嚴家騄版工程熱力學PPT 第5章 氣體的流動與壓縮

2023/2/71中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室第五章氣體流動和壓縮噴管：流速增加，壓力降低擴壓管：流速降低，壓力增加(gasflowandcompression)工程中有許多流動問題需考慮宏觀動能和位能的化。比如噴管(nozzle;

jet)、擴壓管(diffuser)

內(nèi)的流動過程。2023/2/72中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室直管節(jié)流閥(throttle

valve)風洞2023/2/73中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-1穩(wěn)定流動基本方程穩(wěn)定流動：任何一固定點上，所有參數(shù)都不隨時間改變。一元（維）流動：參數(shù)值在一個方向（流動方向）上變化。注意：不同點上參數(shù)可以不同，但都不隨時間變化。二元、三元流動不研究2023/2/74中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室例：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：2023/2/75中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室一、連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)continuity

equation1122p1T1m1

cf1

p2T2m2

cf2

??2023/2/76中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2023/2/77中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室AcfρvA+dAcf+dcfρ+dρv+dvdA，dcf，dρ(或dv)變化受上式制約。如水：dρ=0，則dA<0,dcf>0或反之。2023/2/78中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室二、穩(wěn)定流動能量方程

steady-flow

energy

equation純流動，無葉輪等，不作功wi=0；q≈0，噴管、擴壓管很短。Cf較大，q很小。???2023/2/79中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室叫動量方程2023/2/710中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室絕熱滯止(stagnation)滯止：流速減小到零的過程。絕熱滯止：絕熱。定熵滯止：可逆。2023/2/711中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室對定比熱理想氣體：

滯止參數(shù)：滯止狀態(tài)的參數(shù)，如h0，T0，p0，v0等滯止溫度定熵滯止壓力滯止比容2023/2/712中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室三、過程方程假設無摩擦，dA不太大，則其他參數(shù)變化也不太快，過程可逆。2023/2/713中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室四、音速方程音速：聲音相對于介質(zhì)的傳播速度。從物理上講，是由微弱擾動在連續(xù)介質(zhì)中所產(chǎn)生的壓力波(縱波)的傳播速度。如：拍一下手，產(chǎn)生一個壓力波動，波面的速度即音速。風2023/2/714中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室音速方程等熵過程中所以理想氣體2023/2/715中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室注意：如空氣，

2）水蒸汽當?shù)匾羲?）音速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當?shù)匾羲?/p>

2023/2/716中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室3）馬赫數(shù)

(Mach

number)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity（臨界流動）

2023/2/717中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室以上方程的適用條件：連續(xù)方程：穩(wěn)定流動；動量方程：定熵穩(wěn)定流動3.過程方程：理想氣體，定熵流動；4.音速方程：理想氣體2.能量方程：穩(wěn)定流動，q≈0，wi1=0，及z2-z1≈0；用到能量方程，條件都要滿足。另外δwt=-vdp是可逆的。不可逆時，摩擦力等也要考慮進去2023/2/718中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-2促使流速改變的條件一、力學條件即動量方程：對噴管：目的是加速，即dcf>0，故要求dp<0。加速的能量來源是工質(zhì)膨脹的技術(shù)功，-vdp。壓降極限p=0，故加速有極限。速度變化與壓力變化的關(guān)系2023/2/719中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室可見：升壓的能量來源是工質(zhì)動能減少，速度降低。降速有極限cf=0，故升壓也有極限。最高壓力為滯止壓力根據(jù)動量方程：對擴壓管：目的是升壓dp>0，要求dcf<0。2023/2/720中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室二、幾何條件2023/2/721中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室代入連續(xù)方程得：2023/2/722中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室對噴管：加速dcf>0當M<1時：要求dA<0，截面積減小，漸縮。當Ma=1時：要求dA=0，截面減小到最小。當Ma>1時：要求dA>0，截面增大，漸擴。隨著cf的增加，Ma=cf/c也增加(這里c減小)；當Ma<1且M→1時，要求dA<0，且dA→0。隨著c繼續(xù)增加，Ma>1；2023/2/723中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室噴管形狀：dA<0Ma<1Ma≤1從幾何條件看：出口Ma=1；從力學條件看：cfdcf=-vdp，技術(shù)功使流體加速，如果dp

小，技術(shù)功不夠，可能加不到Ma=1，故可能Ma<1。漸縮噴管—convergent

nozzle2023/2/724中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室Ma>1dA<0dA>0Ma<1Ma=1喉部漸縮漸擴噴管（拉法爾噴管、縮放噴管）

——convergent-divergentnozzle(Lavalnozzle)臨界截面(minimum

cross-sectional

area)，也稱喉部(throat)截面稱為：臨界壓力、臨界溫度、臨界比容dA=0臨界流速＝當?shù)匾羲?/p>

(velocity

of

sound)2023/2/725中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室漸擴噴管(divergentnozzle)dA>0Ma>1Ma>1出口流速受出口壓力p2限制，p2=0時，cf2最大。2023/2/726中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2023/2/727中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室討論：1）當促使流速改變的壓力條件得到滿足的前提下：

a）收縮噴管(convergentnozzle)出口截面上流速最大值

cf2,max=c（出口截面上音速）

b）以低于當?shù)匾羲倭魅霛u擴噴管(divergentnozzle)

不可能使氣流可逆加速。

c）使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮

漸擴噴管(convergent-divergentnozzle)—拉法爾

(Lavalnozzle)噴管。2023/2/728中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2）背壓(back

pressure)pb是指噴管出口截面以外環(huán)境的壓力。設計工況的噴管，其出口截面上壓力p2等于背壓pb，但非設計工況下p2未必等于

pb3）對擴壓管(diffuser)，目的是p上升，通過cf下降使動

能轉(zhuǎn)變成壓力勢能，情況與噴管相反。2023/2/729中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2）氣流的焓差（即技術(shù)功）為氣流加速提供了能量；

5）背壓pb未必等于p2。1）壓差是使氣流加速的內(nèi)在動力，幾何形狀是使氣流加速的外部條件；

歸納：

4）拉法爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速達當?shù)匾羲伲?/p>

3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當?shù)匾羲伲?/p>

2023/2/730中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-3噴管計算一、流速計算及其分析注意：

a）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)

b）式中h單位是J/kg，c是m/s，但一般資料

提供h單位是kJ/kg。2023/2/731中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室對定比熱理想氣體2023/2/732中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室最大流速：發(fā)生在p2=0時2023/2/733中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2023/2/734中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室臨界流動：Ma=1，即cf=c的流動。如縮放噴管喉部2023/2/735中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2023/2/736中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2023/2/737中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室二、流量的計算2023/2/738中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室三、噴管流速、流量與背壓的關(guān)系背壓：出口以外環(huán)境壓力pb；出口壓力：出口截面上的壓力p2。1.流速、流量與出口壓力的關(guān)系ccrcf2maxcf211122p2pb2023/2/739中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室qm,maxqm12023/2/740中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2.流速、流量與背壓的關(guān)系pbMa<1漸縮噴管p0p1cf1p2cf22023/2/741中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室力學條件（或能量方程）：解釋：說明：壓力從p0降到pb作的技術(shù)功，有能力加速到超音速2023/2/742中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室?guī)缀螚l件：因為漸縮，dA<0不能變。pbMa<1p0p1cf1p2cf22023/2/743中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室說明：幾何條件限制，使?jié)u縮噴管出口最多只能達到Ma=1。pbMa<1p0p1cf1p2cf22023/2/744中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室類比：跑100m標準跑道沙地上膨脹不足：即p2>pb，此時：氣體在噴管中，由p0只能降到p2，在噴管出口外，由p2降到pb，因為出口dA→∞，不可逆壓差膨脹，加速能力損失。結(jié)論：漸縮噴管出口流速最多只能達到Ma=1。體能決定←→pb/p0環(huán)境限制，不能發(fā)揮潛力←→dA2023/2/745中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室漸縮噴管流速圖112023/2/746中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室漸縮噴管流量圖112023/2/747中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室縮放噴管Ma=1Ma<1Ma>112喉部Ma=1，為臨界流動，不管出口流速多大，它都臨界漸縮段出口臨界，流量最大結(jié)論：縮放噴管流量為定值。2023/2/748中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室可見：p2與A2有關(guān)聯(lián)：

p2越小，A2就要求越大。對確定的噴管，A2一定。其出口壓力由A2決定，叫設計壓力pd。2023/2/749中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室當pb>pd時，即背壓比設計工況高：流動有非定熵情況出現(xiàn)。定熵公式不適用。當背壓pb=pd（設計壓力）時，叫設計工況：當pb<pd時，即背壓比設計工況低：

此時，p2=pd>pb，出口狀況與設計工況相同，不變。也叫膨脹不足。是A2限制，加速能力不能發(fā)揮。2023/2/750中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室四、噴管外形選擇和尺寸計算1.外形選擇，即dA的變化規(guī)律。原則：使加速能力充分發(fā)揮出來。計算時均取p2=pb2023/2/751中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2.尺寸計算漸縮A2縮放Amin，A2及縮放段的長度l2023/2/752中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室變比熱定熵流動過程計算時：2023/2/753中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室五、水蒸氣在噴管中的流動1.連續(xù)方程與理想氣體對應的方程相同它們與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)2.能量方程3.動量方程2023/2/754中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室其它理想氣體的公式都不能用4.過程方程：ds=0，定熵。一般在h-s圖上由定s線確定或查表。如圖1－2s2023/2/755中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室與理想氣體同8.尺寸計算，同理想氣體2023/2/756中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-4背壓變化時噴管內(nèi)流動過程簡析（在氣動中已講過，自看）2023/2/757中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-5有摩阻的絕熱流動摩擦的影響：速度分布：邊界上速度為零，中心最大；能量守恒：消耗動能，出口流速減小，摩擦產(chǎn)生熱，加到氣體上，熵要增加。2023/2/758中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室2023/2/759中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室定義：它們的數(shù)值取決于2023/2/760中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室出口流速計算：2023/2/761中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室流速量計算：2023/2/762中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室T-s圖和h-s圖理想氣體水蒸氣例題\第八章\A4512871.ppt

2023/2/763中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-6絕熱節(jié)流節(jié)流：流體流過孔板、閥口或堵塞物時，由局部阻力引起壓力降低的現(xiàn)象。孔板堵塞物節(jié)流閥(throttle

valve)2023/2/764中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室特點：節(jié)流截面積突然變化。dA太大，不可逆，加速效果不好噴管截面積變化不太大，過程可逆，加速效果好絕熱節(jié)流：絕熱能量方程：取1、2截面，離節(jié)流處較遠，截面上參數(shù)均勻。12不加速，cf1≈cf22023/2/765中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室注意：1.節(jié)流前后焓值相等。但節(jié)流過程中h在變，故節(jié)流過程不是等焓過程；2.節(jié)流后壓力降低，即p2<p1；(流動阻力引起)3.節(jié)流過程是不可逆過程，即s2>s1，因狀態(tài)變化急劇，處于非平衡態(tài)，并且摩擦也起作用。4.節(jié)流后溫度可能升高、不變或降低。2023/2/766中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室節(jié)流的溫度效應：節(jié)流前后的溫度變化。節(jié)流的冷效應T2<T1，用于制冷；零效應T2=T1；熱效應T2>T1。理想氣體：h=h(T)，因h2=h1，故T2=T1。理想氣體節(jié)流只能發(fā)生零效應。2023/2/767中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室絕熱節(jié)流（焦耳－湯姆遜）系數(shù)：2023/2/768中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-7絕熱滯止的進一步討論滯止：流速減小到零的過程。例子：?滯止點擴壓管cf出口流速低，截面積大滯止cf滯止溫度計2023/2/769中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室絕熱滯止：絕熱。定熵滯止：可逆。滯止參數(shù)：滯止狀態(tài)的參數(shù)，如h0，T0，p0，v0等滯止狀態(tài)：速度為零的狀態(tài)。2023/2/770中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室（從壓力變化上來看，相當于壓縮）?????理想氣體水蒸汽2023/2/771中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室非定熵滯止：理想氣體：???理想氣體非定熵滯止：2023/2/772中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室實際氣體：????水蒸氣實際氣體非定熵滯止：2023/2/773中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-8壓氣機的熱力過程概述：壓氣機：生產(chǎn)壓縮氣體的設備壓縮氣體的用途：內(nèi)燃機：大型柴油機啟動；二沖程機掃氣；增壓渦輪機：裝置的一部分熱能：鍋爐供風制冷：裝置的一部分汽車：車閘，公汽開、關(guān)門其它：氣錘、氣鉆、風鎬、通風、空調(diào)等2023/2/774中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室壓氣機分類：工作原理活塞式—壓頭高，流量小，

間隙生產(chǎn)葉輪式—壓頭低，流量大，

連續(xù)生產(chǎn)壓氣機—表壓0.3MPa以上鼓風機—表壓0.1~0.3MPa通風機—表壓0.01MPa以下壓頭高低2023/2/775中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5–8-1單級活塞式壓氣機工作原理

和理論耗功量0-1：吸氣，ｍ增加，狀態(tài)不變，傳輸推動功p1v11-2：壓縮，ｍ不變，升壓升溫，耗功2-3：排氣，ｍ減少，狀態(tài)不變，傳輸推動功p2v2一、工作原理注意：壓氣機不是動力機壓氣機中進行的是過程

不是循環(huán)2023/2/776中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室二.理論耗功壓縮過程耗功：壓氣機耗功：2023/2/777中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室增壓比：1、絕熱壓縮2、多變壓縮3、等溫壓縮2023/2/778中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室1、討論：等溫壓縮理想2、通常為多變壓縮,

1<n<k2023/2/779中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室思考題：自行車壓力通常應維持在0.25MPa左右，用手動打氣筒向輪胎充氣時用濕毛巾包在打氣筒外壁，會有什么后果？2023/2/780中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-8–2余隙容積的影響余隙容積Vc（=V3）

clearance

volume

產(chǎn)生原因：布置進、排氣結(jié)構(gòu)制造公差部件熱膨脹2023/2/781中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室排量

Vh(=V1–V3)

余隙容積比=Vc/Vh有效吸氣容積

Ves（=V1–V4）

2023/2/782中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室1-2質(zhì)量m1氣體壓縮p1p2

生產(chǎn)量(每周期)：生產(chǎn)過程：注意：壓氣機產(chǎn)氣量常用標準立方米/分鐘表示不同于進氣或排氣時狀態(tài)。小于無Vc4-1吸氣（=排氣）3-4剩余氣體膨脹p2

p12-3向儲氣罐排氣2023/2/783中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室一、余隙容積對生產(chǎn)量的影響容積效率2023/2/784中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室討論：2023/2/785中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室二、余隙容積對理論耗功的影響2023/2/786中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室即：余隙對單位產(chǎn)氣量的理論耗功無影響（但實際上，存在摩擦，還是使耗功增大）。歸納：

余隙存在使

1）每周期生產(chǎn)量下降

2）每周期理論耗功減少，但單位產(chǎn)氣量的理論耗功不變單位產(chǎn)氣量的理論耗功2023/2/787中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室§5-8–3多級壓縮和級間冷卻單級壓縮，隨p和T的升高，

v下降。多級壓縮、級間冷卻能保證2023/2/788中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室示功圖中間冷卻器降溫極限T3=T1耗功小于單級壓縮耗功2023/2/789中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室理論耗功分析耗功大小與pa有關(guān)2023/2/790中國民航大學航空工程學院發(fā)動機系工程熱物理教研室令時推廣：若m級，