第1講20120914熱力學(xué)概念流體力學(xué)方程

1、1 宋金甌宋金甌天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室20132013年年9 9月月內(nèi)燃機中的流體運動內(nèi)燃機中的流體運動 2課程內(nèi)容課程內(nèi)容 外燃機外燃機：斯特林(Stirling)發(fā)動機3課程內(nèi)容課程內(nèi)容 外燃機外燃機：斯特林(Stirling)發(fā)動機原理等溫壓縮過程等溫壓縮過程12：壓縮活塞向左移動而膨脹活塞不動。：壓縮活塞向左移動而膨脹活塞不動。定容放熱過程定容放熱過程23：兩個活塞同時向左移動，氣體的容積保持不變，直至壓縮活塞到：兩個活塞同時向左移動，氣體的容積保持不變，直至壓縮活塞到達左止點。達左止點。等溫膨脹過程等溫膨脹過程34：壓縮活塞停止在左止點，

2、而膨脹活塞繼續(xù)向左移動，直至左止點。：壓縮活塞停止在左止點，而膨脹活塞繼續(xù)向左移動，直至左止點。定容吸熱過程定容吸熱過程41：兩個活塞同時向右移動直至右止點：兩個活塞同時向右移動直至右止點,氣體容氣體容 積保持不變積保持不變, V1=V4，回復(fù)到起始位置。回復(fù)到起始位置。4課程內(nèi)容課程內(nèi)容內(nèi)燃機內(nèi)燃機：燃氣輪機、蒸汽輪機輪機及其工作原理輪機及其工作原理 5課程內(nèi)容課程內(nèi)容進氣排氣內(nèi)燃機內(nèi)燃機：活塞式發(fā)動機6課程內(nèi)容課程內(nèi)容內(nèi)燃機內(nèi)燃機：活塞式發(fā)動機工作原理a）p-V圖圖 b）T-s圖圖1-2是絕熱壓縮，是絕熱壓縮，2-3是定容吸熱，是定容吸熱，3-4是定是定壓吸熱，壓吸熱，4-5是絕熱膨脹，是

3、絕熱膨脹，5-1是定容放熱。是定容放熱。7課程內(nèi)容課程內(nèi)容1.進排氣過程進排氣過程余熱利用：熱電轉(zhuǎn)化、燃料催化裂解余壓利用：渦輪膨脹、附加膨脹室充量管理：可變進氣系統(tǒng)附屬裝置：消音器、后處理8課程內(nèi)容課程內(nèi)容2. 缸內(nèi)流動缸內(nèi)流動直噴柴油機：可燃混合氣形成直噴汽油機：可燃混合氣形成9課程內(nèi)容課程內(nèi)容3. 燃油的供給、噴射及霧化燃油的供給、噴射及霧化泵管嘴系統(tǒng)共軌系統(tǒng)燃油破碎10課程內(nèi)容課程內(nèi)容討論討論3 3方面內(nèi)容方面內(nèi)容：進排氣流動；缸內(nèi)流動；燃油輸送噴射及霧化基礎(chǔ)知識：基礎(chǔ)知識：熱力學(xué)；流體力學(xué)參考文獻：參考文獻：1.RS本森著，程宏，朱倩，邵明鋒譯。內(nèi)燃機的熱力學(xué)和空氣動力學(xué)。北京:機械

4、工業(yè)出版社，1986。2.解茂昭.內(nèi)燃機計算燃燒學(xué).大連：大連理工大學(xué)出版社（第二版）.2005.3.周龍保內(nèi)燃機學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2005（第二版）4.有關(guān)文獻。111熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念流體質(zhì)點熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)：流體質(zhì)點熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)：壓力、密度、比容、溫度、內(nèi)能、熵、焓、不可壓縮流體：不可壓縮流體：0dtd定常流動：定常流動：0t絕熱過程絕熱過程可逆過程可逆過程平衡、靜態(tài)、無摩擦12熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念（1）dwdqde比熱比熱 dTdqc （定容還是定壓）（定容還是定壓） 比熱比比熱比 常比熱氣體、理想氣體、完全氣體常比熱氣體、理想氣體

5、、完全氣體pvcc13熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念（2）熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 dqdsTTdsdepd可逆過程熱力學(xué)第一定律可逆過程熱力學(xué)第一定律 等熵過程方程等熵過程方程 ( )pA s14熱力學(xué)基本概念熱力學(xué)基本概念（3）其他熱力學(xué)基本參數(shù)其他熱力學(xué)基本參數(shù) 焓焓pei 自由能自由能TseF 熱力學(xué)位勢熱力學(xué)位勢 TsiG2papRT 聲速聲速 a a 15熱力學(xué)基本概念（熱力學(xué)基本概念（3）熱力學(xué)基本關(guān)系式熱力學(xué)基本關(guān)系式 在熱力學(xué)基本參數(shù)中只有兩個獨立變量，而其他參數(shù)都可以用這兩個變量來決定只有兩個獨立變量，而其他參數(shù)都可以用這兩個變量來決定。假如已知流體的壓力和密度，則其他參

6、數(shù)都可以由p、來決定，并且對于p、的函數(shù)關(guān)系也就確定了。這些函數(shù)關(guān)系不是完全互相獨立的，它們之間有一定的聯(lián)系。這些函數(shù)關(guān)系與獨立變量的選取有關(guān)。162流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)只有2個是獨立的，加上1個運動學(xué)參數(shù)：速度，只要有這3個參數(shù)全知，就可以描述流體運動狀態(tài) 。要求解這3個參數(shù)，需要列出關(guān)于這3個參數(shù)的方程組此即：流體力學(xué)基本方程要解決的問題流體力學(xué)基本方程要解決的問題 列方程依據(jù)：質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒17流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程（1）質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程 dxxuFuFdxFtdxxuFuFuFdxFtuF0 xuxut18流體力學(xué)基本方程流體力

7、學(xué)基本方程（2）動量守恒方程動量守恒方程 x截面 Fpx+dx截面 dxxppdFF壁面摩擦力 dxDFuu 402021ufdxDFuuufdxxppdFFFpdxFxuutu421219流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程（2）不考慮截面變化 02412uuuDfxpxuutu不考慮摩擦 01xpxuutu定常流動 10upuxx20constdpu22流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程（2）對于穩(wěn)定流動 對于不可壓縮流體appu22總壓或滯止壓力總壓或滯止壓力 動壓動壓 靜壓靜壓 動量方程等價于柏努力方程動量方程等價于柏努力方程 21流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程（3）傳熱量 Fdxq能量守

8、恒方程能量守恒方程 流入控制體能量 22upTcuFv流出控制體能量 dxupTcuFxupTcuFvv2222dxuTcFtv22控制體內(nèi)流體能量的增長率 熱力學(xué)第一定律22流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程（3）能量守恒方程能量守恒方程 dxupTcuFxupTcuFupTcuFFdxqdxuTcFtvvvv2222222223流體力學(xué)基本方程（流體力學(xué)基本方程（3）不考慮截面變化 xupxpuquTcdtdv22222412ppf uuuaa uqutxtxDu綜合質(zhì)量方程和動量方程 24流體力學(xué)基本方程流體力學(xué)基本方程（3）沒有傳熱和摩擦022xuataxputp2dpaRTd一維不定常

9、等熵氣流的能量方程等價于與聲速方程一維不定常等熵氣流的能量方程等價于與聲速方程 2522avpuic T流體力學(xué)基本方程（流體力學(xué)基本方程（3）滯止焓或總焓滯止焓或總焓 焓的定義式apaTci 滯止溫度滯止溫度TcuTTpa21226uMa21paic T利用關(guān)系式利用關(guān)系式流體力學(xué)基本方程（流體力學(xué)基本方程（3）(熱力學(xué)關(guān)系式)2112aTTM12112appM 滯止溫度可表示為滯止溫度可表示為根據(jù)等熵關(guān)系式根據(jù)等熵關(guān)系式(馬赫數(shù))2712221222apuuppMppp 流體力學(xué)基本方程（流體力學(xué)基本方程（3）在低馬赫數(shù)M時，運用兩項式定理低馬赫數(shù)流動可以當作不可壓縮流動低馬赫數(shù)流動可以當

10、作不可壓縮流動 柏努力方程28流體力學(xué)基本方程（流體力學(xué)基本方程（4）一維不定常流動的基本方程組0 xuxut02412uuuDfxpxuutu222412ppf uuuaa uqutxtxDu293聲波和有限波聲波和有限波現(xiàn)在我們已經(jīng)建立了內(nèi)燃機管道內(nèi)一維不定常流現(xiàn)在我們已經(jīng)建立了內(nèi)燃機管道內(nèi)一維不定常流 動的基本方程組。自然就要對其進行求解。動的基本方程組。自然就要對其進行求解。求解這些方程的最一般方法是求解這些方程的最一般方法是特征線法特征線法。所謂的所謂的特征線，特征線，就是壓力波運動的軌跡。就是壓力波運動的軌跡。因此要了解特征線法，需要對波的概念有所了解。因此要了解特征線法，需要對波

11、的概念有所了解。30聲波傳播速度3聲波和有限波聲波和有限波(1)Fadt=(+d)F(adt-dudt) (p+dp)F-pFdt=Fadtdu 質(zhì)量守恒 動量守恒 31質(zhì)量方程、動量方程聯(lián)立 ，消去du，得3聲波和有限波聲波和有限波(1)ddpda2ddpa 2sdppaRTd聲速公式聲速公式，亦稱，亦稱小擾動波傳播速度公式小擾動波傳播速度公式 小擾動：密度變化很小，等熵323聲波和有限波聲波和有限波(1)聲波方程：0utx01xptu0 xuxut02412uuuDfxpxuutu波傳播介質(zhì)的運動方程333聲波和有限波聲波和有限波(1)利用等熵過程中與p的關(guān)系，聯(lián)立 22222xuatu聲

12、波波動方程聲波波動方程 ftafxuatxafuu2sin2sin00343聲波和有限波聲波和有限波(1)ftafxuatxafuu2sin2sin00u0為常數(shù)，給定了介質(zhì)正弦波的振幅振幅；f為頻率頻率，f的倒數(shù)稱為周期周期。固定。固定x，時間1/f，角度增加2。a/f叫做波長波長，在t一定時，x增加a/f，波動也前進2。在在x固定的圖形，1/f為兩個相鄰波峰（或波谷）之間的距離；在t固定的圖形中，a/f為兩個相鄰波峰（或波谷）之間的距離。a具有速度量綱，稱為波動速度波動速度353聲波和有限波聲波和有限波(2)有限波有限波通過氣體時，氣體發(fā)生明顯的位移 理想有限波方程組0 xuautuaxp

13、autp0 xuautuaxpautp能量 +a2連續(xù)+a動量 能量 +a2連續(xù)a動量audtdx設(shè)上述方程變?yōu)槌Ｎ⒎址匠?0dtduadtdp363聲波和有限波聲波和有限波(2)0dtduadtdpdakdu12dakdu12kkppaa2100RTpkRTa 21122100kkppkau此為有限波過后介質(zhì)速度，它不等于有限波的速度。373聲波和有限波聲波和有限波(2)幾個重要概念：如果有限波掃過之后，若p/p01，就稱這個壓力波為壓縮波壓縮波；若若p/p01，就稱這個壓力波為膨脹波膨脹波。壓縮波與膨脹波統(tǒng)稱為簡單波（等熵）簡單波（等熵）。與簡單波相對應(yīng)的是激波（不等熵）激波（不等熵）。如

14、果波的運動方向與規(guī)定方向一致，則稱這個波為正向波正向波；如果波的運動方向與規(guī)定方向相反，則稱這個波為負向波負向波。383聲波和有限波聲波和有限波(2)有限波波速等于聲速疊加于氣體運動速度之上。 auC（a為擾動后的聲速，總?cè)≌担?audtdx有限波在運動氣流中傳播的軌跡線方程 右行特征線右行特征線 向右傳播的有限波軌跡線（+） 左行特征線左行特征線 向左傳播的有限波軌跡（-） 394 波的相互作用波的相互作用(1)有限波的發(fā)展 激波兩邊氣體壓力有階躍，即出現(xiàn)壓力不連續(xù)，這樣流體速度也發(fā)生不連續(xù)。激波的運動速度，或者說，即將穿越激波的氣流運動速度相對于激波是超音速。內(nèi)燃機管道內(nèi)壓力波很弱，一般

15、認為沒有激波存在，因而可以近似采用等熵理論處理。 氣門開氣門開 404 波的相互作用波的相互作用(1)對于膨脹波,壓力比必存在一個最小值氣門關(guān)氣門關(guān) 410dtd0dtd0dtd0t4 波的相互作用波的相互作用(1)Cua12002101kkapCakp 12210kppkk42 4 波的相互作用波的相互作用(2)有限波的反射 壓縮波在開口端反射回來一個膨脹波。（排氣管口）壓縮波在開口端反射回來一個膨脹波。（排氣管口）膨脹波在開口端反射回來一個壓縮波。膨脹波在開口端反射回來一個壓縮波。 （進氣管口）（進氣管口）壓縮波在閉口端反射一個壓縮波；壓縮波在閉口端反射一個壓縮波； （進氣管氣閥端）（進氣管氣閥端）膨脹波在閉口管端反射一個膨脹波。（排氣管氣閥端）膨脹波在閉口管端反射一個膨脹波。（排氣管氣閥端） 橫截面積不斷增大的管道，具有管端逐漸開啟的特性；橫截面積不斷增大的管道，具有管端逐漸開啟的特性；橫截面逐漸收縮的管道，起著管端逐漸關(guān)閉的作用。橫截面逐漸收縮的管道，起著管端逐漸關(guān)閉的作用。 434 波的相互作用波的相互作用(2)管接頭阻力產(chǎn)生444 波的相互作用波的相互作用(3)有限波的相互作用 合成波的氣體速度直接相加 壓力不是線性的，不能直接相加 對于小擾動波這個特定情況，10pp12110210ppkkppkk4