第5章__氣體與蒸汽的流動(dòng)

1、第五章第五章 氣體與蒸汽的流動(dòng)氣體與蒸汽的流動(dòng)主要研究內(nèi)容：主要研究內(nèi)容：氣體和蒸汽在流動(dòng)過程中的能量傳氣體和蒸汽在流動(dòng)過程中的能量傳遞與轉(zhuǎn)換規(guī)律。遞與轉(zhuǎn)換規(guī)律。工程應(yīng)用舉例：工程應(yīng)用舉例：1、噴管、噴管（重點(diǎn)）（重點(diǎn)） 渦輪機(jī)械：高溫高壓氣體流經(jīng)噴管后流速升高，渦輪機(jī)械：高溫高壓氣體流經(jīng)噴管后流速升高，然后進(jìn)入渦輪機(jī)沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功；然后進(jìn)入渦輪機(jī)沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功； 噴氣式飛行器：利用尾部噴管高速氣流的反作用噴氣式飛行器：利用尾部噴管高速氣流的反作用力推進(jìn)飛行器；力推進(jìn)飛行器； 射流設(shè)備：消防設(shè)備、射流風(fēng)機(jī)等。射流設(shè)備：消防設(shè)備、射流風(fēng)機(jī)等。2、擴(kuò)壓管、擴(kuò)壓管 葉輪式壓氣機(jī)：

2、渦輪機(jī)流出的高速氣流經(jīng)擴(kuò)壓管葉輪式壓氣機(jī)：渦輪機(jī)流出的高速氣流經(jīng)擴(kuò)壓管將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能。將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能。 沖壓式噴氣推進(jìn)機(jī)：前方擴(kuò)壓管、尾部噴管（氣沖壓式噴氣推進(jìn)機(jī)：前方擴(kuò)壓管、尾部噴管（氣流經(jīng)擴(kuò)壓管進(jìn)入燃燒室，燃?xì)膺M(jìn)入尾部噴管）速度流經(jīng)擴(kuò)壓管進(jìn)入燃燒室，燃?xì)膺M(jìn)入尾部噴管）速度足夠高時(shí)不需燃料，但不能自行起飛。足夠高時(shí)不需燃料，但不能自行起飛。3、絕熱節(jié)流、絕熱節(jié)流 制冷裝置：節(jié)流閥制冷裝置：節(jié)流閥 管路中的減壓閥、調(diào)節(jié)閥或流道截面突然變化等管路中的減壓閥、調(diào)節(jié)閥或流道截面突然變化等情況。情況。重點(diǎn)研究內(nèi)容：研究氣體在噴管中的流動(dòng)規(guī)律。重點(diǎn)研究內(nèi)容：研究氣體在噴管中的流動(dòng)規(guī)律。兩種常用噴管的

3、形狀：兩種常用噴管的形狀：一、一、 連續(xù)性方程（對(duì)流道中任意截面）連續(xù)性方程（對(duì)流道中任意截面）簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型: 一維、定熵一維、定熵(可逆、絕熱可逆、絕熱)、穩(wěn)定流動(dòng)、穩(wěn)定流動(dòng)（1）constvcAqm51 一維穩(wěn)定流動(dòng)基本方程一維穩(wěn)定流動(dòng)基本方程二、二、(定熵定熵) )過程方程過程方程pvconst微分整理微分整理, 得得:（2）對(duì)液體：對(duì)液體：dv = 0，其噴管只能是漸縮噴管，其噴管只能是漸縮噴管，c當(dāng)?shù)匾羲佼?dāng)?shù)匾羲僮ⅲ豪硐霘怏w注：理想氣體為絕熱指數(shù)（為絕熱指數(shù)（cp/cV）, 蒸氣蒸氣為經(jīng)驗(yàn)值為經(jīng)驗(yàn)值vdvpdpcdcvdvAdA微分得微分得:三、穩(wěn)流能量方程三、穩(wěn)流能量方程簡(jiǎn)化條

4、件：簡(jiǎn)化條件：gz = 0；ws0；（；（wt= -h00）將簡(jiǎn)化條件代入式（將簡(jiǎn)化條件代入式（3 3）得：）得： q = 0swzgchq221（普遍適用）（普遍適用）（3） 2 1 dphq（可逆）（可逆） （4） twhc221（5） (任意工質(zhì)和過程任意工質(zhì)和過程)由（由（5 5）式還可推得在噴管任意截面處，有：）式還可推得在噴管任意截面處，有： 動(dòng)能的增量動(dòng)能的增量 = 焓降焓降=技術(shù)功技術(shù)功constTchhchcp*2221212121h* 為氣體絕熱滯止時(shí)的焓，滯止時(shí)的溫度和壓力用為氣體絕熱滯止時(shí)的焓，滯止時(shí)的溫度和壓力用 T* 和和 p* 表示。表示。T* 和和 p*的計(jì)算式

5、見的計(jì)算式見 75 式（式（5.24）和（）和（5.25）理想氣體實(shí)際滯止與定熵滯止溫度相同（焓相同），理想氣體實(shí)際滯止與定熵滯止溫度相同（焓相同），但壓力小于定熵滯止壓力（有熵產(chǎn)）。但壓力小于定熵滯止壓力（有熵產(chǎn)）。滯止過程（滯止過程（c0、T、p）：）：cT，p, ,式（式（5 5）的微分表達(dá)式）的微分表達(dá)式為為：由由( (6）得：）得：p c（噴管噴管），反之），反之 p c（擴(kuò)壓管擴(kuò)壓管）)6(22vdpcd（思考：式（思考：式（6）的使用條件）的使用條件）因因 過程為過程為s（能量轉(zhuǎn)換）（能量轉(zhuǎn)換）2cvdpcdc理想氣體的音速：理想氣體的音速：1. 當(dāng)?shù)禺?dāng)?shù)匾羲伲阂羲伲?流體處于某

6、一狀態(tài)下的音速。流體處于某一狀態(tài)下的音速。四、音速方程四、音速方程TRpvcga 馬赫數(shù)馬赫數(shù) Ma=c /ca氣體音速氣體音速 ca (a) ：pvca不同截面不同截面(狀態(tài)狀態(tài))ca不同不同.Ma 1：超音速；：超音速；Ma1：音速；：音速；Ma 0，根據(jù)截面方程，根據(jù)截面方程在在 Ma 1 區(qū)間，區(qū)間，dA 1 區(qū)間（較少），區(qū)間（較少），dA 0；擴(kuò)壓管與噴管正好相反。擴(kuò)壓管與噴管正好相反。 在在 Ma1 處，處，dA0，即在，即在 cc ca 處，處，dA0。液體例外：噴管漸縮；擴(kuò)壓管漸擴(kuò)。液體例外：噴管漸縮；擴(kuò)壓管漸擴(kuò)。cdcMaAdA) 1(2一、出口流速一、出口流速53 3 噴

7、管中流速及流量的計(jì)算噴管中流速及流量的計(jì)算（以上公式使用條件：任意工質(zhì)、任意過程）（以上公式使用條件：任意工質(zhì)、任意過程）212122)(21hhcc21212)(2chhc通常通常c1 c2，當(dāng)，當(dāng)c1 50 m/s 時(shí)時(shí), c1可忽略不計(jì)可忽略不計(jì), 則則 m/s)(2212hhcc2 與工質(zhì)性質(zhì)、進(jìn)口處的狀態(tài)參數(shù)及壓力比有關(guān)。與工質(zhì)性質(zhì)、進(jìn)口處的狀態(tài)參數(shù)及壓力比有關(guān)。 對(duì)于水蒸氣，可查水蒸氣表或圖得對(duì)于水蒸氣，可查水蒸氣表或圖得 h1、h2。 在定熵條件下，若工質(zhì)為理想氣體，可進(jìn)一步化為在定熵條件下，若工質(zhì)為理想氣體，可進(jìn)一步化為2122()pcc TT對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體21212

8、112()121 ()1ggcR TTpR Tp二、二、 臨界流速、臨界壓力比臨界流速、臨界壓力比1. 定義：定義：臨界壓力比：臨界壓力比：1crcrpp（當(dāng)（當(dāng) c1 較大時(shí)，較大時(shí)，*,crcrppp滯止壓力。）滯止壓力。）或crcr,(當(dāng)當(dāng) c1 50 m/s 時(shí)，不能忽略時(shí)，不能忽略 c1 的影響，此時(shí)的影響，此時(shí)前面計(jì)算流速公式中前面計(jì)算流速公式中用用 h0 代替代替 h1 。 臨界流速：臨界流速： ccr= ca （當(dāng)?shù)匾羲伲ó?dāng)?shù)匾羲伲?由由111111211crcrgcragcrgcrapcR TppcR TR Tpcc1112121crcrcrgppcR T可推得可推得2.

9、臨界壓力比臨界壓力比的取值的取值（僅取決于氣體的熱力性質(zhì)）（僅取決于氣體的熱力性質(zhì)）單原子氣：?jiǎn)卧託猓?.67，= 0.487雙原子氣：雙原子氣：=1.4，= 0.528多原子氣：多原子氣：=1.3，= 0.546對(duì)于蒸汽，對(duì)于蒸汽，僅是一經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有僅是一經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有過熱蒸氣：過熱蒸氣：=1.3 ，= 0.546 ；干飽和蒸氣：干飽和蒸氣：=1.135 ，= 0.577 ；濕蒸氣：濕蒸氣：=1.035 + 0.1x理想氣體：理想氣體：在噴管設(shè)計(jì)中，在噴管設(shè)計(jì)中，是選擇噴管外形的重是選擇噴管外形的重要依據(jù)。要依據(jù)。時(shí)，選漸縮形噴管；時(shí)，選漸縮形噴管；1ppb三、三、 噴管的選型原則噴管的選型

10、原則（氣體）（氣體）節(jié)能：節(jié)能：噴管的噴管的設(shè)計(jì)工況：設(shè)計(jì)工況：bpp 2設(shè)設(shè) c1 ca 時(shí)，時(shí)，式中式中 pb噴管出口處外界壓力（背壓）噴管出口處外界壓力（背壓） p2出口截面上壓力。出口截面上壓力。時(shí)，選縮放形噴管。時(shí)，選縮放形噴管。1ppb四、四、 流量流量 的計(jì)算的計(jì)算對(duì)漸縮噴管對(duì)漸縮噴管, 將將 c2、v2 (理想氣體理想氣體)計(jì)算式代入得計(jì)算式代入得:（縮放噴管）或crcrcrmvcAq （漸縮噴管）222vcAvAcqm 結(jié)論：采用漸縮形噴管只能獲得亞音速和音速氣結(jié)論：采用漸縮形噴管只能獲得亞音速和音速氣流，要想獲得超音速氣流，必須采用縮放形噴管。流，要想獲得超音速氣流，必須采

11、用縮放形噴管。kg/s12112212112pppppAqm流量隨壓比的變化曲線見流量隨壓比的變化曲線見P.75 圖圖5-5當(dāng)當(dāng)最大流量最大流量以壓比為自變量求極值，求得：以壓比為自變量求極值，求得：11212pp11122max, 12 12pAqmcrcrmcAq2max,或或分析：分析：對(duì)漸縮噴管對(duì)漸縮噴管 當(dāng)當(dāng) pbpcr 時(shí)時(shí): :上述兩種情況上述兩種情況, 無論無論 pb 如何降低如何降低, 流速和流量均不再流速和流量均不再變化。變化。當(dāng)當(dāng) pbpcr 時(shí)時(shí): max,22,mmacrbqqcccppmax,22,mmacrcrbqqcccpppmax,22,mmacrbcrqqc

12、ccpppcrbpp 當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí):對(duì)縮放噴管對(duì)縮放噴管max,2,mmbqqpp質(zhì)量流量與壓比的關(guān)系見質(zhì)量流量與壓比的關(guān)系見P.75 圖圖5-5其中右邊拋物線實(shí)線段是漸縮噴管的流量變化規(guī)其中右邊拋物線實(shí)線段是漸縮噴管的流量變化規(guī)律律, 左邊水平實(shí)線段是縮放噴管的流量左邊水平實(shí)線段是縮放噴管的流量, 恒等于最恒等于最大流量。大流量。此時(shí)，此時(shí)，pb 降低降低, 流速和流量均增大。流速和流量均增大。五、蒸氣的流動(dòng)特點(diǎn)（小結(jié)）五、蒸氣的流動(dòng)特點(diǎn)（小結(jié)）1、過程方程中、過程方程中值不同，值不同，為經(jīng)驗(yàn)值，不具有為經(jīng)驗(yàn)值，不具有比熱比的含義比熱比的含義；2、臨界壓力比計(jì)算公式同理想氣體，只需代、臨界壓力比計(jì)算公式同理想氣體，只需代入入蒸汽的蒸汽的值即可；值即可； 3、能量方程（計(jì)算流速）中、能量方程（計(jì)算流速）中h值應(yīng)查蒸氣表值應(yīng)查蒸氣表或圖?；驁D。二、二、 能量方程能量方程節(jié)流前后焓相等。節(jié)流前后焓相等。54 4 絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流一、絕熱節(jié)流現(xiàn)象一、絕熱節(jié)流現(xiàn)象swzgchq2212s1q 0,c0,