氣體在噴管中的流動ppt課件

1、3-6 氣體在噴管中的流動氣體在噴管中的流動 噴管：使流體壓力降低，添加氣體或蒸汽流速的變截面短管。 例如：工業(yè)上常用的各種放射泵、引射器、抽氣器等都要用到噴管。 擴壓管：使氣流壓力升高而流速降低的變截面短管。 氣體在擴壓管中所閱歷的過程是噴管中過程的逆過程，這里重點引見氣體在噴管中的流動過程。一、噴管中的穩(wěn)定流動根本方程式 噴管中的實踐流動過程是穩(wěn)定的或接近穩(wěn)定的。對于一維穩(wěn)定流動，氣體的熱力參數和力學參數只沿噴管的軸向發(fā)生變化。實踐上，在垂直于流動方向的同一截面上各點的參數并不完全一樣，可近似取截面平均值進展計算。一延續(xù)性方程 一維穩(wěn)定流動中，根據質量守恒原理，任一截面的流動參數不變，流經

2、任一截面的質量流量應為常數。constvAcvcAvcAqqmm22211121constvAcqm 上式稱為延續(xù)性方程式，它表達了氣體流經噴管時流速變化與體積變化及噴管截面變化之間的制約關系，適用于任何工質的可逆與不可逆穩(wěn)定流動過程。ccvvAAddd微分方程： 210,0, ()0sqwg zzhccdd222121211()()()2sqhhccg zzw二穩(wěn)定流動能量方程式微分方式hchhcc2)(2)(2122122闡明工質的速度升高來源于流動過程中的焓降。適用于可逆及不可逆過程 上式闡明噴管任一截面上的焓與動能之和堅持定值。三過程方程 氣體在噴管中的流動可以視為絕熱過程，此外噴管內

3、外表光滑，摩擦阻力很小，加之外形設計合理，可以防止漩渦發(fā)生，因此可以近似以為流動過程是可逆的。當氣體為理想氣體且比熱容為常量時： 根據可逆絕熱過程方程有： 對此式進展微分可得： 整理后得：常數kpv0vdvkpdpvdvkpdp聲速和馬赫數在氣體高速流動的分析中，聲速和馬赫數是非常重要的兩個參數。聲速是聲音在介質中的傳播速度，即微弱擾動產生的壓力波在延續(xù)介質中傳播的速度，用符號c表示。壓力波在氣體和蒸汽中的傳播過程可視為是定熵過程，由物理學可知，氣體或蒸汽的聲速計算公式為：ssppc)()(2對于理想氣體的定熵過程，將過程方程式帶入上式有：TkRkpcgv顯然，聲速不是一個常數，它取決于氣體的

4、性質及所處的形狀。由上式可知，理想氣體中的聲速只取決于其熱力學溫度，所以聲速通常是指某一形狀下的聲速，稱為當地聲速。例如，在 0的空氣中的聲速為331m/s；20的空氣中的聲速為343m/s。v在討論氣體和蒸汽流動特性時，流體的流動速度 和當地聲速的比值稱為馬赫數，用符號 表示，即：MaccMaf根據馬赫數的大小可將氣體和蒸汽的流動分為：二、噴管截面的變化規(guī)律：噴管的設計應該使噴管在給定的進口形狀和出口壓力下，盡能夠獲得更多的動能，這就要求噴管的流道外形符合流動過程的規(guī)律，不產生任何能量損失，使氣體在噴管中進展可逆絕熱流動，即定熵流動。這時噴管截面積的變化和氣體流速變化、形狀變化之間的關系，就

5、可由上述噴管流動根本方程式求得。對于噴管定熵穩(wěn)定流動過程：twhhq)(120dddtpvhwhqtddwhqhpvdd 當q0，且可逆時：pvccdd將穩(wěn)定流動能量方程式3-114帶入得：闡明在流動過程中，工質的流速添加，必需有壓力降低。所以壓差是提高工質流動速度的必要條件，也是流速提高的動力。v上式闡明，定熵流動中，假設氣體流速增大 ，那么氣體的壓力必降低 ；假設氣體流速減小 ，那么氣體的壓力必增高 。這就是噴管和擴壓管的流動特征。也就是說，噴管的目的是使氣體和蒸汽降壓增速；而擴壓管的目的是增壓減速。為了更好地實現這一目的，還需求有管道截面變化來配合。0fdc0dp0fdc0dp由過程方程

6、式3-115和延續(xù)性方程式3-112可得：上式稱為管內流動特征方程，給出了馬赫數、截面面積變化率與流速變化率之間的關系。ffcdcMaAdA) 1(2cdcMAdAa12根據特征方程： 對于拉伐爾噴管，其減縮部分在亞聲速范圍內任務，而漸擴部分在超聲速范圍內任務，其最小截面處稱為喉部，流速恰好到達當地聲速，此處是氣流從亞聲速變化到超聲速的轉機點，通常稱為臨界截面。臨界截面處的氣體參數稱為臨界參數，用下角標cr表示。三、噴管中氣體的流速和流量v 由上式可見，噴管出口截面的流速取決于工質的性質、進口截面處工質的形狀與進出口截面處工質的壓力比p2/p1。當工質與進口截面處的形狀確定時，噴管出口截面的流

7、速只取決于壓力比p2/p1 ，并且隨p2/p1的減小而增大。 定熵流動過程中，臨界截面上氣體的流速等于當地聲速，臨界截定熵流動過程中，臨界截面上氣體的流速等于當地聲速，臨界截面上氣體的壓力與面上氣體的壓力與p1之比稱為臨界壓力比。之比稱為臨界壓力比。1c rc rpvp根據臨界截面處流體流速等于當地聲速有：整理后有：1111f ,11211kkcrcrgkkcrcrgcrgpkcRkpckR TkRTpTp1121pkkcrcrpvk臨界壓力比與絕熱指數有關，取決于氣體的熱力性質，當比熱容為定值時：21pcrpv21pcrvp選用縮放形噴管選用漸縮形噴管 臨界壓力比是噴管設計計算的一個重要參數

8、，是選擇噴管外形的重要根據，由式3-119可得：將臨界壓力比公式3-120帶入3-119可得臨界流速為：f,1 112211crgkkcpR Tkkv二、噴管中氣體的流量v 將式 及3-119帶入延續(xù)性方程式3-111可得：2112pvpvkkkkkfmpppppkkApppkkAcAq112212112112112222212 112 當噴管出口截面積 和進口參數一定時，氣體流量隨壓比 變化，流量與壓比的變化關系如以下圖所示。當壓比值為1時，氣體的流量為零，當壓比逐漸減小時，流量逐漸添加，至臨界壓比時，氣體的流量到達最大值。A21ppmaxq21pp04121431v 但假設繼續(xù)降低噴管出口所在的空間壓力背壓，流量并未繼續(xù)增大，而是維持最大值不變。緣由是減縮噴管中的壓力不能夠降至臨界壓力以下。代入臨