工程熱力學第7章-氣體與蒸汽的流動課件

第七章氣體與蒸汽的流動

FlowofGasandVapor

帶著問題學習本章研究什么樣的流動問題？研究依據的理論是什么？研究的方法是什么？最終要解決什么問題？工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動直管節(jié)流閥風洞2工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

對研究的問題進行簡化

1.一維穩(wěn)定流動；

2.流動過程是絕熱的；

3.先將流動過程簡化為可逆過程，再考慮不可逆因素的影響；

4.流動工質為氣體,常簡化為理想氣體。

研究流體在變截面短管中的一維絕熱穩(wěn)定流動本章內容聯(lián)系的工程實際問題：管道內的流動—噴管、擴壓管、節(jié)流閥等。歸結為：工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動例如：直管，二維簡化為一維12一般沿垂直流動方向的截面上也有變化，如溫度、流速。為簡單起見，取截面上的平均值作為該截面上任何點的參數(shù)，則流動也可看作是一元流動。如圖：4工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

7-1

一維穩(wěn)定流動的基本方程

1.連續(xù)性方程(質量守恒)

穩(wěn)定流動任一截面上的質量流量為定值工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動適用于任何工質可逆和不可逆過程

反映了流體截面積、流速和比體積之間的關系。微分形式工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動絕熱穩(wěn)定流動2.能量方程000工質流速的增加來自于焓值的減少工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

任一截面上流體的焓與動能之和保持常量。適用于任何工質可逆和不可逆過程微分得工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

h0

稱為總焓或滯止焓。

氣流在絕熱流動過程中，受到阻礙使流速降為0的過程稱為絕熱滯止過程，相應的狀態(tài)參數(shù)稱為滯止參數(shù)。

滯止參數(shù):對于理想氣體，定比熱，定熵滯止，有工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動滯止狀態(tài)在工程上有現(xiàn)實意義

如：鈍體表面迎風面上的駐點，

載人飛船返回艙的迎風面上承受很高的溫度

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動3.過程方程式可逆絕熱過程方程式適用條件:(1)理想氣體(2)定比熱(3)可逆過程微分變比熱時κ取過程范圍內的平均值對于水蒸氣也可以近似采用，κ取經驗值。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動4.聲速與馬赫數(shù)微小擾動在連續(xù)截介質中的傳播速度1)聲速聲速方程:在氣體中的過程可近似看作定熵過程工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動取決于氣體的性質和溫度理想氣體的聲速聲速是狀態(tài)參數(shù)，稱當?shù)芈曀佟?/p>

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

馬赫數(shù)定義為某處氣體流速與當?shù)芈曀俚谋戎?/p>

亞聲速流動

聲速流動

超聲速流動2)馬赫數(shù)工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動7-2促使流速改變的條件

一、力學條件

由能量方程

壓力的變化與流速的變化符號相反

流速增加，壓力必下降；而流速減小，壓力升高

噴管擴壓管工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動二、幾何條件氣體流速變化與截面積變化之間的關系推導由得到及工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

氣流截面積的變化與流速的變化有關，還與馬赫數(shù)有關。再結合連續(xù)性方程得：工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動在壓差條件滿足的情況下，分析dcf>0

（噴管）時截面的變化規(guī)律工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮漸擴噴管—拉伐爾噴管(Lavalnozzle)

。

為最小截面，也稱喉部截面，截面上Ma=1、cf=c，稱臨界截面工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動亞聲速氣流流經漸縮噴管，流速可以不斷提高，最高在出口截面達到聲速。超聲速氣流要加速必須流經漸擴噴管。若使亞聲速氣流流速不斷提高最終達到超聲速則必須采用拉伐爾噴管，也叫縮放噴管。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動縮放噴管最小截面（喉部截面)處流速等于聲速，即馬赫數(shù)等于1，這個截面稱為臨界截面，該截面相應的參數(shù)為臨界參數(shù)。

臨界參數(shù)：工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

在漸縮噴管中，氣體流速最大只能達到聲速，而且只可能在出口截面達到，這時的出口截面為臨界截面，流速等于聲速，壓力等于臨界壓力。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動7-3噴管的計算采用滯止參數(shù)，任何初速度不為零的流動可等效成從滯止狀態(tài)開始的流動，使入口條件簡化。初速度較小時，入口截面近似處理成滯止截面。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動1.流速的計算

任一截面上的流速

出口截面工質的流速理想氣體、定值比熱、可逆流動有：取決于初態(tài)參數(shù)和壓力比。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動臨界壓力比

臨界截面上臨界壓力比只與氣體的性質有關臨界流速臨界壓力比寫為工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動臨界壓力比非常重要，它是噴管選型的依據。常見工質的臨界壓力比νcr

雙原子理想氣體：νcr＝0.528

多原子理想氣體：νcr=0.546

過熱水蒸汽：νcr＝0.546

飽和水蒸汽：νcr=0.577經驗值工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

2.流量的計算在一維穩(wěn)定流動中，任何一個截面上的質量流量均相同。常以流道的最小截面計算流量。

漸縮噴管以出口截面計算流量，計算公式為：工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動將計算式及代入得到工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動qm,max工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

當漸縮噴管出口截面的壓力等于臨界壓力時，流量取得最大流量，為

對于縮放型噴管，喉部截面為臨界截面，應有：工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動3.噴管的計算

噴管的計算包括設計計算和校核計算（1）噴管的設計計算

已知：氣流的初參數(shù)（p1，t1，cf1），流量qm，背壓pb。

任務：選擇噴管的形狀，并計算噴管的尺寸。

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

噴管設計計算步驟：

①求滯止參數(shù)②選型原則：

計算出與νcr(＝)進行比較：

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動時采用漸縮噴管時采用縮放噴管工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

③確定(臨界截面和)出口截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)④求(臨界流速和)出口截面流速⑤求面積對于漸縮噴管，求出口截面積A2；對于縮放噴管，求喉部截面積Amin，出口截面積A2及漸擴段的長度。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動（2）噴管的校核計算

已知：噴管的形狀和尺寸，工作條件即初參數(shù)和背壓。

任務：確定出口流速和通過噴管的流量。

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

噴管校核計算步驟：

①求出滯止參數(shù)；②確定噴管出口截面上的壓力，

這是與設計計算不同的一步。

對于漸縮噴管：

若>νcr

則若≤νcr

則=νcrp0

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動③求臨界截面和出口截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)④求臨界流速和出口截面流速⑤求通過噴管的流量,可用臨界截面參數(shù)求，也可用出口截面參數(shù)來求。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動例題1

已知空氣流經噴管，初態(tài)參數(shù)：

背壓，質量流量

，試設計噴管。

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動解題思路：1.據初速度計算滯止參數(shù);2.將給定的壓力比與臨界壓力比進行比較,確定噴管的形狀;3.確定出口截面壓力;4.計算出口流速、臨界流速；5.計算截面積等尺寸。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動例題2壓力，溫度的蒸汽，經拉伐爾噴管流入壓力為的大空間中，若噴管出口截面積A2=200mm2，試求：臨界速度、出口速度、噴管質量流量及喉部截面積。

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動例題

初態(tài)的水蒸氣以初速度可逆絕熱流經噴管，進入的空間。當蒸汽的流量為3000kg/h，試確定噴管的形狀和尺寸。

流體為蒸氣，應查h-s圖進行計算。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動7-4背壓變化時噴管內的流動過程漸縮噴管工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動縮放噴管工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動7-5有摩阻的絕熱流動

實際上，噴管內氣體的流動存在摩擦阻力，過程是不可逆的絕熱流動。在壓降相同的情況下，有摩阻的流動與定熵流動相比，噴管出口處氣體的熵增大，出口溫度和焓提高，出口流速減小。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動能量方程出口流速工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動噴管速度系數(shù)噴管效率一般在0.92~0.98工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動7-6絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流的概念

氣體在管道中流過閥門、孔板等突然縮小的截面，且與外界沒有熱量交換的過程。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

氣流在絕熱節(jié)流過程前后的焓相等，但不是等焓過程。因為在縮孔附近，由于流速增加，焓是下降的，流體在通過縮孔時動能增加，壓力下降并產生強烈擾動和摩擦。擾動和摩擦的不可逆性，使節(jié)流后的壓力不能回復到與節(jié)流前相同。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動節(jié)流過程是典型的不可逆過程。節(jié)流前后參數(shù)的變化情況：

溫度變化：理想氣體節(jié)流前后溫度不變，實際氣體節(jié)流后溫度可以升高，可以降低，也可以不變，取決于節(jié)流前氣體所處的狀態(tài)及壓降。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動用焦耳—湯姆遜系數(shù)表示節(jié)流過程溫度隨壓力變化的關系反映節(jié)流的溫度效應。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動根據焓的一般關系式工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動<0>0=0產生熱效應產生冷效應產生零效應工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動節(jié)流在工程上的應用:

1.利用節(jié)流的溫度效應，工質節(jié)流后降溫制冷。2.利用節(jié)流來測量流體的流量。3.利用節(jié)流調節(jié)功率。4.在物性研究中，絕熱節(jié)流也有很大的應用價值，如可根據實驗測得的值求取狀態(tài)方程。工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動本章總結：掌握氣體在噴管中的流動特性和規(guī)律；重點掌握噴管計算的方法、步驟；注意理解漸縮噴管和縮放噴管的流量qm、出口截面處的壓力p2、流速cf2的取值情況；掌握對有摩阻的絕熱流動的處理方法及計算；絕熱節(jié)流的概念和參數(shù)變化,作功能力損失計算。

工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動

空氣進入噴管時流速為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。已知：空氣cp=1004J/(kg·K)，Rg=287J/(kg·K)解：滯止過程絕熱由于cf1=300m/s，所以應采用滯止參數(shù)工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動所以采用縮放噴管注意：若不考慮

cf1，則

pcr=

crp1=0.528

0.5MPa=0.264MPa<pb

應采用收縮噴管，p2=pb=0.28MPa工程熱力學第7章_氣體與蒸汽的流動或