工程热力学课件：第8章 气体和蒸汽的流动

1第八章气体和蒸汽的流动 2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、扩压管及节流阀内流动过程的能量转换情况。蒸汽轮机燃气轮机火箭尾喷管喷管高速高压气体产生高速流动 §8–1稳定流动的基本方程式稳定一维可逆绝热 4二.稳定流动基本方程1.质量守恒方程（连续性方程）1122p1T1qm1cf1p2T2qm2cf2＊ 52.过程方程注意，若水蒸气，则＊ 3.稳定流动能量方程＊ 4.声速方程等熵过程中所以？声速是微弱扰动在连续介质中所产生的压力波传播的速度拉普拉斯声速方程＊ 注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速(所考虑的流道某一截面上的声速)如空气，2）水蒸气当地音速 93）马赫数subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity基本方程组 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。 11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（下角标0）。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。 12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：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，必须考虑气体滞止温度的影响。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。 14§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压差流速变化比容变化截面积可逆损失小 15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 17几何条件讨论：＊1）cf与A的关系还与Ma有关，对于喷管采用渐缩喷管 18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[也称喉部(throat)截面]，临界截面上速度达当地音速称临界压力，临界温度 及临界比体积＊ 20＊2）当促使流速改变的压力条件得满足的前提下：a）收缩喷管出口截面上流速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—拉法尔喷管。 21＊3）背压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，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。当气流由超音速降为亚音速时，采用渐缩渐扩（缩放）扩压管 22＊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。 23§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。2.状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。＊ 24分析：＊ 25但cf，max不可能达到 从1下降到0的过程中某点该点即为临界点，此点上压力pcr与p0之比称临界压力比，用νcr表示 27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＊＊ 283）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？ 29＊3.背压pb对流速的影响a）收缩喷管：b）缩放喷管： 30二.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＊ 312.状态参数对流量的影响（该页有几处错误） 32分析：a） pb降低，且pb>pcr,p2=pbpb=pcr,p2=pb＊渐缩喷管pb=pcr亚声速渐缩喷管pbpcr时p2=pb当pb<=pcr时p2=pcr对于缩放喷管,确定p2：当pbpcr时,p2=pb，完全膨胀，qm2p2(设计出口压力)时：喷管工作受到阻碍。气流可膨胀到p2(比pb低），称为膨胀过度。冲击波亚声速扩压管方式升压至pb §8–5有摩擦的绝热流动考虑摩擦不可逆摩擦产生的热能被气流吸收与不考虑摩擦时比较:cf2h2ssf=0(绝热)sg>0（不可逆）熵变>0 52一.摩阻对流速的影响定义：喷管速度系数一般在0.92~0.98 53二.摩阻对能量的影响定义：能量损失系数且注意：？ 54§8–6绝热节流一.绝热节流定义：由于局部阻力，使流体压力降低的现象节流现象特点：1) p2s1,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多孔塞 56二.水蒸气节流过程(h-s图)1）节流后温度稍有下降2）但少作功作功能力损失？ 57三.节流后的温度变化1.焦耳—汤姆逊系数据令焦耳—汤姆逊系数（也称节流微分效应） 58冷效应热效应零效应 59回转温度—节流后温度不变的状态的温度2.焦耳—汤姆逊试验（绝热节流系数的测定及相关概念）步骤等焓线回转曲线致热效应区致冷效应区最大回转温度最小回转温度最大转变压力 60节流的积分效应压力变化为Δp时温度的变化节流的微分效应：压力变化为无限小dp时温度的变化