工程熱力學(xué)第5章_氣體流動與壓縮

1、工工 程程 熱熱 力力 學(xué)學(xué)Engineering Thermodynamics第第 五五 章章氣體的流動和壓縮氣體的流動和壓縮內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要一、一元穩(wěn)定流動的基本方程一、一元穩(wěn)定流動的基本方程二、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面二、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面變化的關(guān)系變化的關(guān)系三、氣體流經(jīng)噴管的流速三、氣體流經(jīng)噴管的流速四、壓氣機的壓氣過程四、壓氣機的壓氣過程第五章第五章 氣體的流動和壓縮氣體的流動和壓縮5.1、一元穩(wěn)定流動的基本方程、一元穩(wěn)定流動的基本方程穩(wěn)定流動是指系統(tǒng)（穩(wěn)定流動是指系統(tǒng)（內(nèi)部及邊界內(nèi)部及邊界）各點工質(zhì)的所）各點工質(zhì)的所有有熱力參數(shù)及運動參數(shù)熱力參數(shù)及運動參數(shù)都都不

2、隨時間而變化不隨時間而變化的流動。的流動。條件：任一截面參數(shù)不隨時間變化；條件：任一截面參數(shù)不隨時間變化； 任一截面的質(zhì)量流量均相同；任一截面的質(zhì)量流量均相同； 與外界交換的功和熱量不隨時間變化；與外界交換的功和熱量不隨時間變化；一元穩(wěn)定流動：工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和流動參數(shù)只沿一元穩(wěn)定流動：工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和流動參數(shù)只沿著流動方向才發(fā)生變化著流動方向才發(fā)生變化5.1、一元穩(wěn)定流動的基本方程、一元穩(wěn)定流動的基本方程1 連續(xù)性方程連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律應(yīng)用于工質(zhì)流動的數(shù)學(xué)表達式質(zhì)量守恒定律應(yīng)用于工質(zhì)流動的數(shù)學(xué)表達式1122iiconstvAcqmcdcvdvAdA課堂思考課堂思考 上式用于水時有什么結(jié)論，

3、生活中有哪些應(yīng)上式用于水時有什么結(jié)論，生活中有哪些應(yīng)用呢？如果是氣體呢？用呢？如果是氣體呢？對不可壓縮流體，一定質(zhì)量流量條件下，流對不可壓縮流體，一定質(zhì)量流量條件下，流道截面減小，流速增加。道截面減小，流速增加。5.1、一元穩(wěn)定流動的基本方程、一元穩(wěn)定流動的基本方程2 能量方程：能量方程：能量守恒定律應(yīng)用于工質(zhì)流動。能量守恒定律應(yīng)用于工質(zhì)流動。vdpcdcswzzgcchhq)()(21)(1221221202212212cchh0cdcdh噴管：加速氣流噴管：加速氣流擴壓管：降低流速，提高壓力擴壓管：降低流速，提高壓力vdpdhq5.1、一元穩(wěn)定流動的基本方程、一元穩(wěn)定流動的基本方程3 過程

4、方程過程方程根據(jù)過程進行的特點描述工質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律的數(shù)根據(jù)過程進行的特點描述工質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達式。學(xué)表達式。4 聲速和馬赫數(shù)聲速和馬赫數(shù)0pdpvdv0pvTRpvcgs注意注意聲速是狀態(tài)參數(shù)，是指流體在某一狀態(tài)（聲速是狀態(tài)參數(shù)，是指流體在某一狀態(tài)（p、v或或T）時的聲速，稱為當(dāng)?shù)芈曀佟＃r的聲速，稱為當(dāng)?shù)芈曀佟RcccMags理想氣體理想氣體5.2、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面積關(guān)系、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面積關(guān)系 1 壓力與流速變化的關(guān)系壓力與流速變化的關(guān)系0cdcdhvdpdhqvdpcdcpdpMapdpcccdcs2221ppcc2211結(jié)論結(jié)論流動過程中工質(zhì)壓力的變化

5、和速度的變化趨勢流動過程中工質(zhì)壓力的變化和速度的變化趨勢相反相反5.2、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面積關(guān)系、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面積關(guān)系 2 比體積與流速變化的關(guān)系比體積與流速變化的關(guān)系pdpMacdc21結(jié)論結(jié)論比體積的變化和流速的變化是同向的。比體積的變化和流速的變化是同向的。它們的變化率大小關(guān)系則取決于工質(zhì)流速，與它們的變化率大小關(guān)系則取決于工質(zhì)流速，與馬赫數(shù)有關(guān)。馬赫數(shù)有關(guān)。0pdpvdvcdcMavdv25.2、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面積關(guān)系、噴管中氣流參數(shù)變化和噴管截面積關(guān)系 3 流速變化對截面積的要求流速變化對截面積的要求結(jié)論結(jié)論對于噴管或擴壓管，管道截面的增大或減小取

6、對于噴管或擴壓管，管道截面的增大或減小取決于入口狀態(tài)下的馬赫數(shù)。決于入口狀態(tài)下的馬赫數(shù)。cdcMavdv2cdcvdvAdAcdcMaAdA) 1(2 3 流速變化對截面積的要求流速變化對截面積的要求cdcMaAdA) 1(2對對噴管噴管，dc0入口亞聲速流動。入口亞聲速流動。Ma1，則則Ma2 1 0，應(yīng)采用漸縮噴，應(yīng)采用漸縮噴管，即截面積沿流動方向逐漸管，即截面積沿流動方向逐漸減小，減小，dA 0Ma1dA1，則則Ma2 1 0，應(yīng)采用漸擴噴，應(yīng)采用漸擴噴管，即截面積沿流動方向逐漸管，即截面積沿流動方向逐漸增大，增大，dA 0Ma1dA 0Ma1 3 流速變化對截面積的要求流速變化對截面積

7、的要求cdcMaAdA) 1(2對對噴管噴管，dc0如進口馬赫數(shù)如進口馬赫數(shù)Ma1，則應(yīng)當(dāng)，則應(yīng)當(dāng)采用縮放噴管（拉伐爾噴管）采用縮放噴管（拉伐爾噴管）Ma1Ma1dA0臨界截面，氣體達到當(dāng)?shù)匾羲?，對?yīng)的狀態(tài)臨界截面，氣體達到當(dāng)?shù)匾羲?，對?yīng)的狀態(tài)稱為稱為臨界狀態(tài)臨界狀態(tài) 3 流速變化對截面積的要求流速變化對截面積的要求流速流速c比體積比體積v壓力壓力p聲速聲速ac ccrcr喉部喉部,crcrcrApT 3 流速變化對截面積的要求流速變化對截面積的要求cdcMaAdA) 1(2對對擴壓管擴壓管，dc1，則則Ma2 1 0，應(yīng)采用漸縮擴，應(yīng)采用漸縮擴壓管，即截面積沿流動方向逐壓管，即截面積沿流動方

8、向逐漸減小，漸減小，dA 1dA0Ma1入口亞聲速流動。入口亞聲速流動。Ma1，則則Ma2 1 0Ma0Ma1 3 流速變化對截面積的要求流速變化對截面積的要求cdcMaAdA) 1(2對對擴壓管擴壓管，dc1，而要，而要求出口馬赫數(shù)求出口馬赫數(shù)Ma1，則應(yīng)當(dāng)，則應(yīng)當(dāng)采用縮放擴壓管采用縮放擴壓管Ma1dA0確定某一管道是噴管或擴壓管并不取決于管道的形確定某一管道是噴管或擴壓管并不取決于管道的形狀，而是由管道內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)的變化所決定的。狀，而是由管道內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)的變化所決定的。注意注意課堂思考課堂思考 下列形狀的管道，在入口氣流分別為超聲速下列形狀的管道，在入口氣流分別為超聲速流動和亞聲速流動時，分

9、別起到什么作用？流動和亞聲速流動時，分別起到什么作用？亞聲速亞聲速噴管噴管擴壓管擴壓管縮放噴管縮放噴管輸送管道輸送管道超聲速超聲速擴壓管擴壓管噴管噴管縮放擴壓管縮放擴壓管輸送管道輸送管道5.3 滯止參數(shù)滯止參數(shù)定義：氣體流速為定義：氣體流速為0或流速雖大于或流速雖大于0但按定熵過程但按定熵過程折算到流速為折算到流速為0時的各種參數(shù)稱為時的各種參數(shù)稱為滯止參數(shù)滯止參數(shù)。1 理想氣體滯止參數(shù)的確定理想氣體滯止參數(shù)的確定22*chhTchppccTT22*1*TTpp11*TTvv5.4、氣體流經(jīng)噴管的流速、氣體流經(jīng)噴管的流速1 流速的計算流速的計算)(2)(22*21212hhchhckkppvp

10、kkc1*2*2)(112 對理想氣體對理想氣體結(jié)論結(jié)論滯止參數(shù)（即初始狀態(tài)參數(shù)滯止參數(shù)（即初始狀態(tài)參數(shù)p1、v1、c1）一）一定時，出口流速定時，出口流速c2取決于取決于p2/p*壓力比壓力比 5.4、氣體流經(jīng)噴管的流速、氣體流經(jīng)噴管的流速2 臨界流速與臨界壓力比臨界流速與臨界壓力比cr20pp1c2ccrcmax臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)臨界流速臨界流速1*)(112ppvpccrcr*max12vpc理論最大流速理論最大流速kkppvpkkc1*2*2)(112 *2 臨界流速與臨界壓力比臨界流速與臨界壓力比臨界壓力比臨界壓力比1*12ppcrcr單原子的理想氣體：單原子的理想氣體： 1.67，

11、c0.468雙原子的理想氣體：雙原子的理想氣體： 1.4， c 0.528多原子理想氣體：多原子理想氣體： 1.3， c 0.546過熱蒸汽：過熱蒸汽： 1.3， c 0.546干飽和蒸汽：干飽和蒸汽： 1.135， c 0.5775.5 壓氣機的壓氣過程壓氣機的壓氣過程一一 壓氣機的壓縮過程壓氣機的壓縮過程消耗外功使氣體壓縮升壓的設(shè)備統(tǒng)稱為壓氣機。消耗外功使氣體壓縮升壓的設(shè)備統(tǒng)稱為壓氣機。壓氣機分類壓氣機分類壓縮原理和結(jié)構(gòu)壓縮原理和結(jié)構(gòu)活塞式活塞式葉輪式葉輪式引射式引射式工作壓力工作壓力通風(fēng)機（表壓通風(fēng)機（表壓0.01MPa）鼓風(fēng)機（表壓鼓風(fēng)機（表壓0.010.3MPa）壓氣機（表壓壓氣機（

12、表壓0.3MPa以上）以上）一一 壓氣機的壓縮過程壓氣機的壓縮過程1 壓氣機的壓縮過程壓氣機的壓縮過程1）單級活塞式壓氣機的工作原理單級活塞式壓氣機的工作原理a-1 進氣過程進氣過程1-2 壓縮過程壓縮過程2-b 排氣過程排氣過程壓縮過程的耗功可由圖壓縮過程的耗功可由圖中過程線中過程線12與與v軸所軸所包圍的面積表示包圍的面積表示V12abpVV2p20p11 壓氣機的壓縮過程壓氣機的壓縮過程2）單級活塞式壓氣機級的理論耗功）單級活塞式壓氣機級的理論耗功V12abpVV2p20p1進氣過程消耗功量進氣過程消耗功量 p1V1排氣過程作功量排氣過程作功量 p2V2壓縮過程作功量壓縮過程作功量21V

13、Vpdv21pptcVdpWW1 壓氣機的壓縮過程壓氣機的壓縮過程2）單級活塞式壓氣機級的理論耗功）單級活塞式壓氣機級的理論耗功三種壓縮方式三種壓縮方式可逆絕熱壓縮可逆絕熱壓縮111121,kkgstscppTRkkww可逆多變壓縮可逆多變壓縮111121,nngntncppTRnnww可逆定溫壓縮可逆定溫壓縮121,lnppTRwwgTtTc1 壓氣機的壓縮過程壓氣機的壓縮過程2）單級活塞式壓氣機級的理論耗功）單級活塞式壓氣機級的理論耗功pvTs12S2T12n2S2T2nabp2p1jmnp1p2結(jié)論結(jié)論Tcncscwww,TnSTTT, 2, 2, 2二二 壓氣機的實際循環(huán)壓氣機的實際循

14、環(huán)1 基本概念基本概念外止點外止點內(nèi)止點內(nèi)止點距離行程距離行程體積排量體積排量余隙容積余隙容積二二 壓氣機級的實際循環(huán)壓氣機級的實際循環(huán)2 余隙容積余隙容積Vc=V3有效容積有效容積Ve= V1-V4容積效率容積效率hevVV氣缸排量有效吸氣容積活塞排量活塞排量Vh=V1-V3二二 壓氣機級的實際循環(huán)壓氣機級的實際循環(huán)3 增壓比對余隙容積的影響增壓比對余隙容積的影響結(jié)論結(jié)論C和和n一定時，增壓比一定時，增壓比越越大，則容積效率越低，且大，則容積效率越低，且當(dāng)當(dāng)增加到某一值時，容增加到某一值時，容積效率為零積效率為零p2p1V1340VVcVh22p2p2p234hcVVVVV313定義定義余隙

15、容積比余隙容積比CnvCC11二二 壓氣機級的實際循環(huán)壓氣機級的實際循環(huán)4 余隙容積對壓氣機耗功的影響余隙容積對壓氣機耗功的影響12nn43gfpV6Vc結(jié)論結(jié)論如生產(chǎn)增壓比相同，質(zhì)如生產(chǎn)增壓比相同，質(zhì)量相同的同種壓縮氣體，量相同的同種壓縮氣體，理論耗功量與無余隙容理論耗功量與無余隙容積時相同。積時相同。1111nngCTmRnnW4gf431gf12SSWc三三 多級壓縮和級間冷卻多級壓縮和級間冷卻1 多級壓縮多級壓縮pv12S2T2nabp2p1pv12T2nabp2p12n結(jié)論結(jié)論采用多級壓縮，中間冷卻可以減少壓氣機耗采用多級壓縮，中間冷卻可以減少壓氣機耗功，降低壓縮終點溫度。功，降低壓縮終點溫度。三三 多級壓縮和級間冷卻多級壓縮和級間冷卻2 兩級壓縮級間冷卻系統(tǒng)兩級壓縮級間冷卻系統(tǒng)pv12T2nabp3p1p2低壓缸中間冷卻器高壓缸1p2p3p冷卻水2n三三 多級壓縮和級間冷卻多級壓縮和級間冷卻2 兩級壓縮級間冷卻系統(tǒng)兩級壓縮級間冷卻系統(tǒng)pv12T2n