第8讲 气体的流动和压缩

1、第5章气体的流动和压缩,浙江工业大学热能所,内容,5-1一元稳定流动的基本方程,5-2流速与截面积的变化关系,2,2020/7/4,5-3气体的流速和流量,5-4压气机的压气过程,回顾,2020/7/4,3,回顾,等效卡诺循环：任意循环的等效卡诺循环热效率小于卡诺循环。,2020/7/4,4,5-1一元稳定流动的基本方程,热机的做功方式：,2020/7/4,5,低温低压,做功,5-1一元稳定流动的基本方程,喷管：利用压力降落使流体加速的管道,2020/7/4,6,启发：喷管截面积的变化与气体流动状态密切相关。,拉伐尔喷管(1883年),5-1一元稳定流动的基本方程,研究对象：,2020/7/4

2、,7,气流速度变化:c状态参数变化:p,v,T能量转换:h,5-1一元稳定流动的基本方程,2020/7/4,8,声速方程（当地声速）,5-1一元稳定流动的基本方程,一元稳定流动：一元：一切参数仅沿流动方向变化稳定：各点一切参数不随时间变化绝热：流过时间较短，忽略热交换可逆：无摩擦，流动过程可逆,2020/7/4,9,连续方程,包含面积、速度、比体积三者关系,5-1一元稳定流动的基本方程,2020/7/4,10,能量方程,绝热条件,5-1一元稳定流动的基本方程,2020/7/4,11,状态方程,理想气体状态方程：,过程方程,定熵过程(绝热无摩擦)：,音速定义,理想气体：,5-1一元稳定流动的基本

3、方程,气体一元稳定流动基本方程：,2020/7/4,12,5-2流速与截面积的变化关系,2020/7/4,13,1、利用气体压降使气流加速的管道,3、根据能量方程：,2、根据动量方程：,4、理想气体：,5、根据定熵过程方程：,6、根据连续方程：,喷管内参数变化趋势：,需要减少变量,5-2流速与截面积的变化关系,流速与比体积的关系：,2020/7/4,14,当地马赫数，恒为正：,5-2流速与截面积的变化关系,2020/7/4,15,马赫数,截面积设置：当Ma1时：dc0dA0，采用渐缩喷管；当Ma1时：dc0dA0，采用渐扩喷管；当流速从Ma1Ma1：采用前段渐缩和后段渐扩的组合喷管，称为缩放型

4、喷管或拉伐尔喷管。,5-2流速与截面积的变化关系,当地音速变化：由于喷管中气体的焓和温度随着气流速度的提高而降低，所以喷管中气体的声速会随着气流速度的提高而降低,2020/7/4,16,喉部：截面积最小，达到临界速度,5-2流速与截面积的变化关系,2020/7/4,17,喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系,流动状态,管道种类,管道形状,Ma1,Ma1,dc0,dc0,喷管,dp0,1,2,M1,缩放喷管Ma1缩放扩压管Ma1转Ma1,1,2,M1,M=1,M1,M1,扩压管,dp0,1,2,1,2,1,2,1,2,M=1,5-3气体的流速和流量,滞止现象：由于摩擦、撞击等使气体相对于物体的速

5、度降低为零的现象滞止参数：气体速度为零时的各种参数按定熵压缩折算到流速为零时的各种参数,2020/7/4,18,5-3气体的流速和流量,1、流速计算：,2020/7/4,19,可逆、不可逆均适用,定熵流动：,理想气体（定比热容）：,理想气体（定比热容）：,5-3气体的流速和流量,2、临界流速和临界压力比：气流处于由亚音速向超音速过渡的临界状态，速度等于当地音速，称为临界流速。临界流速处喷管截面上的压力与滞止压力之比称为临界压力比：,2020/7/4,20,气体一定时，临界压力比有确定的数值。,5-3气体的流速和流量,2020/7/4,21,由临界压力比和流速的计算式公式，可得到定熵流动时临界流

6、速为,5-3气体的流速和流量,3、流量和最大流量：,2020/7/4,22,可见，当进口气体状态一定时，气体流量由喉部截面积和喉部压力共同决定。,5-3气体的流速和流量,最大流量：,2020/7/4,23,假设：,求导数：,可解得：,即喉部截面压力比等于临界压力比时，流量有极大值。最大流量为：,5-3气体的流速和流量,喷管的设计：根据临界压力比进行喷管选型根据背压选择喷管:pbpc选择渐缩喷管pbpc选择缩放喷管计算喷管主要截面参数（临界截面、出口截面等）的热力状态参数计算喷管主要截面处的气流速度由流量公式求解各主要截面的截面积,2020/7/4,24,5-4压气机的压气过程,2020/7/4

7、,25,活塞式,轴流式,离心式,转子式,压气机：,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,26,分类,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,27,(1)特别快，来不及换热。,(2)特别慢，热全散走。,(3)实际压气过程是,S,T,n,活塞式压气机的压气过程：,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,28,外部做功，负值，技术功越少越好,压气过程做功：,（1）多变压缩过程,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,29,（2）定温压缩过程,（3）定熵压缩过程：,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,30,活塞式压气机余隙容积的影响,最大容积：V1工作容积：VhV1V3有效进气容积：V

8、1V4余隙容积：V3,（1）余隙容积：避免活塞与进排气阀碰撞，留有的空隙,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,31,（2）容积效率,由于余隙容积的存在，有效吸气容积V1V4，总是小于工作容积Vh，工作容积不能充分利用。通常用容积效率V表示压气机工作容积的利用率。改写为即,余隙比V3/Vh压力升高比p2/p1V。,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,32,活塞式压气机的余隙容积在理论上不影响压缩单位质量气体所消耗的轴功，但实际上由于存在膨胀和压缩过程的不可逆损失，压气机耗功会增加。,（3）余隙容积VC对理论压气功的影响,设12和43两过程n相同,压气机的轴功可按压气过程各过程功的代数

9、和来计算，即,可见，过程线1-2-3-4-1包围的面积即为压气机消耗的轴功。,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,33,4、多级压缩,采用多级压缩时，可把压缩过程分别在几个气缸中完成，可使每级气缸的增压比不会过高，也可便于按各级气缸的工作压力合理设计余隙比，因而多级压缩的压气机可以得到较高的容积效率。,采用中间冷却器，可降低压缩过程中气体的温度，使压缩终了温度不致过高。也可减少压气机所消耗的轴功（p-V图中阴影面积)。,单级压缩p2/p1一般为10左右，需要更高压力时，应采用多级压缩。,5-4压气机的压气过程,2020/7/4,34,中间压力对耗功的影响,两级压气机所消耗的轴功为,设气体在中冷器得到充分冷却，即T2T1，以及两级气缸中压缩过程的多变指数相同，即n1n2n，