工程熱力學(xué) 第七章 氣體和蒸汽的流動(dòng)

工程熱力學(xué)第七章氣體和蒸汽的流動(dòng)第1頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)取平均值第2頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3

二、穩(wěn)定流動(dòng)基本方程

1.質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）(continuityequation)

p1T1qm1cf1p2T2qm2cf2第3頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月42.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)

第4頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5絕熱滯止(stagnation)理想氣體：定比熱容變比熱容第5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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？第6頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7注意：1）聲速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

如空氣，2）水蒸氣當(dāng)?shù)芈曀?）

馬赫數(shù)

(Machnumber)（subsonicvelocity）（supersonicvelocity）（sonicvelocity）亞聲速聲速超聲速第7頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月87–2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)條件第8頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)第9頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10二、幾何條件力學(xué)條件過(guò)程方程連續(xù)性方程幾何條件第10頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月11討論：1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對(duì)于噴管漸縮噴管（convergentnozzle）第11頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月12

截面上Ma=1、cf=c，稱臨界截面(minimumcross-sectionalarea)[也稱喉部(throat)截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?velocityofsound)稱臨界壓力(criticalpressure)、臨界溫度及臨界比體積。第12頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月132）當(dāng)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

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。第13頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。第14頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15歸納：

1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使流動(dòng)可逆必不可少的條件；5）背壓pb未必等于p2。2）氣流的焓火用差（即技術(shù)功）為氣流加速提供能量；3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?）拉伐爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速達(dá)當(dāng)?shù)匾羲俚?5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月167–3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。第16頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月17分析：普適理想氣體、定比熱容第17頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月18cf，max不可能達(dá)到摩擦從1下降到0的過(guò)程中某點(diǎn)第18頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月19為臨界點(diǎn)，此點(diǎn)上壓力pcr與p0之比稱為臨界壓力比，νcr(criticalpressureratio;throat-to-stagnationofpressure)討論：

1）理想氣體水蒸氣隨工質(zhì)而變理想氣體定比熱雙原子過(guò)熱水蒸氣濕蒸汽第19頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月203）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）第20頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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第21頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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第22頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月232.初參數(shù)對(duì)流量的影響分析：

a）第23頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月24確定第24頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。第25頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月26三、噴管設(shè)計(jì)據(jù)p1，v1，T1背壓

pb功率噴管形狀幾何尺寸首先確定pcr與pb關(guān)系，然后選取恰當(dāng)?shù)男螤畛鯀?shù)1.外形選擇第26頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月27第27頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月282.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—第28頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)行工況第29頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)第30頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月31例A4511661例A451266例A451377第31頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月327–4

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0.92~0.98第32頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月33二、摩阻對(duì)能量的影響定義：能量損失系數(shù)噴管效率注意：？第33頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月34三、摩阻對(duì)流量的影響若p2、A2不變據(jù)例A4512871第34頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月357–5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。第35頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)（也稱節(jié)流微分效應(yīng)）第36頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月37如理想氣體降溫升溫不變第37頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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，轉(zhuǎn)回曲線(inversioncurve)。例如理想氣體轉(zhuǎn)回溫度為一直線；實(shí)際氣體，如用范氏方程代入μJ可得或第38頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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