第3章 氣體的流動(dòng)過程

1、第第3章章氣體的流動(dòng)過程氣體的流動(dòng)過程（thermodynamics of one-dimensional steady flow of Gas） 2022-4-212 流體在管道中流動(dòng)時(shí)與外界的熱交換往往可以忽略，流體在管道中流動(dòng)時(shí)與外界的熱交換往往可以忽略，也不對(duì)外輸出軸功，而且常可視為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流裝置。以下也不對(duì)外輸出軸功，而且?？梢暈榉€(wěn)態(tài)穩(wěn)流裝置。以下本章將主要討論定比熱容理想氣體在管道中作絕熱穩(wěn)態(tài)本章將主要討論定比熱容理想氣體在管道中作絕熱穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流時(shí)的熱力學(xué)狀態(tài)變化與宏觀流動(dòng)狀況（流速、流量）穩(wěn)流時(shí)的熱力學(xué)狀態(tài)變化與宏觀流動(dòng)狀況（流速、流量）變化之間的關(guān)系變化之間的關(guān)系 3.1 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流

2、的基本方程穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的基本方程 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流時(shí)，任何一段管道內(nèi)流進(jìn)和流出的流體流量穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流時(shí)，任何一段管道內(nèi)流進(jìn)和流出的流體流量相等相等 管道中的一維穩(wěn)定流動(dòng)管道中的一維穩(wěn)定流動(dòng)A1A2c1c212121m 2m 21mm vAcm 由于由于 222111vcAvcA2022-4-213222111vcAvcA式中式中 A管道的截面積管道的截面積 c 流體在當(dāng)?shù)氐牧魉倭黧w在當(dāng)?shù)氐牧魉賤 當(dāng)?shù)氐牧黧w比體積當(dāng)?shù)氐牧黧w比體積 考慮到穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的特性，對(duì)管道的任一截面考慮到穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的特性，對(duì)管道的任一截面 常數(shù)ivcAiiccvvAAddd連續(xù)性方程連續(xù)性方程2022-4-214能量方程

3、能量方程 根據(jù)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的能量方程根據(jù)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的能量方程shaft12212212)()(21)(wzzgcchhq對(duì)于絕熱、不作軸功、忽略重力位能的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流情況對(duì)于絕熱、不作軸功、忽略重力位能的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流情況221ch2222112121chch常數(shù)2ii21ch可見相對(duì)管道中的任意兩個(gè)截面，若氣流的焓可見相對(duì)管道中的任意兩個(gè)截面，若氣流的焓 h，則，則流速流速c；反之，若氣流的焓；反之，若氣流的焓h，則流速，則流速c 2022-4-2152021chh滯止焓滯止焓 滯止焓的物理意義為：滯止焓的物理意義為：在絕熱流動(dòng)的情況下，流體因阻滯作用而在絕熱流動(dòng)的情況下，流體因阻滯作用而達(dá)到流速為零時(shí)所應(yīng)

4、具有的焓參數(shù)最大值達(dá)到流速為零時(shí)所應(yīng)具有的焓參數(shù)最大值 在流道中測(cè)定氣流溫度時(shí)滯止效應(yīng)令所得的結(jié)果偏高在流道中測(cè)定氣流溫度時(shí)滯止效應(yīng)令所得的結(jié)果偏高 令令 滯止?fàn)顟B(tài)的參數(shù)以下標(biāo)滯止?fàn)顟B(tài)的參數(shù)以下標(biāo)“0”表示表示 求解流動(dòng)問題通常已知進(jìn)口氣流狀態(tài)求解流動(dòng)問題通常已知進(jìn)口氣流狀態(tài)(h1,P1,v1,T1,c1)由由211021chhh h0 0T T0 0kkPPTT11010)(P P0 0v0 0滯止?fàn)顟B(tài)完全由進(jìn)口氣流初態(tài)確定滯止?fàn)顟B(tài)完全由進(jìn)口氣流初態(tài)確定解得解得解得解得2022-4-216過程方程過程方程 對(duì)于狀態(tài)連續(xù)變化的定比熱容理想氣體可逆絕熱流動(dòng)對(duì)于狀態(tài)連續(xù)變化的定比熱容理想氣體可逆絕

5、熱流動(dòng)過程過程 PPkvvd1d常數(shù)kPv 水蒸氣水蒸氣也借用該式作近似計(jì)算也借用該式作近似計(jì)算 但但k不再具有熱容比不再具有熱容比(cp / cv)的含義，為的含義，為經(jīng)驗(yàn)值經(jīng)驗(yàn)值： 過熱水蒸氣過熱水蒸氣 k = 1.3 干飽和水蒸氣干飽和水蒸氣 k = 1.135 干度為干度為x的濕蒸汽的濕蒸汽 k = 1.035 + 0.1x 2022-4-217過程方程過程方程 PPkvvd1d過熱水蒸氣過熱水蒸氣 k = 1.3 干飽和水蒸氣干飽和水蒸氣 k = 1.135 干度為干度為x的濕蒸汽的濕蒸汽 k = 1.035 + 0.1x ccvvAAddd連續(xù)性方程連續(xù)性方程能量方程能量方程 常數(shù)

6、2ii021chh小結(jié)小結(jié)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、絕熱、不作軸功、不計(jì)重力位能的管道流動(dòng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流、絕熱、不作軸功、不計(jì)重力位能的管道流動(dòng)水蒸氣的經(jīng)驗(yàn)值水蒸氣的經(jīng)驗(yàn)值； )(12112kPPvv 滯止滯止絕熱流動(dòng)時(shí)因阻滯作用而達(dá)到流速為零的狀態(tài)絕熱流動(dòng)時(shí)因阻滯作用而達(dá)到流速為零的狀態(tài)(P0、T0、v0 、c0 =0) 2022-4-2183.2 音速和馬赫數(shù)音速和馬赫數(shù) 音速音速 通常所說的音速指聲波在空氣中的傳播速度通常所說的音速指聲波在空氣中的傳播速度 音速不是固定的，與傳播介質(zhì)的音速不是固定的，與傳播介質(zhì)的物性物性、熱力狀態(tài)熱力狀態(tài)有關(guān)有關(guān)對(duì)理想氣體音速只與溫度有關(guān)對(duì)理想氣體音速只與溫度有關(guān)kPvTkR

7、ag對(duì)實(shí)際氣體音速對(duì)實(shí)際氣體音速a不僅與溫度不僅與溫度T有關(guān)，還與氣體的壓力有關(guān)，還與氣體的壓力P或比體積或比體積v有關(guān)有關(guān) 也借用上式計(jì)算也借用上式計(jì)算水蒸氣水蒸氣中的音速中的音速 ，其中的，其中的k值按前述值按前述經(jīng)驗(yàn)值經(jīng)驗(yàn)值選取選取 流道中氣體熱力學(xué)狀態(tài)不斷變化，沿程不同截面上音流道中氣體熱力學(xué)狀態(tài)不斷變化，沿程不同截面上音速各不相同，對(duì)特定截面一般都強(qiáng)調(diào)為速各不相同，對(duì)特定截面一般都強(qiáng)調(diào)為“當(dāng)?shù)匾羲佼?dāng)?shù)匾羲佟?2022-4-219馬赫數(shù)馬赫數(shù)馬赫數(shù)馬赫數(shù)(M) 流道中某一截面上的氣體流速與當(dāng)?shù)匾羲僦攘鞯乐心骋唤孛嫔系臍怏w流速與當(dāng)?shù)匾羲僦葋喴羲賮喴羲贇怏w的流速小于當(dāng)?shù)匾羲贇怏w的流速小

8、于當(dāng)?shù)匾羲?，M 1 2022-4-2110流速改變與壓力變化的關(guān)系流速改變與壓力變化的關(guān)系 對(duì)于流體可逆流動(dòng)，過程的技術(shù)功可表達(dá)為對(duì)于流體可逆流動(dòng)，過程的技術(shù)功可表達(dá)為shaft2ddd21ddwzgcPvwt3.3 促使流速改變的條件促使流速改變的條件 工程上常有將氣流加速或加壓的要求。例如：工程上常有將氣流加速或加壓的要求。例如： 利用利用噴管噴管將蒸汽流加速，沖動(dòng)汽輪機(jī)的葉輪作功；將蒸汽流加速，沖動(dòng)汽輪機(jī)的葉輪作功； 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)則利用噴管將氣流加速后噴出，產(chǎn)生巨噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)則利用噴管將氣流加速后噴出，產(chǎn)生巨大的反作用力來推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)大的反作用力來推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng) 通過通過擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管利用氣

9、流的宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能將氣流加壓利用氣流的宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能將氣流加壓 氣流的這種加速或擴(kuò)壓過程可以僅利用氣流的熱力學(xué)氣流的這種加速或擴(kuò)壓過程可以僅利用氣流的熱力學(xué)狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)，無(wú)需借助其它機(jī)械設(shè)備狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)，無(wú)需借助其它機(jī)械設(shè)備 2022-4-2111 管道中流動(dòng)氣流不作軸功，忽略重力位能變化管道中流動(dòng)氣流不作軸功，忽略重力位能變化shaft2ddd21dwzgcPv2d21dcPvPvccddPcvccdd2PkPckPvccdd2kPkPcckMPPdd2 管道流動(dòng)問題中流速管道流動(dòng)問題中流速c 應(yīng)為正值，而應(yīng)為正值，而k、M2也是正值也是正值式中式中dc與與dP反號(hào)反號(hào)氣

10、體的流速變化與其壓力的變化方向相反氣體的流速變化與其壓力的變化方向相反氣流加速氣流加速c00kPva 2壓力壓力P反之亦然反之亦然PPkMPPkcad1d2222022-4-2112噴管噴管噴管和擴(kuò)壓管噴管和擴(kuò)壓管氣流通過后能令氣流氣流通過后能令氣流P，c的管道的管道擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管氣流通過后能令氣流氣流通過后能令氣流P ，c 的管道的管道流速改變與流道截面積變化的關(guān)系流速改變與流道截面積變化的關(guān)系 氣流速度與壓力的反方向變化需通過管道截面積有規(guī)氣流速度與壓力的反方向變化需通過管道截面積有規(guī)律地變化來促成律地變化來促成 根據(jù)氣體流動(dòng)的連續(xù)性方程及絕熱過程方程根據(jù)氣體流動(dòng)的連續(xù)性方程及絕熱過程方程

11、ccvvAAdddPPkvvd1dccPPkAAdd1d2022-4-2113ccPPkAAdd1dcckMPPdd2ccMccccMAAd) 1(ddd22對(duì)于亞音速流（對(duì)于亞音速流（M1） 氣體的流速將與管道的截面積作相反方向變化氣體的流速將與管道的截面積作相反方向變化 噴管噴管漸縮狀漸縮狀擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管漸擴(kuò)狀漸擴(kuò)狀 0噴管噴管(P,c)亞音速流亞音速流（M1） 擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管(P,c)亞音速流亞音速流（M1）ccMccccMAAd) 1(ddd220氣體的流速將與管道的截面積作同方向變化氣體的流速將與管道的截面積作同方向變化 噴管噴管漸擴(kuò)狀漸擴(kuò)狀擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管漸縮狀漸縮狀 顯然，顯然，漸縮噴管

12、最多只能將氣流加速至音速漸縮噴管最多只能將氣流加速至音速 要將亞音速氣流加速至超音速要將亞音速氣流加速至超音速噴管噴管(P,c)超音速流超音速流（M1） 擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管(P,c)超音速流超音速流（M1） 噴管截面積應(yīng)噴管截面積應(yīng)先收縮，后擴(kuò)大先收縮，后擴(kuò)大縮放噴管，亦稱拉伐爾噴管縮放噴管，亦稱拉伐爾噴管拉伐爾噴管拉伐爾噴管2022-4-2115氣流在縮放噴管的喉部處達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贇饬髟诳s放噴管的喉部處達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?拉伐爾噴管拉伐爾噴管c=a3.4 噴管噴管(nozzle)計(jì)算計(jì)算 通常依據(jù)噴管進(jìn)口處的工質(zhì)參數(shù)通常依據(jù)噴管進(jìn)口處的工質(zhì)參數(shù)(P1、t1)和背壓和背壓(P2),并并在給定流率的條件下進(jìn)行

13、噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算在給定流率的條件下進(jìn)行噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算的目的在于確定噴管的形狀和尺寸的目的在于確定噴管的形狀和尺寸 校核計(jì)算校核計(jì)算的目的則在于預(yù)測(cè)各種條件下的噴管工作情的目的則在于預(yù)測(cè)各種條件下的噴管工作情況，即確定不同情況下噴管的流量和出口流速?zèng)r，即確定不同情況下噴管的流量和出口流速 流速計(jì)算流速計(jì)算 2022-4-2116噴管出口速度噴管出口速度 對(duì)噴管，由能量方程對(duì)噴管，由能量方程22221102121chchh2121202)(2)(2chhhhc一般噴管進(jìn)口處的氣流速度遠(yuǎn)小于出口速度一般噴管進(jìn)口處的氣流速度遠(yuǎn)小于出口速度(c1 c2)21212414. 1)(2hhh

14、hc(h0 h2)絕熱焓降絕熱焓降，亦稱，亦稱可用焓差可用焓差（任何工質(zhì)，不論可逆與否）（任何工質(zhì)，不論可逆與否） 對(duì)于定比熱容理想氣體對(duì)于定比熱容理想氣體 gp1RkkcTchPh0、h1、h2分別取決于噴管進(jìn)、出口處氣流的熱力狀態(tài)分別取決于噴管進(jìn)、出口處氣流的熱力狀態(tài)2022-4-2117初、終狀態(tài)與流速的關(guān)系初、終狀態(tài)與流速的關(guān)系 對(duì)于對(duì)于定比熱容理想氣體定比熱容理想氣體)(2202hhc)(220PTTc)(1220gTTRkk)1 (12020gTTTRkk)(1 121020gkkPPTRkk、可逆絕熱可逆絕熱流動(dòng)過程流動(dòng)過程 或或)(1 12102002kkPPvPkkc出口流速

15、出口流速c2取決于氣流的初態(tài)及其在噴管取決于氣流的初態(tài)及其在噴管出口截面上的壓力出口截面上的壓力P2與滯止壓力與滯止壓力P0之比之比當(dāng)初態(tài)一定時(shí)，當(dāng)初態(tài)一定時(shí)，c c2則僅取決于則僅取決于(P2/P0) 式中式中T0、P0、v0為滯止參數(shù)，取決于氣流的初態(tài)為滯止參數(shù)，取決于氣流的初態(tài)2022-4-2118 c2隨隨(P2/P0)的變化關(guān)系如圖示的變化關(guān)系如圖示 c1較小較小時(shí)可用噴管進(jìn)口壓力時(shí)可用噴管進(jìn)口壓力P1代替代替P0(P2/P0)=1時(shí)，時(shí)，c2=0(P2/P0)從從1逐漸減小時(shí)，逐漸減小時(shí)，c2增大增大氣體不會(huì)流動(dòng)氣體不會(huì)流動(dòng)初期增加較快，以后則逐漸減緩初期增加較快，以后則逐漸減緩

16、理論上理論上當(dāng)當(dāng) P2=0時(shí)，時(shí)，c2將達(dá)到將達(dá)到 c2,max0g00max, 21212TRkkvPkkc 實(shí)際上，實(shí)際上，P20時(shí)，比體積時(shí)，比體積v2， 除非噴管出口截面無(wú)窮大，否則此流速除非噴管出口截面無(wú)窮大，否則此流速不可能達(dá)到不可能達(dá)到 c2隨隨(P2/P0)的變化關(guān)系的變化關(guān)系2022-4-2119臨界流速和臨界壓力比臨界流速和臨界壓力比 氣流流過縮放噴管在喉部截面處達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贇饬髁鬟^縮放噴管在喉部截面處達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲僭摻孛娣Q為臨界截面，截面上的各氣流參數(shù)相應(yīng)稱為該截面稱為臨界截面，截面上的各氣流參數(shù)相應(yīng)稱為臨臨界參數(shù)界參數(shù)：臨界壓力：臨界壓力Pcr、臨界流速、臨界流速ccr

17、臨界流速臨界流速(ccr)ccr=a 臨界流速臨界流速ccr與臨界壓力與臨界壓力Pcr應(yīng)有以下關(guān)系：應(yīng)有以下關(guān)系：)(1 1210cr00crkkPPvPkkcccr為當(dāng)?shù)匾羲贋楫?dāng)?shù)匾羲賏 crcrcrvkPccrcr10cr00)(1 12vkPPPvPkkkk 縮放噴管的最小截面處稱為噴管的喉部縮放噴管的最小截面處稱為噴管的喉部縮放噴管縮放噴管兩式合并兩式合并2022-4-2120由過程方程由過程方程 crcr10cr00)(1 12vkPPPvPkkkkkPPvv1cr00cr)(kkkkPPvkPPPvPkk10cr0010cr00)()(1 12定義定義臨界壓力比臨界壓力比0crcr

18、PP氣流速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)的壓力與滯止壓力之比氣流速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)的壓力與滯止壓力之比 kkkkk1cr1cr1 121cr)12(kkk以上是以上是定比熱容定比熱容理想氣體理想氣體可逆絕熱流動(dòng)可逆絕熱流動(dòng)過程的分析結(jié)論過程的分析結(jié)論 2022-4-21211cr)12(kkk臨界壓力比臨界壓力比 cr僅與氣體的熱容比僅與氣體的熱容比k有關(guān)有關(guān) 僅取決于氣體的性質(zhì)；僅取決于氣體的性質(zhì)；對(duì)變比熱容理想氣體對(duì)變比熱容理想氣體k值應(yīng)按平均比熱容確定；值應(yīng)按平均比熱容確定；對(duì)水蒸氣對(duì)水蒸氣k為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值而非熱容比為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值而非熱容比 對(duì)雙原子氣體對(duì)雙原子氣體k=1.4，臨界壓力比，臨界壓力比 cr=0

19、.528 如取過熱汽的如取過熱汽的k=1.3，則，則 cr=0.546干飽和汽干飽和汽k=1.135，則，則 cr=0.577概括起來，氣體的臨界壓力比概括起來，氣體的臨界壓力比 cr接近等于接近等于0.5 2022-4-2122 臨界壓力比臨界壓力比 cr是噴管流動(dòng)中從亞音速流動(dòng)轉(zhuǎn)換到超是噴管流動(dòng)中從亞音速流動(dòng)轉(zhuǎn)換到超音速流動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)音速流動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn) 超音速流動(dòng)與亞音速流動(dòng)是有原則區(qū)別的，根據(jù)臨界超音速流動(dòng)與亞音速流動(dòng)是有原則區(qū)別的，根據(jù)臨界壓力比可以計(jì)算出氣流的壓力降低到何值時(shí)其流速恰好壓力比可以計(jì)算出氣流的壓力降低到何值時(shí)其流速恰好就達(dá)到了音速，因此臨界壓力比就達(dá)到了音速，因此臨界壓力比

20、 cr是分析氣體流動(dòng)的是分析氣體流動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)一個(gè)重要參數(shù) 2022-4-21231cr)12(kkk)(1 12102002kkPPvPkkc0g00cr1212TRkkvPkkc 對(duì)給定的定比熱容理想氣體對(duì)給定的定比熱容理想氣體（k值一定值一定），），臨界流速臨界流速ccr僅取決于滯止參數(shù)，或滯止溫度僅取決于滯止參數(shù)，或滯止溫度T0 由于滯止參數(shù)可由初參數(shù)確定由于滯止參數(shù)可由初參數(shù)確定 臨界流速僅取決于進(jìn)口截面上的氣流初參數(shù)臨界流速僅取決于進(jìn)口截面上的氣流初參數(shù) 臨界壓力比下氣流達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲倥R界壓力比下氣流達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲倥R界流速臨界流速2022-4-2124流量計(jì)算流量計(jì)算 由連續(xù)性方程

21、，無(wú)論對(duì)哪由連續(xù)性方程，無(wú)論對(duì)哪一個(gè)截面質(zhì)量流率都應(yīng)相同一個(gè)截面質(zhì)量流率都應(yīng)相同222vcAm )(1 12102002kkPPvPkkc經(jīng)整理可得經(jīng)整理可得 kkkPPPPvPkkAm102202002)()(12 在噴管出口截面處在噴管出口截面處 對(duì)于一定的噴管，氣流進(jìn)口狀態(tài)一定時(shí)對(duì)于一定的噴管，氣流進(jìn)口狀態(tài)一定時(shí)流量將僅隨流量將僅隨(P2/P0)而變化而變化221020)(1cAPPvkkPPv1020)(1（注：教材式（注：教材式8-178-17錯(cuò)誤?。╁e(cuò)誤?。?022-4-2125它們的依變關(guān)系如圖所示它們的依變關(guān)系如圖所示 背壓背壓噴管出口外的介質(zhì)壓力噴管出口外的介質(zhì)壓力PbPb流

22、量隨流量隨(P2/P0)的變化關(guān)系的變化關(guān)系漸縮噴管漸縮噴管到達(dá)臨界壓力比到達(dá)臨界壓力比 cr時(shí)時(shí)P2，且且Pb=P2、m 出口達(dá)到臨界流速出口達(dá)到臨界流速ccr，即當(dāng)?shù)匾羲伲串?dāng)?shù)匾羲?此后，背壓此后，背壓Pb如再降低，由于漸縮噴管中流道截面積如再降低，由于漸縮噴管中流道截面積始終是收縮的，氣流截面不可能得到擴(kuò)展，任由背壓下始終是收縮的，氣流截面不可能得到擴(kuò)展，任由背壓下降，噴管的出口壓力將仍然保持為降，噴管的出口壓力將仍然保持為P2=Pcr，氣流的膨脹、，氣流的膨脹、加速也就到此為止，即加速也就到此為止，即漸縮噴管的最大出口速度就是當(dāng)漸縮噴管的最大出口速度就是當(dāng)?shù)匾羲俚匾羲貾b=P2= c

23、r P0P2Pb2022-4-2126當(dāng)出口流速當(dāng)出口流速c2 ccrm maxm 00122max)12(12vPkkkAmk就就漸縮噴管漸縮噴管而言而言10crcr)12(kkkPP)()(12102202002kkkPPPPvPkkAm2022-4-2127 在在PbPcr時(shí)：時(shí)：Pb Pb c2= ccrmaxmm 縮放噴管縮放噴管（拉伐爾噴管）（拉伐爾噴管）適用于從亞音速加速到超音速適用于從亞音速加速到超音速在喉部截面達(dá)到臨界狀態(tài)在喉部截面達(dá)到臨界狀態(tài)c2= ccr Pb P2， c2 任由背壓下降流量不會(huì)增大，始終等于由任由背壓下降流量不會(huì)增大，始終等于由喉部最小截面確定的流量喉部

24、最小截面確定的流量2022-4-21303.5 絕熱絕熱節(jié)流節(jié)流節(jié)流節(jié)流(throttling)節(jié)流節(jié)流流體在流道中流經(jīng)閥門、孔板等截流體在流道中流經(jīng)閥門、孔板等截面急劇收縮的地方后發(fā)生壓力下降的現(xiàn)象面急劇收縮的地方后發(fā)生壓力下降的現(xiàn)象 所討論的節(jié)流過程一般流體均不與外界交換熱量、不所討論的節(jié)流過程一般流體均不與外界交換熱量、不作軸功，且為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程作軸功，且為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流 絕熱節(jié)流的特征絕熱節(jié)流的特征節(jié)流過程是不可逆過程節(jié)流過程是不可逆過程 節(jié)流時(shí)流道截面急劇收縮，流節(jié)流時(shí)流道截面急劇收縮，流線先是急劇收縮，隨后又急劇擴(kuò)線先是急劇收縮，隨后又急劇擴(kuò)張，在節(jié)流區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多渦流

25、張，在節(jié)流區(qū)內(nèi)產(chǎn)生許多渦流 節(jié)流節(jié)流此外，流體通過節(jié)流孔道時(shí)流速加快，引起強(qiáng)烈摩擦此外，流體通過節(jié)流孔道時(shí)流速加快，引起強(qiáng)烈摩擦節(jié)流為不可逆過程節(jié)流為不可逆過程 2022-4-2131節(jié)流令流體的壓力降低節(jié)流令流體的壓力降低 發(fā)生節(jié)流時(shí)隨著流體的流速變發(fā)生節(jié)流時(shí)隨著流體的流速變化，其壓力先下降，通過節(jié)流截化，其壓力先下降，通過節(jié)流截面后又逐漸回升面后又逐漸回升 節(jié)流的流速和壓力變化節(jié)流的流速和壓力變化 節(jié)流區(qū)上游和下游相距足夠遠(yuǎn)節(jié)流區(qū)上游和下游相距足夠遠(yuǎn)處的兩個(gè)截面相比處的兩個(gè)截面相比節(jié)流前后流體的流速接近相等節(jié)流前后流體的流速接近相等 節(jié)流后流體的壓力有了降低，節(jié)流后流體的壓力有了降低，不能

26、再恢復(fù)到原先的水平不能再恢復(fù)到原先的水平 發(fā)生節(jié)流時(shí)流速先升高，通過節(jié)流截面后又逐漸回落發(fā)生節(jié)流時(shí)流速先升高，通過節(jié)流截面后又逐漸回落 節(jié)流區(qū)節(jié)流區(qū)上游和下游相距足夠遠(yuǎn)處上游和下游相距足夠遠(yuǎn)處的兩個(gè)截面相比的兩個(gè)截面相比節(jié)流前、后流體的流速近似相等節(jié)流前、后流體的流速近似相等 2022-4-2132節(jié)流前后流體的焓相等節(jié)流前后流體的焓相等 由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的能量方程由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的能量方程 shaft12212212)()(21)(wzzgcchhq000認(rèn)為節(jié)流前、后流體的流速相等時(shí)認(rèn)為節(jié)流前、后流體的流速相等時(shí) 021hh 這是節(jié)流的重要特征這是節(jié)流的重要特征 節(jié)流區(qū)內(nèi)沿流動(dòng)方向各截面上的流體流速明

27、顯不同，節(jié)流區(qū)內(nèi)沿流動(dòng)方向各截面上的流體流速明顯不同，流體的焓值顯然不相等流體的焓值顯然不相等節(jié)流過程并非等焓過程節(jié)流過程并非等焓過程 節(jié)流前后流體的焓相等節(jié)流前后流體的焓相等2022-4-2133節(jié)流的溫度效應(yīng)節(jié)流的溫度效應(yīng)vvsTTssd)(d)(dTvvvPTTPPd)(d)(dTvPvsThdddvvv)()(TsTTucTv)()(vsTP 由熱力學(xué)一般關(guān)系由熱力學(xué)一般關(guān)系PvTvTTchd )(ddpp（麥克斯韋關(guān)系）（麥克斯韋關(guān)系）2022-4-2134PvTvTTchd )(ddpp 流體發(fā)生微元節(jié)流流體發(fā)生微元節(jié)流 ，結(jié)果，結(jié)果dP0，dh = 0 pph)()(cvTvTP

28、ThJ)(PT定義定義節(jié)流微分效應(yīng)節(jié)流微分效應(yīng)亦稱亦稱絕熱節(jié)流系數(shù)、焦耳絕熱節(jié)流系數(shù)、焦耳- -湯姆遜系數(shù)湯姆遜系數(shù)，或以或以 h表示表示 節(jié)流結(jié)果恒有節(jié)流結(jié)果恒有dP0 dT0，節(jié)流后流體將降溫，節(jié)流后流體將降溫冷效應(yīng)冷效應(yīng)當(dāng)當(dāng) J0，節(jié)流后流體將升溫，節(jié)流后流體將升溫?zé)嵝?yīng)熱效應(yīng)當(dāng)當(dāng) J=0 dT=0，節(jié)流后流體溫度將不變，節(jié)流后流體溫度將不變零效應(yīng)零效應(yīng)2022-4-2135 對(duì)于有限節(jié)流過程，流體將發(fā)生有限的壓力降對(duì)于有限節(jié)流過程，流體將發(fā)生有限的壓力降 P，這種情況的溫度效應(yīng)可對(duì)焦耳這種情況的溫度效應(yīng)可對(duì)焦耳- -湯姆遜系數(shù)求積獲得湯姆遜系數(shù)求積獲得 21dJ12PPPTTT節(jié)流積分

29、效應(yīng)節(jié)流積分效應(yīng) 焦耳焦耳- -湯姆遜系數(shù)可通過焦耳湯姆遜系數(shù)可通過焦耳- -湯姆遜實(shí)驗(yàn)來確定湯姆遜實(shí)驗(yàn)來確定 焦耳焦耳- -湯姆遜實(shí)驗(yàn)原理湯姆遜實(shí)驗(yàn)原理示意圖示意圖 焦耳焦耳- -湯姆遜實(shí)驗(yàn)是研究流體物湯姆遜實(shí)驗(yàn)是研究流體物性的重要手段，原理如圖示性的重要手段，原理如圖示 實(shí)驗(yàn)方法是在管道中裝設(shè)一可調(diào)實(shí)驗(yàn)方法是在管道中裝設(shè)一可調(diào)節(jié)的節(jié)流孔板，通過收縮或擴(kuò)大節(jié)節(jié)的節(jié)流孔板，通過收縮或擴(kuò)大節(jié)流孔徑以調(diào)節(jié)對(duì)流體的節(jié)流深度，流孔徑以調(diào)節(jié)對(duì)流體的節(jié)流深度，即改變流體節(jié)流后的壓力即改變流體節(jié)流后的壓力P22022-4-2136 令流體從某一狀態(tài)令流體從某一狀態(tài)1(P1,T1)開開始進(jìn)行節(jié)流，在足夠遠(yuǎn)的下

30、游始進(jìn)行節(jié)流，在足夠遠(yuǎn)的下游測(cè)定節(jié)流后的流體狀態(tài)測(cè)定節(jié)流后的流體狀態(tài) 2(P2,T2) 通過收縮孔板的節(jié)流孔徑逐通過收縮孔板的節(jié)流孔徑逐漸加深節(jié)流的深度，可獲得一漸加深節(jié)流的深度，可獲得一系列節(jié)流后的流體狀態(tài)點(diǎn)系列節(jié)流后的流體狀態(tài)點(diǎn)2a、2b、M、2c 焦耳焦耳- -湯姆遜實(shí)驗(yàn)湯姆遜實(shí)驗(yàn) 連同始點(diǎn)連同始點(diǎn)1聯(lián)成一條聯(lián)成一條等焓線等焓線并非絕熱節(jié)流過程線并非絕熱節(jié)流過程線只是流體絕熱節(jié)流前和節(jié)流后的狀只是流體絕熱節(jié)流前和節(jié)流后的狀態(tài)所落在的同一條曲線態(tài)所落在的同一條曲線 該定焓線上任一點(diǎn)的斜率就是流體處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)時(shí)的該定焓線上任一點(diǎn)的斜率就是流體處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)時(shí)的絕熱節(jié)流系數(shù)絕熱節(jié)流系數(shù) J 2022-4-2137 圖中一定焓值范圍內(nèi)的等焓線圖中一定焓值范圍內(nèi)的等焓線上各有一溫度為極大值的點(diǎn)（例上各有一溫度為極大值的點(diǎn)（