流體流量與流速分析與計算

1、本節(jié)概要本節(jié)討論噴管內(nèi)流量、流速的計算.工程上通常依據(jù)工質(zhì)初態(tài)參數(shù)和背壓,即噴管出口截面處的工作壓力,并在給定的流量等條件下進行噴管設(shè)計計算,以選擇噴管的外形及確定其幾何尺寸；有時也需就已有的噴管進行校核計算,此時噴管的外形和尺寸已定,須計算在不同條件下噴管的出口流速及流量.在噴管的計算中要注意到背壓對確定噴管出口截面上壓力的作用.本節(jié)內(nèi)容4.8.1 流速計算及其分析4.8.2 臨界壓力比4.8.3 流量計算及分析4.8.4 例題本節(jié)習(xí)題4-24、4-25、4-26、4-27、4-29下一節(jié)流速計算及其分析1.噴管出口截面的流速計算2.壓力比對流速的影響噴管出口截面的流速計算據(jù)能量方程,氣體在

2、噴管中絕熱流動時任一截面上的流速可由下式計算:(4-28)因此,出口截面上流速:(4-28a)(4-28b)在入口速度較小時,上式中可忽略不計,于是:(4-28c)(4-28)各式說明,氣流的出口流速取決于氣流在噴管中的絕熱始降.值得注意的是,上述各式中始的單位是J/kg.如果理想氣體可逆絕熱流經(jīng)噴管,可據(jù)初態(tài)參數(shù)(pi,Ti)及速度求取滯止參數(shù),然后結(jié)合出口截面參數(shù)如p2按可逆絕熱過程方程式求出T2從而計算h2再求得；對水蒸汽可逆絕熱流經(jīng)噴管,可以利用h-s圖,根據(jù)進口蒸汽的狀態(tài)查得初態(tài)點1,通過點1作垂線與噴管出口截面上壓力p2相交,得出狀態(tài)點2,從點1和2可查出hi和h2,代入式(4-2

3、8)即可求出出口流速.式的適用范圍是什么是否與過程的可逆與否有關(guān)與工質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)?返回壓力比對流速的影響為了分析截面上壓力對流速的影響,假定噴管的幾何形狀滿足流速變化的幾何條件,氣體為理想氣體,并取定值比熱容.分析得出的結(jié)論可定性地應(yīng)用于水蒸汽等實際氣體.據(jù)男(4-28a):2慮K-(4-29a)(4-29b)從式(4-29a)及式(4-29b)中可以看出,出口流速的大小,決定于氣體的滯止狀態(tài)參數(shù)及出口截面壓力與滯止壓力之比.由于滯止參數(shù)決定于噴管進口截面參數(shù),所以出口流速的大小,也就決定于氣體進口截面的參數(shù)及出口截面壓力與進口截面壓力之比.當噴管進口截面參數(shù)一定時,流速隨出口截面壓力與滯止壓

4、力之比而變,其變化趨勢如圖4-19所示.當時,=0,說明兩側(cè)壓力平衡,如初速為零,那么根本不會產(chǎn)生流動,=0;當逐漸減小時,逐漸增大；當出口截面壓力為零時,流速趨向最大值：因?qū)嶋H流動存在摩擦,而且即使不考慮摩擦,p趨向于零時,v將趨向于無窮大,而出口截面積不可能到達無窮大,所以噴管的實際速度不可能到達這一速度.實際的噴管中有可能到達此速度嗎?圖4-19噴管內(nèi)流速與壓力比的關(guān)系返回上一節(jié)下一節(jié)臨界壓力比將式(4-29b)用于噴管臨界截面,如縮放噴管的喉部截面,此時因所以式(4-29b)可改寫為:所以考慮到并令,稱為臨界壓力比,那么上式可寫為:(4-30)(4-31)從式(4-30)和式(4-31

5、)可以看出,臨界壓力比只取決于氣體的性質(zhì)(絕熱指數(shù)),而臨界壓力那么與氣體的性質(zhì)及其滯止壓力有關(guān).對于雙原子理想氣體,假設(shè)比熱容取定值,那么,.在噴管分析中,對于初態(tài)為過熱水蒸汽值可取1.3,;飽和蒸汽,值可取1.135,.收縮噴管假設(shè)其出口截面上到達音速,出口截面壓力與滯止壓力的比值也是臨界壓力比?流量計算及分析1.噴管流量的計算式2.噴管流量分析3.背壓與流量及出口壓力的關(guān)系噴管流量的計算式根據(jù)氣體穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程,氣體通過噴管任何截面的質(zhì)量流量都是相同的.因此,無論按哪一個截面計算流量,所得的結(jié)果都應(yīng)該一樣.但是各種形式噴管的流量大小都受其最小截面制約,所以常常按最小截面(即收縮噴管

6、的出口截面,縮放噴管的喉部截面)來計算流量,即(4-32)式中,A2、Acr分別為收縮噴管出口截面積和縮放噴管喉部截面積,m2；、分別為收縮噴管出口截面上速度和縮放噴管喉部截面上速度,m/s；V2、vcr分別為收縮噴管出口截面上氣體的比體積和縮放噴管喉部截面上氣體的比體積,.返回噴管流量分析如同流速分析時一樣,把工質(zhì)作為理想氣體,且比熱容取定值將式(4-29b)及代入式(4-32),得：=A?2化簡后可得理想氣體流經(jīng)噴管的流量公式:(4-33)式(4-33)說明：氣體的流量與噴管的出口截面積、氣體的滯止參數(shù)及出口截面上的壓力p2有關(guān).當出口截面積A2及初參數(shù)一定時,流量決定于噴管出口截面壓力與

7、滯止壓力之比.據(jù)式(4-33),求,令之為零,可求得時,噴管流量達最大值,且圖4-20是根據(jù)式4-33,以流量為縱坐標,以壓力比為橫坐標而繪制的.曲線的ab段適合于收縮噴管,流量隨噴管出口截面的壓力降低而增加,當時流量達最大值.曲線的bc段適合于縮放噴管,雖然噴管出口截面的壓繼續(xù)降低,但由于縮放噴管的喉部截面保持臨界狀態(tài),故流量保持不變.圖中b0段是依式4-33的解析解繪制的,正常工作圖4-20噴管流量與壓力比的關(guān)系氣體作等嫡流量的噴管不會出現(xiàn)這種情況.當噴管出口截面外壓力即背壓低于臨界壓力時,收縮噴管出口截面的壓不會降低到低于臨界壓力,流量也不再變化,等于出口截面的壓力為時的流量.根據(jù)氣體穩(wěn)

8、定流動的連續(xù)性方程,氣體通過噴管任何截面的質(zhì)量流量都是相同的.為什么噴管的流量還隨而變化?返回背壓與流量及出口壓力的關(guān)系對于在收縮噴管內(nèi)作可逆等嫡流動的氣體而言,當噴管的背壓時,噴管出口截面的壓力只能因此噴管的質(zhì)流量不會繼續(xù)上升.而到達背壓,即；當噴管的背壓時,由于受噴管內(nèi)氣體流速改變的幾何條件的制約,噴管出口截面的壓力只能到達,所以氣體不能在噴管內(nèi)膨脹到,即對于縮放噴管,在設(shè)計工況下,噴管出口截面的壓力可以到達背壓,即,但是在喉部截面上,氣流到達臨界,壓力等于臨界壓力,流速等于當?shù)匾羲?流量受喉部截面制約.當背壓比設(shè)計背壓下降時,因噴管不能提供足夠大的截面積,故氣體在噴管內(nèi)膨脹缺乏,氣體在離

9、開噴管后自由膨脹,其流量保持與喉部截面相等而保持不變.當背壓比設(shè)計背壓高時,氣體在噴管內(nèi)過度膨脹,然后在噴管內(nèi)某截面上產(chǎn)生激波,使壓力上升到高于背壓而排出.激波產(chǎn)生截面隨背壓升高向喉部截面推進,只要背壓仍低于臨界壓力,那么喉部截面仍可保持臨界狀態(tài),流量維持不變.如果縮放噴管工作時背壓比設(shè)計背壓低或高,將會發(fā)生什么現(xiàn)象例題1.例4-92,【例4-10【例4-9壓力為3MPa,溫度為500C的蒸汽以=150m/s的速度流入縮放噴管,在管內(nèi)作等嫡膨脹.噴管出口截面上蒸汽壓力=0.1MPa,噴管喉部截面積,假設(shè)蒸汽的值可取1.3,求：1喉部截面蒸汽壓力；2噴管的質(zhì)流量；3噴管出口截面積及出口截面上的流

10、速.解：1據(jù)p1=3MPa,t1=500C,在h-s圖上確定點1,得h1=3457kJ/kg由于流速=150m/s,較大,故先求滯止參數(shù)：由*=於十里n弘了3七花?十.50修/昌2r口f=3468.3W/gu-2在h-s圖上通過點1,垂直向上截取,得滯止點0,查得=3.1MPa.將代入式(4-30)得u夕.546那么(2) 從點1向下作垂線,交p=1.69MPa于點c,得=3282kJ/kg,=0.185m3/kg0在喉部截面處,氣流到達臨界,所以=*(34683282以用xlQ2=610AmM4c仇r_3.5xl0/n3x6W.4m/sf0.185?n3!kg(3) 從過點1的垂線與p=p2

11、=0.1MPa的等壓線的交點2,得h2=2628kJ/kg,v2=1.65m/kg于是=2*(34683hZ/-2628fc/kJxlO3=1296.4那/s竺=L155艙/SXL65川/姐=r47xl0.cf21296.4*返回【例4-10壓力p1=0.4MPa及溫度t1=20C的空氣,經(jīng)由出口截面內(nèi)徑為10mm的收縮噴管沉著積很大的儲氣罐流向外界.假設(shè)外界壓力pb=0.1MPa,求空氣的質(zhì)量流量及出口截面上空氣的溫度.解：因空氣出儲氣罐內(nèi)流入管道的流速不大,故儲氣罐壓力P1即可作為滯止壓力,同時由于儲氣罐容積很大,在一段時間內(nèi)壓力可維持穩(wěn)定,所以=U=0.528X0.4MPa=0.211M

12、Pa>=0.1MPa由于管道無漸擴局部,故管道出口截面上壓力只能到達臨界壓力,即=0.211Mpa出口截面上空氣的溫度、上1.4-1(PJ(6211郎o'TT二三293Kx三244KpJ(0.4MPa；出口截面上空氣的比體積工87磔,K)x244二0.211x105.0.0326m*1kg出口截面上空氣的流速=J2乂1.05J/(坨.Qk(293M244幻-303.8m/5噴管質(zhì)量流量3,14x0.0Jm上x313.8m/s4x0,0326酬)檐=0.076枳/s4.9絕熱節(jié)流4.9.1 絕熱節(jié)流的特征4.9.24.9.3節(jié)流過程的焦爾-湯姆遜系數(shù)例題本節(jié)概要本節(jié)討論絕熱節(jié)流現(xiàn)象

13、中工質(zhì)參數(shù)的變化特征及能量關(guān)系,需要指出的是絕熱節(jié)流并不是可逆等始過程,實際氣體節(jié)流前后溫度的變化取決于焦爾-湯姆遜系數(shù).本節(jié)內(nèi)容4.9.1 絕熱節(jié)流的特征4.9.2 節(jié)流過程的焦爾-湯姆遜系數(shù)4.9.3 例題絕熱節(jié)流的特征氣體或蒸汽在管道中流動時,由于遇到忽然縮小的狹窄通道,如閥門、孔板等,而使流體壓力顯著下降的現(xiàn)象,稱為節(jié)流.如果流體在節(jié)流時,與外界沒有熱量交換,那么稱為絕熱節(jié)流.熱力工程上常遇到的節(jié)流現(xiàn)象,根本上都可以認為是絕熱節(jié)流.圖4-21為氣體流經(jīng)孔板時絕熱節(jié)流的情況.工六一n流在管道中遇到流道截面忽然縮小,產(chǎn)生強烈的擾.一.二三；動,在突縮截面前、后產(chǎn)生渦流耗散效應(yīng),壓力下降.當

14、流經(jīng)縮孔一段距離后,在截面22處氣流1丁、TH：企又恢復(fù)平衡.節(jié)流前后壓降的程度,即-的大小,取決于突縮截面的大小,截面縮孔愈小,壓力降就圖4-21節(jié)流現(xiàn)象愈大.節(jié)流過程中,工質(zhì)與外界沒有熱量交換,也不對外作機械功,如取圖4-21中11及22截面間管道作系統(tǒng),那么根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程式有：由于截面11和截面22上的流速和一股相差不大,故式中動能差可忽略不計,于是得:上式說明,氣體或蒸汽絕熱節(jié)流前和節(jié)流后的始值相等.說明節(jié)流過程是可逆等始過程?節(jié)流過程的焦爾-湯姆遜系數(shù)氣體絕熱節(jié)流重新到達平衡后,始值不變,壓力下降,嫡增大,節(jié)流過程中的溫度變化取決于焦爾湯姆遜系數(shù)：(4-34)由于節(jié)流壓力下降,

15、故壓力變化是負值,所以實際氣體節(jié)流后溫度如何變化取決于的正負,依其狀態(tài)方程的具體形式和節(jié)流前氣體的狀態(tài)而定：倘假設(shè),節(jié)流后溫度降低,即;(2)倘假設(shè),節(jié)流后溫度升高,即;(3)倘假設(shè),節(jié)流后溫度不變,即.節(jié)流后的其它狀態(tài)參數(shù)可依據(jù)及T2求得.對于水蒸汽,在通常情況下,絕熱節(jié)流后,溫度總是有所降低.濕蒸汽節(jié)流后大多數(shù)情況下干度有所增加；而過熱蒸汽節(jié)流后過熱度增大.水蒸汽的絕熱節(jié)流過程,利用h-s圖進行計算非常方便.如節(jié)流前的狀態(tài)p1、圖4-22丁1及節(jié)流后的壓力,根據(jù)節(jié)流前后始值相等的特點,可在水蒸汽的h-S圖上確定節(jié)流后水蒸節(jié)的各狀態(tài)參數(shù).圖4-22所示是過熱蒸汽的節(jié)流.點1的參數(shù)是、乙及八尸在h-s圖上過點1按定始畫水平線與相交得1',即可得終態(tài)各參數(shù).由圖可見,但節(jié)流后蒸汽的過熱度增大.由圖4-22還可清楚看出,水蒸汽在節(jié)流前由點1經(jīng)可逆絕熱膨脹至某一壓力P2時,可利用的始降為,而經(jīng)節(jié)流后的水蒸汽,同樣經(jīng)可逆絕熱膨脹至壓力p2時,可利用的始降為,顯然.可見,節(jié)流以后蒸汽可作出功減少了,所減少的局部用Ah表示,稱為節(jié)流損失.節(jié)流現(xiàn)象廣泛應(yīng)用在工程上,例如通過閥門開啟的大小來調(diào)節(jié)流量,到達調(diào)節(jié)功率的目的,利用節(jié)流閥降低工質(zhì)的壓力,以及用節(jié)流原理測量工質(zhì)的流量或蒸汽的干度等.理想氣體節(jié)流后溫度