[工学]工程热力学课件7气体蒸汽流动

第七章气体和蒸汽的流动第一节喷管和扩压管的截面变化规律第二节气体和蒸汽在喷管中的流速和质量流量第三节有摩阻的绝热流动第四节气体和蒸汽的绝热节流(GasandSteamFlow)1 工程热力学基础理论工程应用喷管、扩压管、节流装置压缩机内燃机蒸气机制冷装置2 1、换热器适用于任意工质、任意过程。相对于q,动能、位能的增量可以忽略，故：单纯的热力学问题两类流动问题3 2、喷管和扩压管cf2cf111112222流入流出喷管扩压管cf1流入工质特点热力状态的改变－热学问题宏观可见流动状态的改变－流体力学问题4 喷气发动机5 飞机尾部喷管6 喷管7 一元稳定流动8 第一节喷管和扩压管的截面变化规律可逆流动应满足：连续性方程、可逆流动方程、可逆绝热方程、音速方程一、气流流通截面变化率方程1、按连续性方程得出截面变化率方程dQ=0；Ws=09 根据质量守恒原理，在稳定流动中，通过流道任一截面的质量流量必相等：对其取对数再求微分，有：上式称为稳定流动过程的连续性方程式。10 渐缩管道：对液体，肯定是喷管，但对气体和蒸汽就不一定了。11 2、比体积变化率与流速变化率之比关于声速12 注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速。如空气，2）水蒸气当地声速3）马赫数(Machnumber)（subsonicvelocity）（supersonicvelocity）（sonicvelocity）亚声速声速超声速13 在声速公式中，κ的选取：水蒸汽、可逆绝热过程取经验数据κ=1.3过热蒸汽κ=1.135饱和蒸汽14 比体积变化率与流速变化率之比P243b式，p与cf之间的关系，流速提高，压力降低。对其取对数再求微分，有：从可逆流动方程，经推导可得可逆绝热方程15 16 喷管截面形状Ma<1Ma≤1二、喷管截面的变化规律1、喷管扩压管17 喷管截面形状Ma>12、扩压管喷管18 3、A要么最大（无工程意义），要么最小。声速只可能出现在截面最小处。渐缩喷管不可能获得超音速气流Ma<1Ma≤119 Ma>1Ma<1Ma=1，临界截面引入：截面上Ma=1，cf,cr=c，称临界截面[也称喉部截面]，临界截面上速度达当地音速 。20 喷管的计算：喷管的设计计算：据给定条件（气流初参数、流量及背压），选择喷管的外形及确定几何尺寸。喷管的校核计算：已知喷管的形状和尺寸及不同的工作条件，确定出口流速和通过喷管的流量。21 关于绝热滞止过程由流动能量方程：不计位能，无轴功，绝热，则：微分上式：喷管内流动的能量变化基本关系式。22 1、气体动能的增加等于气流的焓降2、任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，把两者之和定义为一个参数：总焓或滞止焓h0结论：23 气体在绝热流动过程中，因受到某种阻碍流速降为零的过程。在绝热滞止时的温度和压力称为滞止温度T0和滞止压力p0。若过程为定熵滞止过程：绝热滞止过程：24 第二节气体和蒸汽在喷管中的流速和质量流量一、流速计算及其分析1、计算流速的公式：出口流速：不计cf1，则25 对于理想气体：适用于理想气体的可逆或不可逆绝热过程。26 如为理想气体可逆绝热流动：适用于理想气体的可逆绝热过程当p2=0，即出口处为真空时，出口流速达到最大当p2/p0=1时，即进出口没有压差时，流速为零。27 在初态确定的条件下：此速度实际上是达不到的，因为压力趋于零时比体积趋于无穷大。2、分析28 临界截面上的温度、压力、速度分别称为临界温度、临界压力、临界速度。Tcr、Pcr、cf,cr临界压力与滞止压力之比称为“临界压力比”Ma>1Ma<1Ma=1，临界截面二、临界速度和临界压力比29 理想气体绝热过程临界压力与滞止压力之比称为“临界压力比”30 临界压力比仅与气体的种类有关，适用于理想气体和水蒸汽。水蒸汽的κ值取经验数值。单原子气体κ=1.670.487双原子气体κ=1.400.528三原子气体κ=1.300.546过热水蒸汽κ=1.300.546饱和水蒸汽κ=1.1350.57731 物理含义：气流的压力下降多少时，流速恰好等于当地声速。它还是判定流动特征的参数。p2/p0>,则Ma<1，亚声速流动p2/p0<,则Ma>1，超声速流动根据临界压力比公式可求临界速度（幻灯片30）：32 三、质量流量的计算分析（一元稳定流动）收缩喷管：缩放喷管：根据连续方程，喷管各截面的质量流量相等。但各种形式喷管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收缩喷管的出口截面、缩放喷管的喉部截面）来计算流量，即：33 1、对于渐缩喷管：出口截面为最小截面其中：34 C流量随p2/p0的变化曲线0p2/p010.5讨论：1、当p2/p0=1，质量流量为零，流不动，如图中点A。B2、当p2/p0下降时，质量流量增加，当压力比达到临界压力比时，质量流量达到最大值。如图中点B。3、当p2/p0再下降时，尽管从力学条件上气流可达到超音速，对于渐缩喷管而言，其几何形状限制了气流的膨胀。出口截面上的压力仍为pcr，流量为最大流量。实际按BC变化。A35 2、对于缩放喷管：临界截面为最小截面对于理想气体，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达到临界状态，质量流量始终保持最大流量不变。（注意：质量守恒）36 例1废气涡轮中渐缩喷管出口截面积A2=200cm2，背压P2’=0.11MPa，喷管入口燃气压力P1=0.2MPa，温度t1=400°C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:首先判断背压是大于还是小于临界压力：。忽略cf1，即认为cf1＝0背压大于临界压力，故37 略去入口流速：解:例题：已知喷管（第一定律的例题，为什么可以略去cf1）求cf2=?38 例2渐缩喷管出口截面积A2=3cm2，背压P2’=0.5MPa，喷管入口空气压力P1=1MPa，温度t1=700°C，试求喷管出口截面处的流速和质量流量。解首先判断背压是大于还是小于临界压力：背压小于临界压力，故。出口处为临界状态忽略cf1，即认为cf1＝039 第三节：有摩阻的绝热流动由于存在摩擦，实际流动是不可逆过程，过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。40 焓的增加量等于动能的减小量。由能量方程式得：绝热41 速度系数φ：能量损失系数ξ：工程上表示气流出口速度下降和动能减小的两个系数：42 绝热节流装置第四节气体和蒸汽的绝热节流孔口附近流速变化剧烈43 节流阀44 节流—流体流经通道突然缩小的截面后发生压力降低的现象。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降低与流量的对应关系进行流量测量。气流在孔口前截面收缩，p↓、cf↑，孔口后气流截面达到最小，然后又逐渐增大，p↑、cf↓，最后达到稳定。由于孔口附近的扰动及涡流，造成不可逆损失，因此气流恢复稳定时，p2比节流前稳定气流的压力p1要低。45 2、实际气体：节流后温度变化不定。T2T1，“节流热效应”绝热节流：1、h1=h22、p20,s2>s1,sf=04、v2>v1绝热节流的温度效应称为“焦尔--汤姆逊效应”1、理想气体：因为h=f(T)，所以T1=T246 汤姆逊在实验室47 48 实际气体的冷、热效应区TLTTHppN热效应区冷效应区Np转回温度曲线定焓线49 作业第4版：P264－265习题：4、9（提示：废气当作空气处理）、1050