定流动中，若系统对外散热，则相同压降下的轴功与绝热过程相比（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：B6.对水蒸气再热循环，再热过程的主要目的是（）A.提高平均吸热温度B.降低排汽干度C.减小锅炉热负荷D.降低泵功答案：B7.燃气轮机装置回热后，循环热效率提高的根本原因是（）A.平均吸热温度升高B.平均放热温度降低C.压比提高D.工质比热容变化答案：A8.在稳定流动能量方程中，若出现“q=Δh+w_t”，则w_t表示（）A.技术功B.轴功C.膨胀功D.流动功答案：A9.空气在绝热节流中，若忽略动能变化，则（）A.焓值降低B.焓值不变C.熵值降低D.温度必降答案：B10.对CO₂与N₂混合物进行稳定流动绝热压缩，若混合比变化，则其等熵指数k将（）A.只与CO₂含量有关B.只与N₂含量有关C.随混合比变化D.恒为1.4答案：C二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列哪些项属于稳定流动能量方程中的“技术功”组成部分（）A.轴功B.动能增量C.势能增量D.流动功答案：A、B、C12.理想气体在喷管中实现等熵膨胀的条件包括（）A.绝热B.无摩擦C.一维流动D.滞止参数恒定答案：A、B、C、D13.再热＋回热燃气轮机循环相对于简单循环的优势有（）A.提高比功B.提高热效率C.降低NOx排放D.降低压气机喘振风险答案：A、B、C14.蒸汽动力装置采用抽汽回热后，下列参数一定升高的是（）A.汽轮机出口干度B.循环平均吸热温度C.锅炉排烟温度D.循环热效率答案：B、D15.对稳定流动系统，下列表达式可直接用于计算质量流量的是（）A.ρAVB.pAV/RTC.AV/vD.(p/RT)·A·√(2Δh)答案：A、C三、填空题（每空2分，共20分）16.稳定流动能量方程中，单位质量工质的总能量变化等于________、________、________三项功之和。答案：轴功、动能增量、势能增量17.空气（k=1.4）从800K、3MPa等熵膨胀至0.1MPa，其理论出口温度为________K。答案：369.518.若喷管效率为0.92，则实际出口动能与等熵出口动能之比为________。答案：0.9219.燃气轮机回热器效能ε定义为实际传热量与________传热量之比。答案：最大可能（或“极限”）20.蒸汽在汽轮机内绝热膨胀，入口焓为3400kJ/kg，出口焓为2400kJ/kg，若忽略动能变化，则单位质量轴功为________kJ/kg。答案：100021.当马赫数Ma=1时，喷管截面面积随流速增大而________。答案：增大（渐扩）22.理想气体绝热节流中，若入口温度为400K，焦耳－汤姆逊系数μ_J=0.15K/kPa，则压力降低2MPa时温度变化________K。答案：30023.再热压力选取得过高会导致________温度下降，从而降低再热效果。答案：平均吸热24.在超临界蒸汽循环中，汽轮机末级叶片最大应力往往受________限制。答案：排汽湿度（或“湿度过大”）25.对稳定流动系统，熵产大于零意味着过程为________过程。答案：不可逆四、简答题（每题8分，共24分）26.（封闭型）写出稳定流动能量方程的一般形式，并说明各项物理意义。答案：方程：q=Δh+Δc²/2+gΔz+w_s各项意义：q——单位质量工质从外界吸收的热量；Δh——焓变，代表流动功与内能变化之和；Δc²/2——动能增量；gΔz——势能增量；w_s——单位质量工质对外输出的轴功。27.（开放型）工程实际中，燃气轮机叶片冷却技术为何会影响稳定流动能量方程中的“q”项？请结合方程分析其热力学本质。答案：叶片冷却引入内部冷流，冷流与主流间存在热量交换，使主流在流动过程中对外散热（q<0）。根据能量方程，q减小导致Δh、Δc²/2、w_s等项重新分配：为维持相同焓降，轴功w_s将降低，或需提高入口温度补偿。热力学本质是通过内部传热改变系统边界热流，从而调整沿程能量分布，降低叶片金属温度，但代价是主流可用能下降，表现为熵产增加、效率降低。28.（封闭型）简述再热循环提高蒸汽动力装置效率的机理，并指出其局限。答案：机理：再热使高压缸排汽重返锅炉吸热，提高平均吸热温度；同时降低低压缸末级蒸汽湿度，减少湿汽损失，提高汽轮机内效率。局限：再热管道、阀门增加投资与复杂性；再热压力选取不当将削弱效率增益；锅炉受热面布置复杂，启动、停机热应力大。五、应用题（共41分）29.（计算题，12分）空气（理想气体，R=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4）在缩放喷管中作等熵膨胀。入口参数：p₁=1MPa，T₁=600K，速度可忽略；出口背压p_b=0.1MPa。求：(1)出口马赫数Ma₂；(2)出口截面积A₂，已知质量流量ṁ=5kg/s。答案：(1)等熵关系：T₂=T₁(p₂/p₁)^((k1)/k)=600×(0.1)^(0.2857)=310.6K出口音速：a₂=√(kRT₂)=√(1.4×287×310.6)=353.5m/s出口速度：c₂=√[2c_p(T₁T₂)]=√[2×1005×(600310.6)]=761.8m/sMa₂=c₂/a₂=761.8/353.5=2.155(2)比容：v₂=RT₂/p₂=287×310.6/(0.1×10⁶)=0.891m³/kgA₂=ṁv₂/c₂=5×0.891/761.8=5.85×10⁻³m²=58.5cm²30.（分析题，14分）某汽轮机入口蒸汽h₁=3420kJ/kg，s₁=6.80kJ/(kg·K)。经绝热膨胀至p₂=5kPa，干饱和蒸汽s″=8.395kJ/(kg·K)，饱和水s′=0.476kJ/(kg·K)。若汽轮机内效率η_t=0.85，求：(1)等熵出口干度x₂s；(2)实际出口焓h₂a；(3)单位质量熵产Δs_g；(4)若忽略动能变化，单位质量轴功w_s。答案：(1)等熵膨胀s₂s=s₁=6.80=0.476+x₂s(8.395−0.476)x₂s=(6.80−0.476)/7.919=0.798(2)等熵出口焓：h₂s=138+h_fg·x₂s=138×(1−0.798)+2569×0.798=2060kJ/kg实际焓：h₂a=h₁−η_t(h₁−h₂s)=3420−0.85×(3420−2060)=2264kJ/kg(3)实际出口熵：s₂a=0.476+x₂a·7.919，由h₂a=138+x₂a·2444得x₂a=(2264−138)/2444=0.870s₂a=0.476+0.870×7.919=7.365kJ/(kg·K)Δs_g=s₂a−s₁=7.365−6.80=0.565kJ/(kg·K)(4)w_s=h₁−h₂a=3420−2264=1156kJ/kg31.（综合题，15分）某燃气轮机装置采用回热＋再热循环，压比π=12，最高温度T₃=1450K，回热器效能ε=0.75，再热压力取最佳值（等于高压涡轮出口压力）。空气k=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)，c_p=1.005kJ/(kg·K)。求：(1)绘制Ts示意图并标出关键状态点；(2)计算循环热效率η_t；(3)若压气机内效率η_c=0.88、涡轮内效率η_t=0.90，重新计算实际循环热效率。答案：(1)图略：12s等熵压缩，23回热吸热，34等压吸热至1450K，45高压涡轮等熵膨胀至再热压力，56再热等压吸热至1450K，67低压涡轮等熵膨胀至1，71回热放热。(2)理想循环：T₂s=T₁π^((k1)/k)=293×12^0.286=596.6KT₄=1450K，再热压力p_m=√(p₁p₄)=√(1×12)=3.46MPaT₅s=T₄(p_m/p₄)^((k1)/k)=1450×(3.46/12)^0.286=1003KT₆=1450K，T₇s=T₆(p₁/p_m)^((k1)/k)=1450×(1/3.46)^0.286=1003K回热：T₂=596.6K，T₇=1003K，T₈=T₇−ε(T₇−T₂)=1003−0.75×(1003−596.6)=698K吸热量：q_in=c_p[(T₄−T₃)+(T₆−T₅)]=1.005×[(1450−698)+(1450−1003)]=1.005×1199=1205kJ/kg放热量：q_out=c_p(T₈−T₁)=1.005×(698−293)=407kJ/kgη_t=1−q_out/q_in=1−407/1205=66.2%(3)实际循环：T₂'=T₁+(T₂s−T₁)/η_c=293+(596.6−293)/0.88=638KT₅'=T₄−η_t(T₄−T₅s)=1450−0.90×(1450−1003)=1047KT₇'=T