氣體和蒸汽的流動(dòng)和壓縮

關(guān)于氣體和蒸汽的流動(dòng)和壓縮第1頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕熱流動(dòng)的基本方程一概念穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(穩(wěn)定流動(dòng))狀態(tài)不隨時(shí)間變化恒定的流量二幾個(gè)基本方程連續(xù)性方程絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程定熵過程方程第2頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)連續(xù)性方程

由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點(diǎn),各截面質(zhì)量流量相等適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過程第3頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)性方程的說明對(duì)于不可壓流體（dv=0），如液體等，流體速度的改變?nèi)Q于截面的改變，截面積A與流速cf成反比；對(duì)于氣體等可壓流，流速的變化取決于截面和比體積的綜合變化。第4頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程微分形式第5頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程說明1.任何工質(zhì)，可逆和不可逆過程均成立2.氣體動(dòng)能的增加等于氣流的焓降3.任一截面上工質(zhì)的焓與其動(dòng)能之和保持定值，把兩者之和定義為一個(gè)參數(shù)：總焓或滯止焓h0第6頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)定熵過程方程式在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，若：任一截面上的參數(shù)不隨時(shí)間而變化與外界沒有熱量交換流經(jīng)相鄰兩截面時(shí)各參數(shù)是連續(xù)變化不計(jì)摩擦和擾動(dòng)則過程是可逆絕熱過程。任意兩截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)可用可逆絕熱過程方程式描述，對(duì)理想氣體（定比熱容）有：微分上式，得：第7頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月定熵過程方程式說明(2)用于水蒸氣，值為一純經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，且是一個(gè)變數(shù):過熱蒸汽：

=1.30干飽和蒸汽：=1.135濕飽和蒸汽：

=1.035+0.1x(1)用于比熱容為定值或平均值的理想氣體時(shí)第8頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三音速與馬赫數(shù)

微小擾動(dòng)在流體中的傳播速度壓力波的傳播過程可作定熵過程處理原因(1)音速定義音速：理氣定熵只隨絕對(duì)溫度而變1.聲波導(dǎo)致的氣體微弱壓縮發(fā)生迅速：近似絕熱。2.微弱壓縮內(nèi)部的摩擦可以忽略：近似可逆。第9頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月音速的說明都反映的是氣體的可壓縮性氣體的可壓縮性越強(qiáng)，則聲音在其中的傳播速度越小空氣中的傳播速度：343.2m/s海水中的傳播速度：1531m/s鋼鐵中的傳播速度：5200m/s第10頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)馬赫數(shù)流速當(dāng)?shù)匾羲?/p>

定義式Ma>1

超音速M(fèi)a=1

臨界音速M(fèi)a<1亞音速312三種音速“當(dāng)?shù)匾羲佟?是指所研究的截面上的音速“嫦娥”一號(hào)繞月飛行馬赫數(shù)？？第11頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月促使流速改變的條件噴管：壓力降低、流速升高的管道；擴(kuò)壓管：流速降低、壓力升高的管道。

由流體力學(xué)的觀點(diǎn)可知，要使工質(zhì)的流速改變，可通過以下兩種方法達(dá)到：1）截面積不變，改變進(jìn)出口的壓差-----力學(xué)條件2）固定壓差，改變進(jìn)出口截面面積-----幾何條件第12頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.力學(xué)條件聯(lián)立能量方程式和熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：可得：第13頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式微分形式：

表明dcf、dp的符號(hào)始終相反，即：氣體在流動(dòng)過程中流速增加，則壓力下降；如壓力升高，則流速必降低。第14頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Ma<1時(shí)，dv/v<dcf

/cf

Ma>1時(shí)，dv/v>dcf

/cf2.幾何條件該式揭示了定熵流動(dòng)中氣體比體積變化率和流速變化率之間的關(guān)系：第15頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流速變化時(shí)，氣流截面積的變化規(guī)律不但與流速的變化有關(guān)，還與當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)有關(guān)。2.幾何條件第16頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Ma<1,亞聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；

Ma=1,聲速流動(dòng),dA=0,截面縮至最小；

Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA>0,截面擴(kuò)張；對(duì)于噴管（dcf>0，dp<0，dv>0)情形，截面形狀與流速間的關(guān)系：第17頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月縮放噴管（拉伐爾噴管）縮放噴管可實(shí)現(xiàn)氣流從亞聲速變?yōu)槌曀?，在噴管最小截面（喉部截面或臨界截面）處Ma=1，在臨界截面處的參數(shù)稱為臨界參數(shù)（以下標(biāo)cr表示），如：第18頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴管內(nèi)參數(shù)變化示意圖流速cf比體積v壓力p聲速ccrcr喉部第19頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；

Ma=1,聲速流動(dòng),dA=0,截面縮至最??；

Ma＜1,亞聲速流動(dòng),dA>0,截面擴(kuò)張；對(duì)于擴(kuò)壓管（dcf<0，dp>0，dv<0)情形：噴管和擴(kuò)壓管是從功能上定義，不能從外形判斷第20頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體的滯止?fàn)顟B(tài)絕熱流動(dòng)的能量方程滯止過程與絕熱氣體被壓縮一樣,氣體的壓力和溫度也隨著升高。定熵滯止過程,最后可以得到最高的壓力和溫度,這個(gè)壓力和溫度稱作滯止壓力和滯止溫度。具有一定速度的氣流，在絕熱定熵條件下被阻滯，氣流速度為零的狀態(tài)稱為滯止?fàn)顟B(tài)。第21頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理想氣體定熵滯止參數(shù)若比熱容為定值：靜焓+動(dòng)焓靜溫+動(dòng)溫第22頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考：1.航天器、飛機(jī)迎風(fēng)面的溫度？2.溫度測(cè)量應(yīng)注意什么？第23頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體的臨界狀態(tài)氣流速度等于當(dāng)?shù)芈曀贂r(shí)的狀態(tài)為臨界狀態(tài)。理想氣體定比熱容式+絕熱流動(dòng)能量方程式a0稱為滯止聲速第24頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表明氣體在絕熱流動(dòng)中，速度和聲速的變化方向剛好相反。速度增加，聲速將減小。當(dāng)達(dá)到滯止?fàn)顟B(tài)，聲速達(dá)到最大值（滯止聲速）總能=熱能（聲速）+動(dòng)能（流速）此消彼漲的關(guān)系表明只有一個(gè)截面上二者相等，此即臨界截面。臨界截面對(duì)應(yīng)的參數(shù)就是臨界參數(shù)。氣體的臨界狀態(tài)第25頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月臨界溫度比臨界狀態(tài)下Ma=1稱為臨界溫度比。臨界參數(shù)與總參數(shù)之比第26頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月臨界壓力比臨界比容比臨界溫度比由絕熱定熵過程方程，臨界比容比臨界參數(shù)比常用于判定氣體是否達(dá)到臨界狀態(tài)第27頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計(jì)計(jì)算：據(jù)給定條件（氣流初參數(shù)、流量及背壓）選擇噴管的外形及確定幾何尺寸。校核計(jì)算：已知噴管的形狀和尺寸及不同的工作條件，確定出口流速和通過噴管的流量。噴管的熱力計(jì)算第28頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴管流速計(jì)算及其分析任意截面流速：出口截面流速：不計(jì)cf1，則：注意單位第29頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于定比熱容理想氣體第30頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月狀態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響初態(tài)一定，出口速度只與出口截面壓力有關(guān)第31頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)p2＝0時(shí)，出口速度達(dá)最大，即：此速度實(shí)際上是達(dá)不到的，因?yàn)閴毫呌诹銜r(shí)比體積趨于無(wú)窮大，出口截面無(wú)窮大。第32頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月臨界速度臨界速度僅與氣體的性質(zhì)和入口狀態(tài)有關(guān)第33頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流量計(jì)算及分析收縮噴管：由連續(xù)方程，噴管各截面的質(zhì)量流量相等。通常按最小截面（收縮噴管的出口截面、縮放噴管的喉部截面）計(jì)算流量縮放噴管：第34頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月代入速度公式：流量?jī)H是壓力比的函數(shù)令由第35頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b-0段沒有意義，為什么？q0cba1.0漸縮噴管流量第36頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月出口截面的壓力可降低至臨界壓力以下，因此可進(jìn)一步降壓增速至超音速，但由連續(xù)性方程，流量仍可按下式計(jì)算：縮放噴管流量第37頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論1.某管道是噴管還是擴(kuò)壓管不取決于

，而取決于

：A流體速度變化，形狀；B流體壓力變化，形狀；C流體速度與壓力變化，形狀；D管道形狀，流體速度與壓力變化2.為使入口為亞音速的蒸汽增速，應(yīng)采用

型噴管：A漸擴(kuò)或縮放；B