工程熱力學(xué)第7章課件

第七章氣體和蒸汽的流動(dòng)GasandSteamFlow7-1穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式7-2促使流速改變的條件7-3噴管計(jì)算7-4有摩擦的絕熱流動(dòng)7-5絕熱節(jié)流1

工程中有許多流動(dòng)問(wèn)題需考慮宏觀(guān)動(dòng)能和位能，特別是噴管(nozzle,jet)、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttlevalve)內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換情況。27–1穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式一、簡(jiǎn)化穩(wěn)定絕熱一維可逆參數(shù)取平均值32.過(guò)程方程注意，若水蒸氣，則3.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程(steady-flowenergyequation)

5絕熱滯止(stagnation)理想氣體：定比熱容變比熱容6水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)注意：高速飛行體需注意滯止后果，如飛機(jī)在–20℃的高空以

Ma=2飛行，其t0=182.6℃。4.聲速方程等熵過(guò)程中所以？77–2促使流速改變的條件一、力學(xué)條件流動(dòng)可逆絕熱能量方程力學(xué)條件9討論：噴管擴(kuò)壓管2）是壓降，是焓（即技術(shù)功）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。的能量來(lái)源1）異號(hào)10二、幾何條件力學(xué)條件過(guò)程方程連續(xù)性方程幾何條件11截面上Ma=1、cf=c，稱(chēng)臨界截面(minimumcross-sectionalarea)[也稱(chēng)喉部(throat)截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?velocityofsound)稱(chēng)臨界壓力(criticalpressure)、臨界溫度及臨界比體積。132）當(dāng)促使流速改變的壓力條件得到滿(mǎn)足的前提下：a）收縮噴管(convergentnozzle)出口截面上流速

cf2,max=c2（出口截面上音速）b）以低于當(dāng)?shù)匾羲倭魅霛u擴(kuò)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(kuò)噴管(convergent-divergentnozzle)—拉伐爾

(Lavalnozzle)噴管。143）背壓(backpressure)pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境的壓力。正確設(shè)計(jì)的噴管其出口截面上壓力p2等于背壓pb，但非設(shè)計(jì)工況下p2未必等于

pb。4）對(duì)擴(kuò)壓管(diffuser)，目的是p上升，通過(guò)cf下降使動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力勢(shì)能，情況與噴管相反。157–3噴管計(jì)算一、流速計(jì)算及分析1.計(jì)算式注意：

a）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)；b）式中h，J/kg，cf，m/s，但一般資料提供h，kJ/kg。2.初態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響：

為分析方便，取理想氣體、定比熱，但結(jié)論也定性適用于實(shí)際氣體。17分析：普適理想氣體、定比熱容18cf，max不可能達(dá)到摩擦從1下降到0的過(guò)程中某點(diǎn)193）幾何條件約束，臨界截面只可能發(fā)生在dA=0處，考慮到工程實(shí)際收縮噴管—出口截面縮放噴管—喉部截面另：與上式是否矛盾？2）4）213.背壓pb對(duì)流速的影響

a.收縮噴管

b.縮放噴管不屬本課程范圍22二、流量計(jì)算及分析1.計(jì)算式通常收縮噴管—出口截面縮放噴管喉部截面出口截面23確定25

b）結(jié)合幾何條件和質(zhì)量守恒方程：圖中收縮噴管縮放噴管且噴管初參數(shù)及p2確定后，噴管各截面上qm相同，并不隨截面改變而改變。262.幾何尺寸計(jì)算A1—往往已由其他因素確定太長(zhǎng)—摩阻大過(guò)大，產(chǎn)生渦流(eddy)太短—29四、工作條件變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)析

噴管在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，尤其是背壓變化較大最終是造成動(dòng)能損失。1.收縮噴管背壓pb'出口截面壓力p2'運(yùn)行工況302.縮放噴管1）若pb‘<pb—膨脹不足(underexpansion)，離開(kāi)噴管后自由膨脹(freeexpasion)2）pb‘>pb—過(guò)度膨脹(overexpansion)，產(chǎn)生激波(shockwave)31例A4511661例A451266例A451377327–4有摩擦的絕熱流動(dòng)一、摩阻對(duì)流速的影響定義：噴管速度系數(shù)(velocitycoefficientofnozzle)一般在0.92~0.9833二、摩阻對(duì)能量的影響定義：能量損失系數(shù)噴管效率注意：？34三、摩阻對(duì)流量的影響若p2、A2不變據(jù)例A4512871357–5絕熱節(jié)流一、絕熱節(jié)流(adiabaticthrottling)定義：由于局部阻力，使流體壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：1)p2<p1；2)強(qiáng)烈不可逆，s2>s1,I=T0sg3)h1=h2，但節(jié)流過(guò)程并非等焓過(guò)程；4)T2可能大于等于或小于T1理想氣體T2=T1。36二、節(jié)流后的溫度變化

1.焦耳-湯姆遜系數(shù)（Joule-Thomsoncoefficient）據(jù)令焦耳-湯姆遜系數(shù)（也稱(chēng)節(jié)流微分效應(yīng)）37如理想氣體降溫升溫不變382.轉(zhuǎn)回溫度(inversiontemperature)—節(jié)流后溫度不變的狀態(tài)的溫度把氣體的狀態(tài)方程代入μJ表達(dá)式即可求得不同壓力下的轉(zhuǎn)回溫度曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)回曲線(xiàn)(inversioncurve)。例如理想氣體轉(zhuǎn)回溫度為一直線(xiàn)；實(shí)際氣體，如用范氏方程代入μJ可得或39若令p=0，得3.節(jié)流的積分效應(yīng)節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致冷區(qū)則T下降，節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致溫區(qū)則T上升或下降取決于Δp的大小當(dāng)氣體溫度T>Ti,max或T<Ti,min，節(jié)流后T上升如：常溫節(jié)流后T上升，T2>T1常溫常壓下節(jié)流T下