工程熱力學(xué)講義第9章[1]doc

1、工程熱力學(xué)課堂教學(xué)第9章 氣體和蒸汽的流動基本要求：1深入理解噴管和擴(kuò)壓管流動中的基本關(guān)系式和滯止參數(shù)的物理意義，熟練運(yùn)用熱力學(xué)理論分析亞音速、超音速和臨界流動的特點(diǎn)。2對于工質(zhì)無論是理想氣體或蒸汽，都要熟練掌握漸縮、漸縮漸擴(kuò)噴管的選型和出口參數(shù)、流量等的計(jì)算。理解擴(kuò)壓管的流動特點(diǎn)，會進(jìn)行熱力參數(shù)的計(jì)算。 3能應(yīng)用有摩擦流動計(jì)算公式，進(jìn)行噴管的熱力計(jì)算。4熟練掌握絕熱節(jié)流的特性，參數(shù)的變化規(guī)律?；局R點(diǎn)：91 絕熱流動的基本方程一、 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流 工質(zhì)以恒定的流量連續(xù)不斷地進(jìn)出系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部及界面上各點(diǎn)工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和宏觀運(yùn)動參數(shù)都保持一定，不隨時間變化。二、連續(xù)性方程由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點(diǎn)， cons

2、t 而 得： 該式適用于任何工質(zhì)可逆與不可逆過程三、絕熱穩(wěn)定流動能量方程 對絕熱、不作功、忽略位能的穩(wěn)定流動過程 得： 說明：增速以降低本身儲能為代價。四、定熵過程方程 由可逆絕熱過程方程 =const得： 五、音速與馬赫數(shù)音速：微小擾動在流體中的傳播速度。定義式： 注意：壓力波的傳播過程作定熵過程處理。特別的， 對理想氣體： 只隨絕對溫度而變 馬赫數(shù)（無因次量）：流速與當(dāng)?shù)匾羲俚谋戎?M1，超音速 M=1 臨界音速M(fèi)0)，必導(dǎo)致氣體的壓力下降(dp0)。2。氣體速度下降(dc0)。二、管道截面變化的規(guī)律聯(lián)立、連續(xù)性方程、可逆絕熱過程方程得到：分析：對噴管：當(dāng)M0，則噴管截面縮小df1的超音速

3、氣流時， 必須df0稱漸擴(kuò)噴管。若：將M1，則噴管截面積由df0，稱為漸縮漸擴(kuò)噴管，稱拉伐爾(Laval)噴管。稱M=1而df=0為喉部，此處的截面稱臨界截面。對擴(kuò)壓管反之。93 噴管中流速及流量計(jì)算一、 定熵滯止參數(shù)將具有一定速度的氣流在定熵條件下擴(kuò)壓，使其流速/降低為零。由 應(yīng)用等熵過程參數(shù)間的關(guān)系式得： 得 二、噴管的出口流速 對理想氣體：對實(shí)際氣體：三、臨界壓力比及臨界流速特別的對雙原子氣體：四、流量與臨界流量 kg/s五、噴管的計(jì)算1 噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算 出發(fā)點(diǎn)：當(dāng)流體流過噴管 ，已知、f1) 當(dāng) 即 采用漸縮噴管。 2）當(dāng) 即 采用縮擴(kuò)噴管。2 漸縮噴管的校和計(jì)算當(dāng)流體流過漸縮噴管 ，

4、已知、f1) 當(dāng) 即 2）當(dāng) 即 噴管的最大流量 kg/s水蒸汽流速、流量的計(jì)算：例題精要例1：壓力為30bar，溫度為450的蒸汽經(jīng)節(jié)流降為5bar，然后定熵膨脹至0.1bar，求絕熱節(jié)流后蒸汽溫度變?yōu)槎嗌俣?？熵變了多少？由于?jié)流，技術(shù)功損失了多少？解：由初壓p1=30bar，t1=450在水蒸氣的h-s圖（圖9.1）上定出點(diǎn)1，查得h1=3350kJ/kgs1=7.1kJ/(kgK)因絕熱節(jié)流前、后焓相等，故由h1=h2及p2可求節(jié)流后的蒸汽狀態(tài)點(diǎn)2，查得t2=440； s2=7.49kJ/(kgK)因此，節(jié)流前后熵變量為s=s2-s1=7.947.1=0.84kJ/(kgK)s0，可見絕

5、熱節(jié)流過程是個不可逆過程。若節(jié)流流汽定熵膨脹至0.1bar，由=2250kJ/kg，可作技術(shù)功為若節(jié)流后的蒸汽定熵膨脹至相同壓力0.1bar，由圖查得=2512kJ/kg，可作技術(shù)功為絕熱節(jié)流技術(shù)功變化量為結(jié)果表明，由于節(jié)流損失了技術(shù)功。94 擴(kuò) 壓 管已知：進(jìn)口參數(shù)、進(jìn)口速度、出口速度，求出口壓力得： 例2 空氣流經(jīng)一斷面為0.1m2的等截面管道，且在點(diǎn)1處測得c1=100m/s、p1=1.5bar、t1=100；在點(diǎn)2測得p2=1.4bar。若流動是無摩擦的，求：（1）質(zhì)量流量；（2）點(diǎn)2處的流速c2和溫度T2；（3）點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的傳熱量。若流動是有摩擦的，計(jì)算：（1）質(zhì)量流量；（2）點(diǎn)

6、2處的流速c2和溫度t2；（3）管壁的摩擦阻力。解 對于無摩擦的絕熱流動：（1）空氣的質(zhì)量流量可由連續(xù)性方程和氣體特性方程求得： kg/s(2)點(diǎn)2處的流速可由動量守恒并在無摩擦的情況下求得：m/s(3)點(diǎn)1和點(diǎn)2的熱量變化可由能量方程求得：在流動過程中W12=0 =3290 kJ對于有摩擦的絕熱流動：（1）質(zhì)量流量同前，即m=14.012kg/s（2）點(diǎn)2處的流速和溫度可由能量方程和狀態(tài)方程求得因?yàn)槭墙^熱流動，所以Q12=0，120代入上式得：m/s K(3)管壁摩擦阻力由動量方程得：因f1=f2，故95具有摩擦的流動定義速度系數(shù)：噴管效率： 得到：例3：已知?dú)怏w燃燒產(chǎn)物的cp=1.089k

7、J/kgK和k=1.36，并以流量m=45kg/s流經(jīng)一噴管，進(jìn)口p1=1bar、T1=1100K、c1=1800m/s。噴管出口氣體的壓力p2=0.343bar，噴管的流量系數(shù)cd=0.96；噴管效率為h=0.88。求合適的喉部截面積、噴管出口的截面積和出口溫度。解：參看圖9.2所示。已知：cd=0.96，h=0.88，k=1.36假定氣體為理想氣體，則：應(yīng)用等熵過程參數(shù)間的關(guān)系式得：噴管出口狀態(tài)參數(shù)也可根據(jù)等熵過程參數(shù)之間的關(guān)系求得：即： 即噴管出口截面處氣體的溫度為828.67K。因?yàn)閲姽苄蔴=0.88 所以 噴管出口處氣體的溫度 =861K噴管出口處氣體的密度： 由R=287J/kg

8、Kkg/m由質(zhì)量流量 出口截面積：m2喉部截面處的溫度（候部的參數(shù)為臨界參數(shù)）： bar喉部截面處的密度： = 0.2077 kg/m2喉部截面處的流速： =608.8 m/s流量系數(shù) cc=0.96求得噴管喉部截面 m296 絕熱節(jié)流定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面，而又未及與外界進(jìn)行熱量交換的過程。特點(diǎn)：絕熱節(jié)流過程的焓相等，但絕不是等焓過程。因?yàn)樵诳s孔附近，由于流速增加，焓是下降的，流體在通過縮孔時動能增加，壓力下降并產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動和摩擦。擾動和摩擦的不可逆性，使節(jié)流后的壓力卻不能回復(fù)到與節(jié)流前絕熱節(jié)流前后狀態(tài)參數(shù)的變化：對理想氣體： 、例4 壓力p1=15bar、溫度t1=250、質(zhì)

9、量流量m1=1.5 kg/s的水蒸氣經(jīng)閥門被節(jié)流到p1=7bar。然后與m2=3.6kg/s,p2=7bar、x2=0.97的濕蒸汽混合。試確定：（1）水蒸氣混合物的狀態(tài)；（2）若節(jié)流前水蒸氣的流速c1=18m/s，輸送該蒸汽的管路內(nèi)徑為多少？解（1）水蒸氣混合物的狀態(tài)據(jù)p1=15bar、t1=250,查h-s圖可知蒸汽為過熱狀態(tài)，且h1=2928kJ/kg，v1=0.15m3/kg。按絕熱節(jié)流過程基本特性，節(jié)流前的焓和節(jié)流后的焓相等，即kJ/kg混合前過熱蒸汽的總焓kJ據(jù)p2=7bar、x2=0.97，查h-s圖得kJ/kg混合前濕蒸汽的總焓kJ蒸汽混合物的質(zhì)量kg蒸汽混合物的總焓kJ蒸汽混

10、合物的比焓kJ/kg據(jù)蒸汽混合物的狀態(tài)參數(shù)p=7bar、h=2772.7kJ/kg，查h-s圖可得蒸汽混合物處于干飽和蒸汽狀態(tài)。（2）管路內(nèi)徑據(jù)連續(xù)性方程得m=12.6cm重點(diǎn)、難點(diǎn)1噴管和擴(kuò)壓管截面變化與速度、壓力變化的關(guān)系。2噴管的選型與臨界截面的關(guān)系。3有摩擦流動時，噴管的流動特點(diǎn)及熱力參數(shù)的計(jì)算。 思考題1對提高氣流速起主要作用的是噴管的形狀，還是氣體本身的狀態(tài)變化？2為什么漸擴(kuò)形管道在一定條件下能使氣流加速？對液體能否？3為什么氣體在漸縮噴管只能膨脹到臨界狀態(tài)？4噴管的臨界狀態(tài)有哪些特性？什么是最大流量？如何確定？什么是臨界壓力比？它和什么因素有關(guān)？有何用處？5一個縮放噴管，原來在設(shè)計(jì)工況下工作。如其他情況不變，只把初壓p1提高，流動情況將有什么變化？漸縮噴管呢？6噴管出口截面積、噴管最大流量是由哪些因素決定的？7若可壓縮流體流經(jīng)無摩擦噴管對外散熱，試向下式是否成立8請說明下列說法是否正確：（1）流體流動速度愈快，則弱擾動在該流體中的傳播速度也愈快？（2）氣體在變截面管內(nèi)定熵流動，氣流的最小截面即為臨界截面。9當(dāng)M=