工程熱力學(xué)課件

工程熱力學(xué)課件第1頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2

第八章

氣體和蒸汽的流動(dòng)(GasandSteamFlow)第2頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3

一.簡(jiǎn)化工程中有許多流動(dòng)問(wèn)題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，特別

是噴管(nozzle;

jet)、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttle

valve)內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換情況。第3頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四§8–1穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式穩(wěn)定一維可逆絕熱第4頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5

二.穩(wěn)定流動(dòng)基本方程

1.質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）continuity

equation1122p1T1qm1cf1

p2T2qm2cf2

第5頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6

2.過(guò)程方程注意，若水蒸氣，則第6頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程—steady-flow

energy

equation第7頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.音速方程等熵過(guò)程中所以？第8頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四9

注意：1）音速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱(chēng)當(dāng)?shù)匾羲?/p>

如空氣，

2）水蒸氣當(dāng)?shù)匾羲?）

馬赫數(shù)

(Mach

number)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity第9頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四10

絕熱滯止(stagnation)

定義：氣流掠過(guò)物體表面時(shí)，由于摩擦、撞擊等使氣體相對(duì)于物體的速度降低為零的現(xiàn)象稱(chēng)為滯止現(xiàn)象。

滯止發(fā)生時(shí)氣體的溫度及壓力都要升高，致使物體的溫度及受力狀況受到影響。

忽略滯止過(guò)程中的散熱，則可認(rèn)為過(guò)程為絕熱滯止過(guò)程。絕熱滯止?fàn)顟B(tài)下氣體的狀態(tài)參數(shù)稱(chēng)為絕熱滯止參數(shù)或簡(jiǎn)稱(chēng)為滯止參數(shù)?？梢?jiàn)，絕熱滯止焓等于絕熱流動(dòng)中任一位置氣體的焓和流動(dòng)動(dòng)能的總和，因此也稱(chēng)總焓。

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水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)理想氣體、定比熱時(shí)的滯止參數(shù)：

第11頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四絕熱滯止溫度：絕熱滯止時(shí)氣體的溫度稱(chēng)為絕熱滯止溫度，用T0表示，當(dāng)比熱容為定值時(shí)，由焓和溫度的關(guān)系，可得例如，如飛機(jī)在–20℃的高空以Ma=2飛行，其T0=182.6

℃。航天飛機(jī)返回大氣層時(shí)Ma更大?？梢?jiàn)，cf↑→T0↑。因而，當(dāng)設(shè)計(jì)在高速運(yùn)動(dòng)的裝置時(shí)和測(cè)量高速氣流的溫度時(shí)，必須考慮氣體的滯止溫度的影響。

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§8–2促使流速改變的條件一.力學(xué)條件因?yàn)榱鲃?dòng)可逆絕熱，所以且能量方程故力學(xué)條件第13頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14

討論：噴管擴(kuò)壓管2）是壓降，是焓（即技術(shù)功）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。的能量來(lái)源1）第14頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二.幾何條件力學(xué)條件過(guò)程方程連續(xù)性方程第15頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四16

幾何條件討論：1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對(duì)于噴管漸縮噴管—convergent

nozzle第16頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四17

當(dāng)Ma>1時(shí)，dcf>0→dA>0

，采用漸擴(kuò)噴管；第17頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四截面上Ma=1，cf=c，稱(chēng)臨界截面(minimum

cross-sectional

area)[也稱(chēng)喉部(throat)截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?/p>

(velocity

of

sound)稱(chēng)臨界壓力(critical

pressure)，臨界溫度

及臨界比體積第18頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四19

2）當(dāng)促使流速改變的壓力條件得滿(mǎn)足的前提下：

a）收縮噴管(convergentnozzle)出口截面上流速

cf2,max=c2（出口截面上音速）

b）以低于當(dāng)?shù)匾羲倭魅霛u擴(kuò)噴管(divergentnozzle)

不可能使氣流可逆加速。

c）使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮

漸擴(kuò)噴管(convergent-divergentnozzle)—拉法爾

(Lavalnozzle)噴管。第19頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四20

3）背壓(back

pressure)pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境

的壓力。正確設(shè)計(jì)的噴管其出口截面上壓力p2等于背壓pb，但非設(shè)計(jì)工況下p2未必等于

pb

4）對(duì)擴(kuò)壓管(diffuser)，目的是p上升，通過(guò)cf下降使動(dòng)

能轉(zhuǎn)變成壓力勢(shì)能，情況與噴管相反。第20頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四21

歸納：

1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使

流動(dòng)可逆必不可少的條件；

2）氣流的焓差（即技術(shù)功）為氣流加速提供了

能量；

3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?/p>

4）拉法爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速

達(dá)當(dāng)?shù)匾羲伲?）背壓pb未必等于p2。第21頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四22

§8–3噴管計(jì)算一.流速計(jì)算及分析1.計(jì)算式注意：

a）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)

b）式中h單位是J/kg，cf是m/s，但一般資料

提供h單位是kJ/kg，要轉(zhuǎn)化成J/kg

。2.初態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響：

為分析方便，取理想氣體、定比熱，但結(jié)論也

定性適用于實(shí)際氣體。第22頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四23

分析：第23頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四24

但cf，max不可能達(dá)到摩擦從1下降到0的過(guò)程中某點(diǎn)第24頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四25

該點(diǎn)即為臨界點(diǎn)，此點(diǎn)上壓力pcr與p0之比稱(chēng)臨界壓力比

(critical

pressure

ratio;

throat-to-stagnation

of

pressure)，

用νcr表示討論：

1）理想氣體水蒸氣隨工質(zhì)而變理想氣體定比熱雙原子過(guò)熱水蒸氣濕蒸汽第25頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四26

3）由于幾何條件約束，臨界截面只可能發(fā)生在dA=0處，考慮到工程實(shí)際：收縮噴管—出口截面縮放噴管—喉部截面另：與上式是否矛盾？第26頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四27

3.背壓pb對(duì)流速的影響

a）收縮噴管：

b）縮放噴管：第27頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四28

二.流量計(jì)算及分析1.計(jì)算式通常收縮噴管—出口截面縮放噴管喉部截面出口截面其中第28頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四29

2.初參數(shù)對(duì)流量的影響第29頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四30

分析：

a）第30頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四31

三.噴管設(shè)計(jì)據(jù)初參數(shù)

p1，v1，T1

背壓

pb

功率噴管形狀

幾何尺寸1.外形選擇

首先確定pcr與pb關(guān)系，然后選取恰當(dāng)?shù)男螤畹?1頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四32

2.幾何尺寸計(jì)算A1——往往已由其他因素確定太長(zhǎng)——摩阻大

太短——

過(guò)大，產(chǎn)生渦流(eddy)第32頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例：空氣進(jìn)入噴管時(shí)流速為300m/s，壓力為0.5MPa，溫度450K，噴管背壓pb=0.28MPa，求：噴管的形狀，最小截面積及出口流速。cp=1004J/kg·k，Rg=287J/kg·k解：由于cf1=300m/s，所以應(yīng)采用滯止參數(shù)滯止過(guò)程絕熱第33頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四所以采用縮放噴管注：若不考慮cf1，則pcr=cr·p1=0.5280.5=0.264MPa<pb

應(yīng)采用收縮噴管，p2=pb=0.28MPa第34頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第35頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例：滯止壓力為0.65MPa，滯止溫度為350K的空氣，可逆絕熱流經(jīng)一收縮噴管，在噴管截面積為2.6×10-3m2處，氣流馬赫數(shù)為0.6。若噴管背壓為0.30MPa，試求噴管出口截面積A2。解：在截面A處：第36頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第37頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四出口截面處：據(jù)噴管各截面質(zhì)量流量相等，即第38頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四例：有一儲(chǔ)氣柜內(nèi)有初溫t1=100°c，壓力為p1=4.90MPa的氫氣。氫氣經(jīng)漸縮噴管流入背壓pb=3.9MPa的外界，設(shè)噴管的出口截面積A2=20mm2，試求：

1）氫氣外射的速度及流量；

2）若初始條件不變，噴管不變，氫外射入大氣，求外射時(shí)的流速及流量。（已知?dú)錃釸g=4.12kJ/kg·k，cp=14.32kJ/kg·k）解：1）首先確定p2第39頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四？=822m/s第40頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2）確定p2，由于pb=0.1MPa<pcr第41頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四42

§8–5有摩擦的絕熱流動(dòng)一.摩阻對(duì)流速的影響定義：噴管速度系數(shù)(velocity

coefficient

of

nozzle)一般在0.92~0.98第42頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四43

二.摩阻對(duì)能量的影響定義：能量損失系數(shù)噴管效率注意：？第43頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四44

三.摩阻對(duì)流量的影響若p2，A2不變據(jù)第44頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四45

§8–6絕熱節(jié)流一.絕熱節(jié)流(adiabatic

throttling)

定義：由于局部阻力，使流體壓力降低的現(xiàn)象節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：

1)

p2<p1

2)

強(qiáng)烈不可逆，s2>s1,I=T0sg

3)

h1=h2，但節(jié)流過(guò)程并非等焓過(guò)程

4)

T2可能大于等于或小于T1

理想氣體T2=

T1毛細(xì)管多孔塞第45頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第46頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四47

二.節(jié)流后的溫度變化

1.焦耳—湯姆遜系數(shù)（Joule-Thomson

coefficient）

據(jù)令焦耳—湯姆遜系數(shù)

（也稱(chēng)節(jié)流微分效應(yīng)）第47頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四48

如理想氣體第48頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四49

2.轉(zhuǎn)回溫度(inversion

temperature)

—節(jié)流后溫度不變的狀態(tài)的溫度把氣體的狀態(tài)方程代入μJ表達(dá)式即可求得不同壓力下的轉(zhuǎn)回溫度曲線，轉(zhuǎn)回曲線(inversion

curve)。例如

理想氣體轉(zhuǎn)回溫度為一直線；

實(shí)際氣體，如用范氏方程代入μJ可得或第49頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四50

若令p=0，得

3.節(jié)流的積分效應(yīng)

節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致冷區(qū)則T下降

節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致溫區(qū)則，T上升或下降取決于Δp的大小，

如：當(dāng)氣體溫度T>Ti,max或T<Ti,min，節(jié)流后T上升常溫節(jié)流后T上升，T2>T1

常溫常壓下節(jié)流T下降第50頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四51

三.水蒸氣節(jié)流過(guò)程1）節(jié)流后溫度稍有下降2）但少作功作功能力損失？四.節(jié)流現(xiàn)象的工程應(yīng)用氣體液化

發(fā)動(dòng)機(jī)功率調(diào)節(jié)

孔板流量計(jì)，干度計(jì)···

利用μJ，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)際氣體微分方程

熱網(wǎng)中蒸汽降壓第51頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期四合流合流—多股氣流匯合成一股氣流合流的流量：由質(zhì)量守恒定律，對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，有：

即合流的總焓等于各支流總焓之和。忽略氣體的流動(dòng)動(dòng)能時(shí)，即有：如過(guò)程絕熱，則

所以

因

合流的焓第52頁(yè)，共55頁(yè)