8章-氣體和蒸汽的流動解析課件

第7章氣體和蒸汽的流動第一節(jié)噴管和擴壓管的截面變化規(guī)律第二節(jié)氣體和蒸汽在噴管中的流速和質量流量第三節(jié)氣體和蒸汽的絕熱節(jié)流第7章氣體和蒸汽的流動第一節(jié)噴管和擴壓管的截17.1噴管和擴壓管的截面變化規(guī)律可逆流動應滿足：連續(xù)性方程、可逆流動方程、可逆絕熱方程、音速方程

一、氣流流通截面變化率方程1、按連續(xù)性方程得出截面變化率方程假定氣體作一元穩(wěn)定、可逆、絕熱流動，則：Q=0；Ws=07.1噴管和擴壓管的截面變化規(guī)律可逆流動應滿足：連續(xù)性方2氣流流通截面變化率方程任意工質、任意過程對于噴管：對于擴壓管：氣流流通截面變化率方程任意工質、任意過程對于噴管：對于擴壓管32、比體積變化率與流速變化率之比音速方程

氣體、蒸汽適用理想氣體、可逆絕熱過程水蒸汽、可逆絕熱過程取經(jīng)驗數(shù)據(jù)k=1.3過熱蒸汽k=1.135飽和蒸汽2、比體積變化率與流速變化率之比音速方程4適用于理想氣體和蒸汽的音速方程馬赫數(shù)Ma：工質流速與當?shù)匾羲僦萂a>1，超音速流動Ma=1，臨界流動Ma<1，亞音速流動

判斷流態(tài)：可逆流動方程可逆絕熱方程適用于理想氣體和蒸汽的音速方程馬赫數(shù)Ma：工質流速與當?shù)匾羲?氣體和蒸汽的可逆絕熱流動以馬赫數(shù)表述的氣流流通截面變化率方程氣體和蒸汽的可逆絕熱流動以馬赫數(shù)表述的氣流流通截面變化率方程6氣體作一元穩(wěn)定、可逆、絕熱流動應滿足：四個方程

連續(xù)性方程、可逆流動方程、可逆絕熱方程、音速方程1、連續(xù)性方程2、可逆流動方程3、可逆絕熱方程4、音速方程氣體作一元穩(wěn)定、可逆、絕熱流動應滿足：四個方程1、連續(xù)性7圖8-1噴管截面形狀Ma<1Ma≤1Ma≥1M>1二、噴管截面的變化規(guī)律1、當噴管的進口流速為亞音速，Ma2-1為負值，噴管是漸縮型的。2、當噴管的進口流速為超音速，Ma2-1為正值，噴管是漸放型的。3、當氣流由亞音速增加到超音速噴管應是縮放型的。該噴管又稱為拉伐爾噴管，最小截面處的流動為臨界流動。M>1M<1Ma=1漸縮噴管不能獲得超音速氣流圖8-1噴管截面形狀Ma<1Ma≤1Ma≥1M>1二、噴8三、擴壓管的截面變化規(guī)律

1、當擴壓管的進口流速為亞音速，擴壓管是漸放型的。2、當擴壓管的進口流速為超音速，擴壓管是漸縮型的。3、當氣流由超音速減到亞音時，擴壓管應是縮放型的。最小截面處的流動為臨界流動。Ma<1Ma≤1Ma<1Ma>1圖8-2擴壓管截面形狀Ma≥1Ma>1三、擴壓管的截面變化規(guī)律Ma<1Ma≤1Ma<1Ma>1圖89一、流速

將開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程應用于噴管：

7.2氣體和蒸汽在噴管中的流速和質量流量

焓值單位為J/kg，速度單位為m/s；該式適用于任意工質的任意絕熱過程。一、流速7.2氣體和蒸汽在噴管中的流速和質量流量10對于理想氣體

適用于理想氣體的可逆或不可逆絕熱過程。

對于理想氣體11如為理想氣體可逆絕熱流動：適用于理想氣體的可逆絕熱過程當p2

/p1=0，即出口處為真空時，出口流速達到最大當p2

/

p1=1時，即進出口沒有壓差時，流速為零。如為理想氣體可逆絕熱流動：適用于理想氣體的可逆絕熱過程12理想氣體絕熱過程二、臨界速度和臨界壓力比

沿噴管的可逆絕熱流動中，氣流速度等于當?shù)匾羲俚慕孛娣Q為“臨界截面”。臨界截面上的溫度、壓力、速度分別稱為臨界溫度、臨界壓力、臨界速度。Tcr、Pcr、Wg,cr臨界壓力與進口壓力之比稱為“臨界壓力比”理想氣體絕熱過程二、臨界速度和臨界壓力比沿噴管的可逆13

臨界壓力比cr

僅與氣體的種類有關，適用于理想氣體和水蒸汽。水蒸汽的k值取經(jīng)驗數(shù)值。單原子氣體k=1.67cr

0.487雙原子氣體k=1.40cr

0.528三原子氣體k=1.30cr

0.546過熱水蒸汽k=1.30cr

0.546飽和水蒸汽k=1.135cr

0.577臨界壓力比cr僅與氣體的種類有關，適用14cr物理含義：氣流的壓力下降多少時，流速恰好等于當?shù)匾羲?。它還是判定流動特征的參數(shù)。

p2

/p1

>cr

,

則Ma<1，亞音速流動

p2

/p1

<cr

,則Ma>1，超音速流動

根據(jù)臨界壓力比公式可求臨界速度cr物理含義：氣流的壓力下降多少時，流速15三、漸縮噴管在非設計工況下的工作設計工況：

P2=Pcr1.背壓

出口膨脹波：2.背壓

出口雍塞：非設計工況：三、漸縮噴管在非設計工況下的工作設計工況：P2=Pcr16四、質量流量（一元穩(wěn)定流動）1、對于漸縮噴管：出口截面為最小截面理想氣體四、質量流量（一元穩(wěn)定流動）1、對于漸縮噴管：出口截面為最小17討論：

1、當p2

/p1

=1，質量流量為零，流不動，如圖中點A。

2、當p2

/p1下降時，質量流量增加，當壓力比達到臨界壓力比時，質量流量達到最大值。如圖中點B。3、當p2

/p1再下降時，盡管從力學條件上氣流可達到超音速，對于漸縮噴管而言，其幾何形狀限制了氣流的膨脹。出口截面上的壓力仍為pcr，流量為最大流量。實際按BC變化。BC圖8-3流量隨p2/p1的變化曲線βcr0p2

/p111/2A討論：2、當p2/p1下降時，質量流量增加，當壓力182、對于縮放噴管：臨界截面為最小截面對于理想氣體，由臨界壓力比及絕熱過程方程得：由于縮放噴管在喉口處已達到臨界狀態(tài)，質量流量始終保持最大流量不變。2、對于縮放噴管：臨界截面為最小截面對于理想氣體，由臨界壓力19例8-1

廢氣渦輪中漸縮噴管出口截面積A2=200cm2，背壓P2’=0.11MPa，噴管入口燃氣壓力P1=0.2MPa，溫度t1=400°C，燃氣具有空氣性質，試求噴管出口截面處的流速和質量流量。解首先判斷背壓是大于還是小于臨界壓力：背壓大于臨界壓力，故。例8-1廢氣渦輪中漸縮噴管出口截面積A2=200cm2，20例8-2

漸縮噴管出口截面積A2=3cm2，背壓P2’=0.5MPa，噴管入口空氣壓力P1=1MPa，溫度t1=700°C，試求噴管出口截面處的流速和質量流量。解首先判斷背壓是大于還是小于臨界壓力：背壓小于臨界壓力，故。例8-2漸縮噴管出口截面積A2=3cm2，背壓P2’=0212、實際氣體：

h=f(T,p),節(jié)流后溫度變化不定。

T2<T1

，“節(jié)流冷效應”

T2=T1，“節(jié)流零效應”

T2>T1

，“節(jié)流熱效應”7.3氣體和蒸汽的絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流：1、h1=h22、p2<p13、sg>0,s2>s1,sf=04、v2>v1絕熱節(jié)流的溫度效應稱為“焦爾--湯姆遜效應”1、理想氣體：因為

h=f(T)，T1=T22、實際氣體：h=f(T,p),節(jié)流后溫度變化不定。722

圖8-7實際氣體的冷、熱效應區(qū)TLTTHppN熱效應區(qū)冷效應區(qū)Np轉回溫度曲線定焓線圖8-7實際氣體的冷、熱效應區(qū)TLTTHppN熱效應區(qū)冷23第7章氣體和蒸汽的流動第一節(jié)噴管和擴壓管的截面變化規(guī)律第二節(jié)氣體和蒸汽在噴管中的流速和質量流量第三節(jié)氣體和蒸汽的絕熱節(jié)流第7章氣體和蒸汽的流動第一節(jié)噴管和擴壓管的截247.1噴管和擴壓管的截面變化規(guī)律可逆流動應滿足：連續(xù)性方程、可逆流動方程、可逆絕熱方程、音速方程

一、氣流流通截面變化率方程1、按連續(xù)性方程得出截面變化率方程假定氣體作一元穩(wěn)定、可逆、絕熱流動，則：Q=0；Ws=07.1噴管和擴壓管的截面變化規(guī)律可逆流動應滿足：連續(xù)性方25氣流流通截面變化率方程任意工質、任意過程對于噴管：對于擴壓管：氣流流通截面變化率方程任意工質、任意過程對于噴管：對于擴壓管262、比體積變化率與流速變化率之比音速方程

氣體、蒸汽適用理想氣體、可逆絕熱過程水蒸汽、可逆絕熱過程取經(jīng)驗數(shù)據(jù)k=1.3過熱蒸汽k=1.135飽和蒸汽2、比體積變化率與流速變化率之比音速方程27適用于理想氣體和蒸汽的音速方程馬赫數(shù)Ma：工質流速與當?shù)匾羲僦萂a>1，超音速流動Ma=1，臨界流動Ma<1，亞音速流動

判斷流態(tài)：可逆流動方程可逆絕熱方程適用于理想氣體和蒸汽的音速方程馬赫數(shù)Ma：工質流速與當?shù)匾羲?8氣體和蒸汽的可逆絕熱流動以馬赫數(shù)表述的氣流流通截面變化率方程氣體和蒸汽的可逆絕熱流動以馬赫數(shù)表述的氣流流通截面變化率方程29氣體作一元穩(wěn)定、可逆、絕熱流動應滿足：四個方程

連續(xù)性方程、可逆流動方程、可逆絕熱方程、音速方程1、連續(xù)性方程2、可逆流動方程3、可逆絕熱方程4、音速方程氣體作一元穩(wěn)定、可逆、絕熱流動應滿足：四個方程1、連續(xù)性30圖8-1噴管截面形狀Ma<1Ma≤1Ma≥1M>1二、噴管截面的變化規(guī)律1、當噴管的進口流速為亞音速，Ma2-1為負值，噴管是漸縮型的。2、當噴管的進口流速為超音速，Ma2-1為正值，噴管是漸放型的。3、當氣流由亞音速增加到超音速噴管應是縮放型的。該噴管又稱為拉伐爾噴管，最小截面處的流動為臨界流動。M>1M<1Ma=1漸縮噴管不能獲得超音速氣流圖8-1噴管截面形狀Ma<1Ma≤1Ma≥1M>1二、噴31三、擴壓管的截面變化規(guī)律

1、當擴壓管的進口流速為亞音速，擴壓管是漸放型的。2、當擴壓管的進口流速為超音速，擴壓管是漸縮型的。3、當氣流由超音速減到亞音時，擴壓管應是縮放型的。最小截面處的流動為臨界流動。Ma<1Ma≤1Ma<1Ma>1圖8-2擴壓管截面形狀Ma≥1Ma>1三、擴壓管的截面變化規(guī)律Ma<1Ma≤1Ma<1Ma>1圖832一、流速

將開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動能量方程應用于噴管：

7.2氣體和蒸汽在噴管中的流速和質量流量

焓值單位為J/kg，速度單位為m/s；該式適用于任意工質的任意絕熱過程。一、流速7.2氣體和蒸汽在噴管中的流速和質量流量33對于理想氣體

適用于理想氣體的可逆或不可逆絕熱過程。

對于理想氣體34如為理想氣體可逆絕熱流動：適用于理想氣體的可逆絕熱過程當p2

/p1=0，即出口處為真空時，出口流速達到最大當p2

/

p1=1時，即進出口沒有壓差時，流速為零。如為理想氣體可逆絕熱流動：適用于理想氣體的可逆絕熱過程35理想氣體絕熱過程二、臨界速度和臨界壓力比

沿噴管的可逆絕熱流動中，氣流速度等于當?shù)匾羲俚慕孛娣Q為“臨界截面”。臨界截面上的溫度、壓力、速度分別稱為臨界溫度、臨界壓力、臨界速度。Tcr、Pcr、Wg,cr臨界壓力與進口壓力之比稱為“臨界壓力比”理想氣體絕熱過程二、臨界速度和臨界壓力比沿噴管的可逆36

臨界壓力比cr

僅與氣體的種類有關，適用于理想氣體和水蒸汽。水蒸汽的k值取經(jīng)驗數(shù)值。單原子氣體k=1.67cr

0.487雙原子氣體k=1.40cr

0.528三原子氣體k=1.30cr

0.546過熱水蒸汽k=1.30cr

0.546飽和水蒸汽k=1.135cr

0.577臨界壓力比cr僅與氣體的種類有關，適用37cr物理含義：氣流的壓力下降多少時，流速恰好等于當?shù)匾羲佟Ｋ€是判定流動特征的參數(shù)。

p2

/p1

>cr

,

則Ma<1，亞音速流動

p2

/p1

<cr

,則Ma>1，超音速流動

根據(jù)臨界壓力比公式可求臨界速度cr物理含義：氣流的壓力下降多少時，流速38三、漸縮噴管在非設計工況下的工作設計工況：

P2=Pcr1.背壓

出口膨脹波：2.背壓

出口雍塞：非設計工況：三、漸縮噴管在非設計工況下的工作設計工況：P2=Pcr39四、質量流量（一元穩(wěn)定流動）1、對于漸縮噴管：出口截面為最小截面理想氣體四、質量流量（一元穩(wěn)定流動）1、對于漸縮噴管：出口截面為最小40討論：

1、當p2

/p1

=1，質量流量為零，流不動，如圖中點A。

2、當p2

/p1下降時，質量流量增加，當壓力比達到臨界壓力比時，質量流量達到最大值。如圖中點B。3、當p2

/p1再下降時，盡管從力學條件上氣流可達到超音速，對于漸縮噴管而言，其幾何形狀限制了氣流的膨脹。出口截面上的壓力仍為pcr，流量為最大流量。實際按BC變化。BC圖8-3流量隨p2/p1的變化曲線βcr0p2

/p111/2A討論：2、當p2/p1下降時，質量流量增加，當壓力412、對于縮放噴管：臨界截面為最小截面對于理想氣體，由臨界壓力比及絕熱過程方程得：由于縮放噴管在喉口處已達到臨界狀態(tài)，質量流量始終保持最大流量不變。2、對于縮放噴管：臨界截面為最小截面對于理想氣體，由臨界壓力42例8-1

廢氣渦輪中漸縮噴管出口截面積A2=200cm2，背壓P2’=0.11MPa，噴管入口燃氣壓力P1=0.2MPa，溫度t1=400°C，燃氣