第九章氣體和蒸汽的流動

1、第九章第九章 氣體和蒸汽的流氣體和蒸汽的流動動zgcwwst221工質(zhì)流動所具有的宏觀動能在工程上占有非常重要工質(zhì)流動所具有的宏觀動能在工程上占有非常重要的地位。的地位。如航空噴氣發(fā)動機、火箭發(fā)動機就是利用噴管產(chǎn)生如航空噴氣發(fā)動機、火箭發(fā)動機就是利用噴管產(chǎn)生的強大動能推動飛機和火箭運動的，的強大動能推動飛機和火箭運動的，葉輪式壓氣機中，外界輸入的功先使工質(zhì)的動能提葉輪式壓氣機中，外界輸入的功先使工質(zhì)的動能提高，然后再依靠擴壓管的作用把動能轉(zhuǎn)化成壓力。高，然后再依靠擴壓管的作用把動能轉(zhuǎn)化成壓力。本章研究以速度為主要狀態(tài)參數(shù)的噴管和擴壓管的本章研究以速度為主要狀態(tài)參數(shù)的噴管和擴壓管的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。

2、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1、研究氣體流動基本方程、研究氣體流動基本方程2、 研究氣體在管內(nèi)流動的研究氣體在管內(nèi)流動的基本特性基本特性氣流速度變化氣流速度變化能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)參數(shù)變化狀態(tài)參數(shù)變化的規(guī)律的規(guī)律能量守恒方程能量守恒方程過程方程過程方程質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程3 、 噴管設(shè)計計算噴管設(shè)計計算噴管選型、臨界壓力、噴管選型、臨界壓力、臨界流速、出口流速、臨界流速、出口流速、質(zhì)量流量等質(zhì)量流量等9.1 一維絕熱穩(wěn)定流動的基本方程一維絕熱穩(wěn)定流動的基本方程1 1、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流概念、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流概念2 2、幾個基本方程、幾個基本方程(1) 連續(xù)性方程連續(xù)性方程(2) 絕熱穩(wěn)定流動能量方

3、程絕熱穩(wěn)定流動能量方程 022cddh0vdvkpdpacM (3) 定熵過程方程式定熵過程方程式3、音速與馬赫數(shù)、音速與馬赫數(shù)(1) (1) 音速音速(2) 馬赫數(shù)馬赫數(shù) = const= const kpv常數(shù)22222211chch理想氣體定理想氣體定熵流動：熵流動：9.2 定熵流動的基本特性定熵流動的基本特性1、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系vdpcdc9.3 噴管中流速及流量計算噴管中流速及流量計算 1 1、定熵滯止參數(shù)、定熵滯止參數(shù)2 2、噴管的出口流速、噴管的出口流速 3、臨界壓力比及臨界流速、臨界壓力比及臨界流速4 4、流量與臨界流量、流量與臨界

4、流量5 5、噴管的設(shè)計計算、噴管的設(shè)計計算1 1、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流概念、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流概念穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流( (穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動) )2 2、幾個基本方程、幾個基本方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程絕熱穩(wěn)定流動能量絕熱穩(wěn)定流動能量方程方程定熵過程方程定熵過程方程9.1 一維絕熱流動的基本方程一維絕熱流動的基本方程狀態(tài)不隨時狀態(tài)不隨時間變化間變化恒定的流量恒定的流量(1) 連續(xù)性方程連續(xù)性方程由由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點特點0,00)()(02vdvfdfcdccfvcfdvvcdfvfdcvdvfcfcvdvfcdvfcddm得方程兩邊同除以即：此式表明的物理意義：此式表明的物理意義：連續(xù)性方程：適用于：適用于：任何工質(zhì)

5、的可逆與不可逆的一任何工質(zhì)的可逆與不可逆的一一維穩(wěn)定流動過程。一維穩(wěn)定流動過程。(2) 絕熱穩(wěn)定流動能量方程絕熱穩(wěn)定流動能量方程 swzzgcchhq)(2)(12212212022cddh)(2212122hhcc適用于：適用于：任何任何工質(zhì)工質(zhì)的的可逆可逆和和不可逆絕熱穩(wěn)定流動不可逆絕熱穩(wěn)定流動過程。過程。2221212222ccchhh=常數(shù)表明：表明：工質(zhì)在絕熱不作外功的穩(wěn)定流動中，任一截面上工質(zhì)的工質(zhì)在絕熱不作外功的穩(wěn)定流動中，任一截面上工質(zhì)的焓與其動能之和保持定值，氣體動能的增加等于氣流的焓降。焓與其動能之和保持定值，氣體動能的增加等于氣流的焓降。0vdvkpdp可逆絕熱過程方程式

6、可逆絕熱過程方程式適用條件適用條件: :u理想氣體理想氣體u定比熱定比熱u可逆可逆微分微分變比熱變比熱時時k k取取過程范圍內(nèi)的平均值過程范圍內(nèi)的平均值得：兩邊同除以kkkpvdvpkvdpv01(3) 定熵過程方程式定熵過程方程式音速音速是微弱擾動在連續(xù)介質(zhì)中所產(chǎn)生的壓力波是微弱擾動在連續(xù)介質(zhì)中所產(chǎn)生的壓力波傳播的速度。傳播的速度。在氣體介質(zhì)中，壓力波的傳播過程可作在氣體介質(zhì)中，壓力波的傳播過程可作定熵定熵過程處理過程處理(1)(1) 音速音速0vdvkpdp拉普拉斯音速方程為拉普拉斯音速方程為: :定熵過程定熵過程適用于：適用于：理想氣體定熵流動理想氣體定熵流動只隨只隨絕對溫度絕對溫度而變

7、而變3、 音速與馬赫數(shù)音速與馬赫數(shù)(2) 馬赫數(shù)馬赫數(shù)acM 氣體流速氣體流速當?shù)匾羲佼數(shù)匾羲?定義式定義式M1 超音速超音速M=1 臨界音速臨界音速M0dp0導致dc 0導致噴管中的噴管中的流動特性流動特性擴壓管中擴壓管中的流動特性的流動特性1、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系dhcd229.2 定熵流動的基本特性定熵流動的基本特性小結(jié)小結(jié))(vdpdhq絕熱穩(wěn)定流動絕熱穩(wěn)定流動能量方程：能量方程：可見氣體在管道內(nèi)作定熵流動時：可見氣體在管道內(nèi)作定熵流動時：vdvcdcM2連續(xù)性方程：亞音速流動時：亞音速流動時：超音速流動時：超音速流動時：漸擴噴管漸擴噴管先然后

8、增大到則：則：漸縮漸擴噴管，漸縮漸擴噴管，喉部，臨界截面喉部，臨界截面2 2 1、設(shè)計：根據(jù)已給的流動條件，設(shè)計：根據(jù)已給的流動條件，(初態(tài)和終壓初態(tài)和終壓)。 求求出口流速和流量出口流速和流量并選擇噴管的并選擇噴管的外形尺寸。外形尺寸。噴管的計算噴管的計算 2、校核：根據(jù)噴管的、校核：根據(jù)噴管的外形尺寸外形尺寸， 求工況變求工況變 化時的化時的流量和流速流量和流速。這一節(jié)的主要目的：這一節(jié)的主要目的： 根據(jù)穩(wěn)定流動的基本方程來確定它們的計算公式根據(jù)穩(wěn)定流動的基本方程來確定它們的計算公式及使用條件。及使用條件。9.3 噴管中流速及流量計算噴管中流速及流量計算 1 1、定熵滯止過程及、定熵滯止過

9、程及定熵滯止定熵滯止參數(shù)、參數(shù)、 （1 1）定義：）定義： （2 2）參數(shù)表達式）參數(shù)表達式下角標為下角標為0的是定熵滯止參數(shù)的是定熵滯止參數(shù)下角標為下角標為1的是進口參數(shù)的是進口參數(shù)氣體在定熵流動過程中，因受到某種物體氣體在定熵流動過程中，因受到某種物體的阻礙流速降低為零的過程。的阻礙流速降低為零的過程。2221212222ccchhh=常數(shù)滯止狀態(tài)是工程上常見的一種真實狀態(tài)。例如：當滯止狀態(tài)是工程上常見的一種真實狀態(tài)。例如：當氣體繞流鈍體表面時，在鈍體迎風面上正對氣流的氣體繞流鈍體表面時，在鈍體迎風面上正對氣流的點上，氣流速度將阻滯為零。這點稱為點上，氣流速度將阻滯為零。這點稱為“滯止點滯

10、止點”或或“駐點駐點”。在大氣飛行器的頭部、機翼的迎風面上就屬于這種情況。在大氣飛行器的頭部、機翼的迎風面上就屬于這種情況。特別是特別是當航天飛行器返回大氣時，由于當航天飛行器返回大氣時，由于Ma數(shù)很高，其數(shù)很高，其迎風面上將承受很高的溫度，能達到數(shù)千乃至上萬攝迎風面上將承受很高的溫度，能達到數(shù)千乃至上萬攝氏度的高溫。所以要使航天飛行器成功返回地面，必氏度的高溫。所以要使航天飛行器成功返回地面，必須進行熱防護。須進行熱防護。不必不必作精確計算時，作精確計算時，2 2、噴管的出口流速、噴管的出口流速 )(202121hhcc 時當2121202)(2)(2chhhhc 適用穩(wěn)流，絕熱、一切工質(zhì)、

11、可逆與不可逆過程。適用穩(wěn)流，絕熱、一切工質(zhì)、可逆與不可逆過程。理想氣體理想氣體 水蒸汽：查水蒸汽：查h-sh-s圖確定圖確定12,h h21272.44hhc3、臨界壓力比及臨界流速、臨界壓力比及臨界流速 cccvkpa 理想氣體的定熵流動，在亞音速到超音速的轉(zhuǎn)變過程理想氣體的定熵流動，在亞音速到超音速的轉(zhuǎn)變過程中，在漸縮漸擴噴管的喉部中，在漸縮漸擴噴管的喉部M=1,喉部壓力為臨界壓力喉部壓力為臨界壓力pc,kkccppvpkkc1111112漸縮漸擴噴管的喉部壓力為臨界壓力，漸縮漸擴噴管的喉部壓力為臨界壓力，故其故其臨界流速臨界流速為為：（9-16）3、臨界壓力比及臨界流速、臨界壓力比及臨界

12、流速 cccaM1cccvkpa kkccppvpkkc11111123、臨界壓力比及臨界流速、臨界壓力比及臨界流速 亦可：亦可：3、臨界壓力比及臨界流速、臨界壓力比及臨界流速（適用于理想氣體（適用于理想氣體定熵流動）定熵流動）對于定比熱容理想氣體的定熵過程：對于定比熱容理想氣體的定熵過程：kkppTT112123、臨界壓力比及臨界流速、臨界壓力比及臨界流速故在臨界截面處：故在臨界截面處：1111111212TkkTppTTkkkkkkcc4 4、流量與臨界流量、流量與臨界流量kkvpvp2211一般通過計算一般通過計算最小截面最小截面或或出口截面出口截面的質(zhì)量流量的質(zhì)量流量由由連續(xù)性方程連續(xù)

13、性方程知，各個截面的質(zhì)量流量相等知，各個截面的質(zhì)量流量相等（1）漸縮噴管的質(zhì)量流量計算）漸縮噴管的質(zhì)量流量計算12 c2注意注意 的取值的取值2pcbpp bpp 2cbpp cpp 2背壓背壓：噴管出口處的環(huán)境壓力。：噴管出口處的環(huán)境壓力。12氣流在噴管內(nèi)可氣流在噴管內(nèi)可以充分膨脹。以充分膨脹。Pc到到pb的過程在噴管外進行。的過程在噴管外進行。，和，和背壓背壓有關(guān)。有關(guān)。（2）漸縮漸擴噴管的流量計算）漸縮漸擴噴管的流量計算)/()12(1211122maxskgvpkkkfmk11)12(kkckpp正常工作時正常工作時5 5、噴管的設(shè)計計算、噴管的設(shè)計計算,cbpp ,cbpp 已知設(shè)計

14、計算：mbpp 2出發(fā)點：出發(fā)點：噴管形式選擇噴管形式選擇漸縮噴管漸縮噴管漸縮漸擴噴管漸縮漸擴噴管噴管尺寸計算噴管尺寸計算222cvmf漸縮漸擴噴管的最小截面積（喉部）為漸縮漸擴噴管的最小截面積（喉部）為cccvmfmin根據(jù)經(jīng)驗，漸擴段長度根據(jù)經(jīng)驗，漸擴段長度l為為:)(tan2min2mddl擴部分的頂錐角圓臺形漸縮漸擴噴管漸6、 9.4 擴壓管擴壓管定熵流動的定熵流動的基本關(guān)系式基本關(guān)系式和和管道截面變化規(guī)律管道截面變化規(guī)律的的關(guān)系式相同關(guān)系式相同擴壓管是在已知擴壓管是在已知進口參進口參數(shù)數(shù)進口速度進口速度和和出口速度出口速度的情況下計算的情況下計算出口壓力出口壓力擴壓管與噴管的擴壓管與

15、噴管的區(qū)別區(qū)別與與聯(lián)系聯(lián)系注注:動能損失得越多壓力增加得越多動能損失得越多壓力增加得越多擴壓管的擴壓比概念擴壓管的擴壓比概念定義式定義式12pp22222211cTccTcpp122211221TcccTTp11222111212)21 ()(kkpkkTcccTTpp進口壓力出口壓力由能量由能量方程得方程得則定熵過程則定熵過程 9.5 具有摩擦的流動具有摩擦的流動 22cc定義式定義式實際出口速度實際出口速度定熵過程出口速度定熵過程出口速度大致在大致在0.940.94至至0.980.98之間之間速度系數(shù)速度系數(shù)噴管效率噴管效率消耗一部分動能消耗一部分動能一般在一般在0.9至至0.95之間之間

16、噴管和擴壓管的應(yīng)用：噴管和擴壓管的應(yīng)用：蒸氣引射器（p176頁圖9-9）。 引射式壓縮器是以較少的高壓蒸汽，引射低壓蒸汽，引射式壓縮器是以較少的高壓蒸汽，引射低壓蒸汽，混合而得較多的中壓蒸汽以供應(yīng)用。其有點是機構(gòu)簡單，混合而得較多的中壓蒸汽以供應(yīng)用。其有點是機構(gòu)簡單，沒有運動部件，雖然其效率不佳，但仍有實用價值，在沒有運動部件，雖然其效率不佳，但仍有實用價值，在制冷裝置、凝汽器的抽氣設(shè)備、小型鍋爐中的給水設(shè)備制冷裝置、凝汽器的抽氣設(shè)備、小型鍋爐中的給水設(shè)備等中均有應(yīng)用。等中均有應(yīng)用。 圖圖9-9所示為一引射式壓縮器的結(jié)構(gòu)簡圖。壓力為所示為一引射式壓縮器的結(jié)構(gòu)簡圖。壓力為p1的高壓蒸汽經(jīng)過噴管流

17、入，在噴管中膨脹加速，動能的高壓蒸汽經(jīng)過噴管流入，在噴管中膨脹加速，動能增加，壓力降低。在噴管出口，當壓力降低到被引射流增加，壓力降低。在噴管出口，當壓力降低到被引射流體壓力體壓力p2之下時，將被引射流體引入混合室進行混合，之下時，將被引射流體引入混合室進行混合，以某一平均流速流向擴壓管，降速而增壓至以某一平均流速流向擴壓管，降速而增壓至p3流出。流出。u定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面，定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面， 而又而又未及與外界進行熱量交換的過程未及與外界進行熱量交換的過程u特點：絕熱節(jié)流過程特點：絕熱節(jié)流過程前后前后的焓相等，但的焓相等，但整個整個過程過程絕不是等焓過程

18、。絕不是等焓過程。 流體在通過縮孔時流體在通過縮孔時動能動能增加增加，壓力壓力下降下降并產(chǎn)生強并產(chǎn)生強烈烈擾動和摩擦。擾動和摩擦。擾動和摩擦的擾動和摩擦的不可逆性不可逆性，導致整個，導致整個過程的不可逆性。過程的不可逆性。在縮孔附近，流速 ，焓u不可逆性：不可逆性： 9.6 絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流u絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化(1) 對理想氣體對理想氣體溫度溫度不變不變壓力壓力下降下降比容比容增加增加熵熵增加增加焓焓不變不變注注:理想氣體的理想氣體的焓焓是是溫度溫度的的單值函數(shù)單值函數(shù)(2) 對實際氣體對實際氣體節(jié)流前后節(jié)流前后焓焓不變不變,溫度溫度不一定不變不一定不變絕熱節(jié)流溫度效應(yīng)絕熱節(jié)流溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)與流體的種類，節(jié)流前所處的狀態(tài)及節(jié)流前后溫度效應(yīng)與流體的種類，節(jié)流前所處的狀態(tài)及節(jié)流前后壓力降低的大小有關(guān)。絕熱節(jié)流溫度效應(yīng)可用絕熱節(jié)流系數(shù)壓力降低的大小有關(guān)。絕熱節(jié)流溫度效應(yīng)可用絕熱節(jié)流系數(shù)熱熱效應(yīng)效應(yīng)零零效應(yīng)效應(yīng)冷冷效應(yīng)效應(yīng)溫度溫度降低降低溫度溫度不變不變溫度溫度升高升高j表示。hjpT)(定