华北电力大学(北京)工程热力学课件(第八章).ppt

工程热力学课件华北电力大学（北京）动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月 2第八章气体和蒸汽的流动(GasandSteamFlow) 3一.简化工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管(nozzle; jet)、扩压管(diffuser)及节流阀(throttlevalve)内流动过程的能量转换情况。 §8–1稳定流动的基本方程式稳定一维可逆绝热 5二.稳定流动基本方程1.质量守恒方程（连续性方程）continuity equation1122p1T1qm1cf1p2T2qm2cf2 62.过程方程注意，若水蒸气，则 3.稳定流动能量方程—steady-flow energy equation 4.音速方程等熵过程中所以？ 9注意：1）音速是状态参数，因此称当地音速如空气，2）水蒸气当地音速3）马赫数(Mach number)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity 10绝热滞止(stagnation)定义：气流掠过物体表面时，由于摩擦、撞击等使气体相对于物体的速度降低为零的现象称为滞止现象。滞止发生时气体的温度及压力都要升高，致使物体的温度及受力状况受到影响。忽略滞止过程中的散热，则可认为过程为绝热滞止过程。绝热滞止状态下气体的状态参数称为绝热滞止参数或简称为滞止参数。可见，绝热滞止焓等于绝热流动中任一位置气体的焓和流动动能的总和，因此也称总焓。 11水蒸气：其他状态参数理想气体、定比热时的滞止参数： 绝热滞止温度：绝热滞止时气体的温度称为绝热滞止温度，用T0表示，当比热容为定值时，由焓和温度的关系，可得例如，如飞机在–20℃的高空以Ma=2飞行，其T0=182.6℃。航天飞机返回大气层时Ma更大。可见，cf↑→T0↑。因而，当设计在高速运动的装置时和测量高速气流的温度时，必须考虑气体的滞止温度的影响。 13§8–2促使流速改变的条件一.力学条件因为流动可逆绝热，所以且能量方程故力学条件 14讨论：喷管扩压管2）是压降，是焓（即技术功）转换成机械能。的能量来源1） 二.几何条件力学条件过程方程连续性方程 16几何条件讨论：1）cf与A的关系还与Ma有关，对于喷管渐缩喷管—convergent nozzle 17当Ma>1时，dcf>0→dA>0，采用渐扩喷管； 截面上Ma=1，cf=c，称临界截面(minimum cross-sectionalarea)[也称喉部(throat)截面]，临界截面上速度达当地音速(velocity of sound)称临界压力(critical pressure)，临界温度及临界比体积 192）当促使流速改变的压力条件得满足的前提下：a）收缩喷管(convergentnozzle)出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）b）以低于当地音速流入渐扩喷管(divergentnozzle)不可能使气流可逆加速。c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管(convergent-divergentnozzle)—拉法尔(Lavalnozzle)喷管。 203）背压(back pressure)pb是指喷管出口截面外工作环境的压力。正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于背压pb，但非设计工况下p2未必等于 pb4）对扩压管(diffuser)，目的是p上升，通过cf下降使动能转变成压力势能，情况与喷管相反。 21归纳：1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是使流动可逆必不可少的条件；2）气流的焓差（即技术功）为气流加速提供了能量；3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉法尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速，5）背压pb未必等于p2。 22§8–3喷管计算一.流速计算及分析1.计算式注意：a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质b）式中h单位是J/kg，cf是m/s，但一般资料提供h单位是kJ/kg，要转化成J/kg。2.初态参数对流速的影响：为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。 23分析： 24但cf，max不可能达到摩擦从1下降到0的过程中某点 25该点即为临界点，此点上压力pcr与p0之比称临界压力比(critical pressure ratio; throat-to-stagnation of pressure)，用νcr表示讨论：1）理想气体水蒸气随工质而变理想气体定比热双原子过热水蒸气湿蒸汽 263）由于几何条件约束，临界截面只可能发生在dA=0处，考虑到工程实际：收缩喷管—出口截面缩放喷管—喉部截面另：与上式是否矛盾？ 273.背压pb对流速的影响a）收缩喷管：b）缩放喷管： 28二.流量计算及分析1.计算式通常收缩喷管—出口截面缩放喷管喉部截面出口截面其中 292.初参数对流量的影响 30分析：a） 31三.喷管设计据初参数p1，v1，T1背压pb功率喷管形状几何尺寸1.外形选择首先确定pcr与pb关系，然后选取恰当的形状 322.几何尺寸计算A1——往往已由其他因素确定太长——摩阻大太短——过大，产生涡流(eddy) 例：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。cp=1004J/kg·k，Rg=287J/kg·k解：由于cf1=300m/s，所以应采用滞止参数滞止过程绝热 所以采用缩放喷管注：若不考虑cf1，则pcr=cr·p1=0.5280.5=0.264MPas1,I=T0sg3) h1=h2，但节流过程并非等焓过程4) T2可能大于等于或小于T1理想气体T2= T1毛细管多孔塞 47二.节流后的温度变化1.焦耳—汤姆逊系数（Joule-Thomson coefficient）据令焦耳—汤姆逊系数（也称节流微分效应） 48如理想气体 492.转回温度(inversion temperature)—节流后温度不变的状态的温度把气体的状态方程代入μJ表达式即可求得不同压力下的转回温度曲线，转回曲线(inversion curve)。例如理想气体转回温度为一直线；实际气体，如用范氏方程代入μJ可得或 50若令p=0，得3.节流的积分效应节流时状态在致冷区则T下降节流时状态在致温区则，T上升或下降取决于Δp的大小，如：当气体温度T>Ti,max或TT1常温常压下节流T下降 51三.水蒸气节流过程1）节流后温度稍有下降2）但少作功作功能力损失？四.节流现象的工程应用气体液化发动机功率调节孔板流量计，干度计···利用μJ，结合实验，建立实际气体微分方程热网中蒸汽降压 合流合流—多股气流汇合成一股气流合流的流量：由质量守恒定律，对于稳定流动，有：即合流的总焓等于各支流总焓之和。忽略气体的流动动能时，即有：如过程绝热，则所以因合流的焓 合流的温度取一参考温度T0，由上式有将混合气体的比热容关系式代入上式有：因此有：如各支流气体相同，则有： 思考题1声速取定于哪些因素？2为什么渐缩喷管中气体的流速不可能超过当地声速？3试从气流状态变化的性质说明喷管截面变化的规律。你认为用于使液体加速的喷管需要采用缩放形吗？4对于亚声速气流和超声速气流，渐缩形、渐放形、缩放形三种形状管子各可作为喷管还是扩压管？5无论可逆或不可逆的绝热流动，气流速度都可按公式计算，那么不可逆流动的损失又如何说明？ 6渐缩喷管的进口状态及背压一定时，出口截面的流速、流量、焓、温度、比体积及熵的数值，对于可逆和不可逆绝热流动有何不同？7对于缩放形喷管，若进口状态及背压一定时，其喉部截面上的流速、流量、焓、温度、比体积及熵的数值，可逆和不可逆绝热流动有何不同？8渐缩形喷管的进口参数不变时，逐渐降低出口外的背压，试分析出口压力、出口流速及流量的变化情况。9渐缩形喷管和缩放形喷管的最小截面面积相同，且它们进口气流的参数相同，而背压均足够低时，两者最小截面处的压力及流速是否相同?又若给两者的出口部分各切去一段或按原管道的形状加长一段，则两者出口截面的压力及流速、流量将有何变化?