九章氣體和蒸汽的流動(dòng)課件

第九章氣體和蒸汽的流動(dòng)第九章氣體和蒸汽的流動(dòng)第一節(jié)一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的基本方程第二節(jié)定熵流動(dòng)的基本特性第三節(jié)噴管計(jì)算第四節(jié)背壓變化對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)的影響第五節(jié)具有摩擦的絕熱流動(dòng)第六節(jié)絕熱節(jié)流本章學(xué)習(xí)內(nèi)容1研究氣體流動(dòng)基本方程2

研究氣體在管內(nèi)流動(dòng)的基本特性氣流速度變化能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)參數(shù)變化的規(guī)律外界條件管道截面積的變化能量方程過(guò)程方程連續(xù)性方程3

噴管計(jì)算一穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流二連續(xù)性方程三絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程四定熵過(guò)程方程式五音速和馬赫數(shù)第一節(jié)一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的基本方程一穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流

開(kāi)口系統(tǒng)內(nèi)每一點(diǎn)的熱力學(xué)和力學(xué)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(穩(wěn)定流動(dòng))狀態(tài)不隨時(shí)間變化恒定的流量簡(jiǎn)化：管道內(nèi)垂直于軸向的任一截面上的參數(shù)都均勻一致，流體參數(shù)只沿軸向變化一維（一元）穩(wěn)定流動(dòng)：只沿軸向或流動(dòng)方向上流體參數(shù)發(fā)生變化的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流二連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）const

由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點(diǎn)適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過(guò)程截面面積氣流速度氣體比體積流道內(nèi)各截面處的質(zhì)量流量都相等三絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過(guò)程注：增速以降低本身焓值為代價(jià)

穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程：四定熵過(guò)程方程式=const

可逆絕熱過(guò)程方程式適用條件:(1)理想氣體(2)定比熱(3)可逆微分注意:變比熱時(shí)，k取過(guò)程范圍內(nèi)的平均值五音速和馬赫數(shù)微小擾動(dòng)在流體中的傳播速度壓力波的傳播過(guò)程可作定熵過(guò)程處理(1)音速定義式:定熵過(guò)程理想氣體只隨絕對(duì)溫度而變音速是狀態(tài)參數(shù)某狀態(tài)的音速稱(chēng)為當(dāng)?shù)匾羲?2)

馬赫數(shù)流速當(dāng)?shù)匾羲?/p>

定義式M>1

超音速M(fèi)=1

臨界音速M(fèi)<1亞音速312三檔流速第二節(jié)定熵流動(dòng)的基本特性、促使流速改變的力學(xué)條件條件：

氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系二、促使流速改變的幾何條件條件：管道截面變化的規(guī)律一促使流速改變的力學(xué)條件條件，氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系定熵過(guò)程：dh=vdpdc>0dp<0dc<0dp>0噴管中的流動(dòng)特性擴(kuò)壓管中的流動(dòng)特性穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程：dcf和dp的符號(hào)總是相反加速，壓力降低；減速，壓力升高應(yīng)用：如果要獲得高速氣流，必須應(yīng)用某種設(shè)計(jì)，使氣流膨脹，降低壓力：噴管如果要獲得高壓氣流，必須應(yīng)用某種設(shè)計(jì)，使氣流減速：擴(kuò)壓管力學(xué)條件二促使流速改變的幾何條件條件——輔助作用

管道截面變換規(guī)律噴管（dc>0）M<1，亞聲速流動(dòng)，df<0,氣流截面收縮M>1，超聲速流動(dòng)，df>0,氣流截面擴(kuò)張噴管的要求：亞音速流必須是漸縮噴管；超音速流必須是漸擴(kuò)噴管；從亞音速到超音速必須是漸縮漸擴(kuò)噴管（拉伐爾噴管），在喉部達(dá)到音速。df的正負(fù)取決比體積的增長(zhǎng)率dv/v及速度增長(zhǎng)率dc/c

的相對(duì)大小亞音速：超音速：df為負(fù)df為正噴管幾何條件的物理原因？管道截面變化氣流速度變化注:擴(kuò)壓管dc<0,故不同音速下的形狀與噴管相反M<1M>1M<1M>1df<0漸縮df>0漸擴(kuò)df<0df>0漸縮漸擴(kuò)M=1df=0臨界截面噴管dc>0噴管和擴(kuò)壓管流速變化與截面變化的關(guān)系流動(dòng)狀態(tài)管道種類(lèi)管道形狀M<1M>1dc>0dc<0噴管dp<012M<1漸縮漸擴(kuò)噴管M<1轉(zhuǎn)M>1漸縮漸擴(kuò)擴(kuò)壓管M>1轉(zhuǎn)M<112M>1M=1M<1M>1擴(kuò)壓管dp>012121212M=1cvapM=1M<1M>1臨界點(diǎn)漸縮漸擴(kuò)噴管，簡(jiǎn)稱(chēng)縮放噴管，也稱(chēng)拉伐爾噴管：喉部臨界參數(shù)當(dāng)?shù)匾羲匐S溫度降低而降低當(dāng)?shù)亓魉匐S壓力降低而升高截面變化與速度變化無(wú)直接關(guān)聯(lián)?。?！第三節(jié)噴管計(jì)算一定熵滯止參數(shù)二噴管出口速度三臨界壓力比及臨界流速四流量與臨界流量五水蒸汽流速及流量計(jì)算六噴管形式選擇及尺寸計(jì)算七小結(jié)將有一定速度的氣流在定熵條件下擴(kuò)壓，使其流速降低為零，這時(shí)氣體的參數(shù)稱(chēng)為定熵滯止參數(shù)。定熵流動(dòng)過(guò)程中，任一截面均相等滯止焓(J/kg)一定熵滯止參數(shù)對(duì)理想氣體（若cp為定值）下角標(biāo)為0的是定熵滯止參數(shù)下角標(biāo)為1的是進(jìn)口參數(shù)即用滯止參數(shù)計(jì)算一般c1比較小，可忽略時(shí)，精確計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮初速影響，二噴管出口速度忽略初速影響適用于任何工質(zhì)的絕熱穩(wěn)定流動(dòng)!(m/s)J/kgkJ/kg由絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程理想氣體水蒸汽：查h-s圖確定定比熱理想氣體、定熵過(guò)程：由上式知：僅受入口狀況和出口壓力影響。與出口截面積噴管出口流速大小無(wú)關(guān)，三臨界壓力比及臨界流速漸縮漸擴(kuò)噴管喉部M=1，喉部壓力為臨界壓力臨界壓力比臨界處音速注意與汽液轉(zhuǎn)換時(shí)的臨界壓力不是一個(gè)概念！臨界壓力進(jìn)口壓力理想氣體單原子氣體：雙原子氣體：多原子氣體：理想氣體臨界流速或：任何氣體可逆或不可逆過(guò)程四流量與臨界流量受最小截面控制，所以一般按最小截面計(jì)算流量各個(gè)截面的質(zhì)量流量相等因?yàn)閲姽艹隹诹魉儆闪W(xué)條件起決定作用，所以出口面積一定時(shí)，噴管出口流量由力學(xué)條件起決定作用，即壓力差決定！外界背壓決定！漸縮漸擴(kuò)管流量計(jì)算：正常工作時(shí)，只有等于最大流量12五水蒸汽流速及流量計(jì)算假設(shè)水蒸汽定熵過(guò)程也符合常數(shù)，但k不是比熱比，而是經(jīng)驗(yàn)值過(guò)熱蒸汽

（僅用于求解）干飽和蒸汽

對(duì)水蒸汽的計(jì)算，因?yàn)椴皇抢硐霘怏w，所以只能運(yùn)用連續(xù)方程或能量方程。出口流速：

臨界流速：

質(zhì)量流量：

最大流量：（漸縮）（漸縮漸擴(kuò)）六噴管形式選擇及尺寸計(jì)算1噴管形式選擇：按外界壓力來(lái)選擇?。?！因?yàn)榱W(xué)條件起決定作用（1)

當(dāng)

采用漸縮噴管。

（2）當(dāng)采用漸縮漸擴(kuò)噴管。

2噴管尺寸計(jì)算已知：流量m、進(jìn)口狀態(tài)、外界背壓計(jì)算噴管出口c2、v2f2=mv2/c2,

fmin=mvc/cc(縮放)噴管長(zhǎng)度：經(jīng)驗(yàn)公式第四節(jié)背壓變化對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)的影響噴管工作條件變化（變工況）將影響噴管內(nèi)的流動(dòng)本節(jié)假定入口條件相同，討論出口背壓變化的影響一、漸縮噴管二、漸縮漸擴(kuò)噴管一、漸縮噴管p0p2pbpd>pc當(dāng)pb升高到pd以上時(shí)：p2=pb

出口流量、流速降低設(shè)計(jì)工況則

P2=Pd當(dāng)pb降低到pd以下時(shí)：p2=pb

出口流量、流速增大（限pd>pc,以pc為極值）設(shè)計(jì)工況pd＝pc此時(shí)噴管的流量、流速為最大當(dāng)pb升高到pd以上時(shí)：出口流量、流速降低當(dāng)pb降低到pd以下時(shí)：則膨脹不足三種工況（與左側(cè)不對(duì)應(yīng)）設(shè)計(jì)背壓大于臨界壓力設(shè)計(jì)背壓等于臨界壓力二、漸縮漸擴(kuò)噴管pp0p2=pb出現(xiàn)膨脹不足，流量和流速保持不變。pb<pd膨脹不足p0p2pb設(shè)計(jì)工況當(dāng)pb降低到pd以下時(shí)：當(dāng)pb升高到pd以上時(shí)：氣體流動(dòng)受阻，壓力突然升高。突擊壓縮pb>pd漸縮噴管漸縮漸擴(kuò)噴管第五節(jié)具有摩擦的絕熱流動(dòng)有摩擦損失，即有熵增，定熵流動(dòng)，實(shí)際流動(dòng)122’p1p2TS（有摩擦的流動(dòng)焓降變?。┧俣认禂?shù)：（進(jìn)口參數(shù)相同，出口壓力相同）定義式實(shí)際出口速度定熵過(guò)程出口速度大致在0.94至0.98之間噴管效率：一般在0.9至0.95之間對(duì)理想氣體：噴管混合室擴(kuò)壓管高壓蒸汽低壓蒸汽中壓蒸汽蒸汽引射器示意圖定義：流體在管道中流過(guò)突然縮小的截面，壓力降低，且與外界沒(méi)有熱量交換的過(guò)程特點(diǎn)：絕熱節(jié)流過(guò)程前后的焓相等，但整個(gè)過(guò)程絕不是等焓過(guò)程。流體在通過(guò)縮孔時(shí)動(dòng)能增加，壓力下降并產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)和摩擦。擾動(dòng)和摩擦的不可逆性，導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程的不可逆性。在縮孔附近，流速，焓不可逆性：第六節(jié)絕熱節(jié)流節(jié)流前后壓力下降、熵增加。絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化(1)對(duì)理想氣體溫度不變壓力下降比容增加熵增加焓不變注:理想氣體的焓是溫度的單值函數(shù)（2）對(duì)水蒸汽：溫度下降焓不變壓力下降比容增加熵增加hsp1p212t1t2節(jié)流的溫度效應(yīng)：絕熱節(jié)流前后流體的溫度變化熱效應(yīng)：絕熱節(jié)流后溫度升高零效應(yīng)：絕熱節(jié)流后溫度不變冷效應(yīng)：絕熱節(jié)流后溫度降低溫度效應(yīng)與流體種類(lèi)、狀態(tài)及壓降大小有關(guān)絕熱節(jié)流溫度效應(yīng)可用絕熱節(jié)流系數(shù)（焦耳—湯姆遜系數(shù)）來(lái)表示：（反映與理想氣體偏差大?。?d（等焓線(xiàn)）2b2a1234P熱效應(yīng)區(qū)回轉(zhuǎn)曲線(xiàn)冷效應(yīng)區(qū)··2c···TTaTb絕熱前后的壓力總是降低的，所以時(shí)，熱效應(yīng)時(shí)，冷效應(yīng)時(shí)，零效應(yīng)缺點(diǎn)：熵增加，典型不可逆過(guò)程,工質(zhì)作功能力明顯降低絕熱節(jié)流優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行應(yīng)用廣泛：閥門(mén)、測(cè)量濕飽和蒸汽干度和測(cè)量流體流量，節(jié)流制冷設(shè)備！判斷：1．在管道內(nèi)定熵流動(dòng)過(guò)程中，各點(diǎn)的滯止參數(shù)都相同（）。2．空氣初態(tài)壓力3bar，出口壓力為1bar，則應(yīng)采用漸縮漸擴(kuò)型噴管，以獲得空氣在噴管中的充分膨脹（）。3.對(duì)一漸擴(kuò)形短管，當(dāng)進(jìn)口流速為超音速時(shí)，可做擴(kuò)壓管使用。（）4.絕熱節(jié)流前后其焓不變，所以溫度也不變。（）判斷：1．在管道內(nèi)定熵流動(dòng)過(guò)程中，各點(diǎn)的滯止參數(shù)都相同（）。2．空氣初態(tài)壓力3bar，出口壓力為1bar，則應(yīng)采用漸縮漸擴(kuò)型噴管，以獲得空氣在噴管中的充分膨脹（）。3.對(duì)一漸擴(kuò)形短管，當(dāng)進(jìn)口流速為超音速時(shí)，可做擴(kuò)壓管使用。（）4.絕熱節(jié)流前后其焓不變，所以溫度也不變。（）××√√選擇：1．理想氣體在噴管中定熵流動(dòng)時(shí)，其參數(shù)的變化規(guī)律是

（A）dc>0,dh=0,dp>0(B)dc>0,dh<0,dp<0（C）dc>0dh>0dp<0(D)dc>0,dh<0dp>02．理想氣體絕熱節(jié)流前后參數(shù)變化是

（A）ΔT<0Δp<0ΔS>0（B）ΔT=0Δp<0ΔS>0（C）ΔT=0Δp>0ΔS>0（D）ΔT=0Δp<0ΔS=0選擇：1．理想氣體在噴管中定熵流動(dòng)時(shí)，其參數(shù)的變化