氣體與蒸汽的流動(dòng)課件

第八章氣體與蒸汽的流動(dòng)教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生截面積變化對(duì)熱力流動(dòng)的影響，能進(jìn)行噴管絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的熱力計(jì)算。知識(shí)點(diǎn)：絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的基本關(guān)系式；氣體在噴管中的絕熱流動(dòng)、噴管中流速及流量計(jì)算；噴管主要尺寸的確定；實(shí)際噴管中有摩擦的流動(dòng)；擴(kuò)壓管流動(dòng)；氣體和蒸汽的絕熱節(jié)流。重點(diǎn)：噴管內(nèi)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的基本特性，噴管出口的截面、流速和流量的計(jì)算，噴管的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，絕熱節(jié)流過程的特點(diǎn)。難點(diǎn)：通過確定臨界壓力比，對(duì)噴管進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核的計(jì)算，理想氣體與蒸汽不同的流速和流量計(jì)算公式。第八章氣體與蒸汽的流動(dòng)教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生截面積變化對(duì)熱力1工質(zhì)氣體—理想氣體蒸汽—水蒸汽流動(dòng)—這里指流體在管道內(nèi)的流動(dòng)，特點(diǎn)是WS=0。1122ii工質(zhì)氣體—理想氣體蒸汽—水蒸汽流動(dòng)—這里指流體在管道內(nèi)的流動(dòng)21、沿流動(dòng)方向上的一維問題：取同一截面上某參數(shù)的平均值作為該截面上各點(diǎn)該參數(shù)的值。2、可逆絕熱過程：流體流過管道的時(shí)間很短，與外界換熱很小，可視為絕熱，另外，不計(jì)管道摩擦。穩(wěn)定流動(dòng)：

流體在流經(jīng)空間任何一點(diǎn)時(shí)，其全部參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)過程。

簡(jiǎn)化假設(shè)：8-1

穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式1、沿流動(dòng)方向上的一維問題：取同一截面上某參數(shù)的平均值作為該3一、連續(xù)性方程

穩(wěn)定流動(dòng)中，任一截面的所有參數(shù)均不隨時(shí)間而變，故流經(jīng)一定截面的質(zhì)量流量應(yīng)為定值，不隨時(shí)間而變。

如圖取截面1－1和2－2，兩截面的質(zhì)量流量分別為qm1、qm2，流速cf1、cf2，比體積為v1和v2，截面積A1、A2一、連續(xù)性方程穩(wěn)定流動(dòng)中，任一截面的所有參數(shù)均不隨時(shí)間而4根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)上式兩端微分，得：以上兩式為穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)方程式。它描述了流道內(nèi)的流速、比體積和截面積之間的關(guān)系。普遍適用于穩(wěn)定流動(dòng)過程。（8-1）（8-2）根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)上式兩端微分，得：以上兩式為穩(wěn)定流動(dòng)51）對(duì)于不可壓流體（dv=0），如液體等，流體速度的改變?nèi)Q于截面的改變，截面積A與流速cf成反比；2）對(duì)于氣體等可壓流，流速的變化取決于截面和比體積的綜合變化。結(jié)論：1）對(duì)于不可壓流體（dv=0），如液體等，流體速度的改變6二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式由流動(dòng)能量方程：

不計(jì)位能，無(wú)軸功，絕熱，則：微分上式：噴管內(nèi)流動(dòng)的能量變化基本關(guān)系式。二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式由流動(dòng)能量方程：不計(jì)位能，無(wú)軸功，絕71）氣體動(dòng)能的增加等于氣流的焓降;2）任一截面上工質(zhì)的焓與其動(dòng)能之和保持定值，把兩者之和定義為一個(gè)參數(shù)：總焓或滯止焓h0。結(jié)論：1）氣體動(dòng)能的增加等于氣流的焓降;結(jié)論：8氣體在絕熱流動(dòng)過程中，因受到某種阻礙流速降為零的過程。在絕熱滯止時(shí)的溫度和壓力稱為滯止溫度T0和滯止壓力p0。若過程為定熵滯止過程：絕熱滯止過程：氣體在絕熱流動(dòng)過程中，因受到某種阻礙流速降為零的過程。絕901h0hp0p1s定熵滯止過程可獲得最高的壓力01h0hp0p1s定熵滯止過程可獲得最高的壓力10在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，若：1）任一截面上的參數(shù)不隨時(shí)間而變化；2）與外界沒有熱量交換；3）流經(jīng)相鄰兩截面時(shí)各參數(shù)是連續(xù)變化；4）不計(jì)摩擦和擾動(dòng)。三、過程方程式則過程是可逆絕熱過程。任意兩截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)可用可逆絕熱過程方程式描述，對(duì)理想氣體（定比熱容）有：微分上式，得：在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，若：三、過程方程式則過程是可逆絕熱過程。任11Ma＜1亞聲速M(fèi)a＝1氣流速度等于當(dāng)?shù)芈曀費(fèi)a＞1超聲速四、音速方程對(duì)于理想氣體得：馬赫數(shù)：氣體的流速與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎?。Ma＜1亞聲速四、音速方程對(duì)于理想氣體得：馬赫數(shù)：氣體的12噴管：流速升高的管道；擴(kuò)壓管：流速降低、壓力升高的管道。由流體力學(xué)的觀點(diǎn)可知，要使工質(zhì)的流速改變，可通過以下兩種方法達(dá)到：1）截面積不變，改變進(jìn)出口的壓差－力學(xué)條件；2）固定壓差，改變進(jìn)出口截面面積－幾何條件。8-2促使流速改變的條件噴管：流速升高的管道；由流體力學(xué)的觀點(diǎn)可知，要使工質(zhì)的13一、

力學(xué)條件聯(lián)立流動(dòng)能量方程式和熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：可得：一、力學(xué)條件聯(lián)立流動(dòng)能量方程式和熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：可得14微分式：結(jié)論：

dcf、dp的符號(hào)始終相反，即：氣體在流動(dòng)過程中流速增加，則壓力下降；如壓力升高，則流速必降低。微分式：結(jié)論：dcf、dp的符號(hào)始終相反，即：氣體在流動(dòng)15

Ma<1時(shí)，dv/v<dcf/cfMa>1時(shí)，dv/v>dcf/cf二、幾何條件

該式揭示了定熵流動(dòng)中氣體比體積變化率和流速變化率之間的關(guān)系：Ma<1時(shí)，dv/v<dcf/cf二、幾何條件16結(jié)論：

當(dāng)流速變化時(shí)，氣流截面積的變化規(guī)律不但與流速的變化有關(guān)，還與當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)有關(guān)。結(jié)論：當(dāng)流速變化時(shí)，氣流截面積的變化規(guī)律不但與流速的變化17

Ma<1,亞聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；

Ma=1,聲速流動(dòng),dA=0,截面縮至最小；

Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA>0,截面擴(kuò)張；1、噴管（dcf>0)的截面形狀與流速間的關(guān)系Ma<1,亞聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；1、噴管（dcf18縮放噴管（拉伐爾噴管）：

縮放噴管可實(shí)現(xiàn)氣流從亞聲速變?yōu)槌曀?，在噴管最小截面（喉部截面或臨界截面）處Ma=1，在臨界截面處的參數(shù)稱為臨界參數(shù)（以下標(biāo)cr表示），如：縮放噴管（拉伐爾噴管）：縮放噴管可實(shí)現(xiàn)氣流從亞聲速變?yōu)槌?9流速c比容v壓力p音速a噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)沿流動(dòng)方向的變化規(guī)律Cc噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)沿流動(dòng)方向的變化規(guī)律流速c比容v壓力p音速a噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)Cc噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)20

Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；

Ma=1,聲速流動(dòng),dA=0,截面縮至最小；

Ma＜1,亞聲速流動(dòng),dA>0,截面擴(kuò)張。2、擴(kuò)壓管（dcf＜0)的截面形狀與流速間的關(guān)系Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；2、擴(kuò)壓管（dc21噴管混合室擴(kuò)壓管高壓工作流體被引射流體工程舉例1:引射式壓縮器——引射器引射器示意圖噴管混合室擴(kuò)壓管高壓工作流體被引射流體工程舉例1:引射式壓縮22工程舉例2:汽輪機(jī)的基本作功單元能量轉(zhuǎn)換的主要部件是一組噴管和一圈動(dòng)葉，由它們組合而成的工作單元，稱為汽輪機(jī)的一個(gè)“級(jí)”。工程舉例2:汽輪機(jī)的基本作功單元能量轉(zhuǎn)換的主要部件是一組噴管23氣體與蒸汽的流動(dòng)課件24氣體與蒸汽的流動(dòng)課件25噴管計(jì)算的主要內(nèi)容：1、噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算：

據(jù)給定條件（氣流初參數(shù)、流量及背壓），選擇噴管的外形及確定幾何尺寸。2、噴管的校核計(jì)算：

已知噴管的形狀和尺寸及不同的工作條件，確定出口流速和通過噴管的流量。8－3噴管的計(jì)算噴管計(jì)算的主要內(nèi)容：1、噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算：據(jù)給定條件（氣流26一、流速計(jì)算及其分析1、計(jì)算流速的公式：出口流速：不計(jì)cf1，則對(duì)氣體性質(zhì)沒有規(guī)定。一、流速計(jì)算及其分析1、計(jì)算流速的公式：出口流速：不計(jì)cf27假設(shè)：1）理想氣體；

2）定值比熱容；

3）流動(dòng)可逆；

4）滿足幾何條件。2、狀態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響假設(shè)：1）理想氣體；2、狀態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響28氣體與蒸汽的流動(dòng)課件29在初態(tài)確定的條件下：在初態(tài)確定的條件下：30當(dāng)p2＝0時(shí)，出口速度達(dá)最大，即：此速度實(shí)際上是達(dá)不到的，因?yàn)閴毫呌诹銜r(shí)比體積趨于無(wú)窮大。當(dāng)p2＝0時(shí)，出口速度達(dá)最大，即：此速度實(shí)際上是達(dá)不到的，因313、臨界壓力比在臨界截面上：定義臨界壓比：雙原子氣體：

k=1.4

νcr=0.528過熱蒸汽：

k=1.3ν

cr=0.546干飽和蒸汽：

k=1.135νcr=0.5773、臨界壓力比在臨界截面上：定義臨界壓比：雙原子氣體：32臨界壓力比是分析管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)重要數(shù)值，截面上工質(zhì)的壓力與滯止壓力之比等于臨界壓力比是氣流速度從亞聲速到超聲速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；以上分析在理論上只適用于定比熱容理想氣體的可逆絕熱流動(dòng)，對(duì)于水蒸氣的可逆絕熱流動(dòng)，k為一經(jīng)驗(yàn)值，不是比熱比。結(jié)論：臨界壓力比是分析管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)重要數(shù)值，截面上工質(zhì)的壓力與滯33臨界速度：臨界速度：34二、流量計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：

根據(jù)連續(xù)方程，噴管各截面的質(zhì)量流量相等。但各種形式噴管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收縮噴管的出口截面、縮放噴管的喉部截面）來(lái)計(jì)算流量，即：二、流量計(jì)算漸縮噴管：根據(jù)連續(xù)方程，噴管各截面的質(zhì)量流量35代入速度公式可得：代入速度公式可得：36氣體與蒸汽的流動(dòng)課件37結(jié)論：

當(dāng)A2及進(jìn)口截面參數(shù)保持不變時(shí)：

對(duì)于漸縮噴管：？結(jié)論：當(dāng)A2及進(jìn)口截面參數(shù)保持不變時(shí)：對(duì)于漸縮噴管：？3800.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

漸縮噴管流量實(shí)驗(yàn)曲線

（p1=1bart1=20℃）pb/p13.0kg/s2.52.01.51.00.50.0理論曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線00.10.239

對(duì)于縮放噴管：

盡管在喉道后氣流速度達(dá)到超音速，噴管截面面積擴(kuò)大，但據(jù)質(zhì)量守恒原理其截面上的質(zhì)量流量與喉道處相等，因此流量保持不變，如圖中曲線bc。但如果出口截面面積A2保持不變，則隨著p2下降，將使實(shí)際所需的喉道面積減小，則會(huì)出現(xiàn)流量減小，如圖中虛線所示。在正常工作條件下：在喉道處：對(duì)于縮放噴管：盡管在喉道后氣流速度達(dá)到超音速，噴4000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

縮放噴管流量實(shí)驗(yàn)曲線

（p1=1bart1=20℃）pb/p13.0kg/s2.52.01.51.00.50.0理論曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線00.10.241三、噴管外形選擇和尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)目的：1、確定噴管幾何形狀；

2、保證氣流充分膨脹。三、噴管外形選擇和尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)目的：1、確定噴管幾何形狀；421、外形選擇：漸縮噴管縮放噴管1、外形選擇：漸縮噴管縮放噴管432、尺寸計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：2、尺寸計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：44四、噴管的校核計(jì)算（漸縮形噴管）已知噴管的形狀，測(cè)量出計(jì)算關(guān)鍵是確定出口截面上的壓力步驟１）判斷出口截面的壓力若若２）計(jì)算流速３）計(jì)算流量計(jì)算壓比四、噴管的校核計(jì)算（漸縮形噴管）已知噴管的形狀，測(cè)量出計(jì)算關(guān)45一、漸縮噴管8-4背壓變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過程簡(jiǎn)析一、漸縮噴管8-4背壓變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過程簡(jiǎn)析46二、縮放噴管

在設(shè)計(jì)工況下：喉道處為臨界狀態(tài)，收縮段為亞音速，擴(kuò)張段為超音速；圖中ABC。在E處產(chǎn)生正激波，氣流速度下降為亞音速二、縮放噴管在設(shè)計(jì)工況下：喉道處為臨界狀態(tài)，收縮段為亞音47例題8.1設(shè)進(jìn)入噴管的氮?dú)獾膲毫?.4MPa，溫度為227℃，而出口背壓為0.15MPa,試選用噴管形狀，計(jì)算出口截面氣體的壓力、氣流速度及馬赫數(shù)。解1）選形因壓比所以選取縮放形噴管，且出口截面的壓力應(yīng)等于背壓。2）計(jì)算氣流的出口速度及馬赫數(shù)出口截面的壓力出口截面的溫度出口截面的流速出口截面的音速出口截面的馬赫數(shù)例題例題8.1設(shè)進(jìn)入噴管的氮?dú)獾膲毫?.4MPa，溫度為248例題8.2

空氣自儲(chǔ)氣筒經(jīng)噴管射出，p0=78.46×105Pa,t0=15℃。Pb=0.9807×105Pa。若噴管的最小截面積為20mm2,試問空氣自噴管射出的最大流量。解求壓比可知無(wú)論采用哪種噴管其最小截面處流速都等于當(dāng)?shù)匾羲?，且流量恒為最小截面處的壓力最小截面處的溫度最小截面處的流速最小截面處的比容最大流量最大流量例題8.2空氣自儲(chǔ)氣筒經(jīng)噴管射出，p0=78.46×105498-5有摩阻的絕熱流動(dòng)

由于存在摩擦，實(shí)際流動(dòng)是不可逆過程，過程中存在耗散，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，并被氣流吸收。8-5有摩阻的絕熱流動(dòng)由于存在摩擦，實(shí)際流動(dòng)是不可逆過50

焓的增加量等于動(dòng)能的減小量

有摩阻的絕熱流動(dòng)：由能量方程式得：焓的增加量等于動(dòng)能的減小量有摩阻的絕熱流動(dòng)：由能量方程式51

速度系數(shù)：

能量損失系數(shù)ξ：工程上表示氣流出口速度下降和動(dòng)能減小的兩個(gè)系數(shù)：速度系數(shù)：能量損失系數(shù)ξ：工程上表示氣流出口速度52氣體在噴管內(nèi)的可逆與不可逆絕熱過程的區(qū)別12T0T1Ts1s2p1p212h2h1hs1s2p1p2ss不可逆絕熱流動(dòng)在坐標(biāo)圖上的表示作功能力損失氣體在噴管內(nèi)的可逆與不可逆絕熱過程的區(qū)別12T0T1Ts1s53hs21s2s1h1－h(huán)2p1p2h1－h(huán)2’x=1水蒸汽的不可逆絕熱流動(dòng)定熵流動(dòng)實(shí)際流動(dòng)能量損失續(xù)39hs21s2s1h1－h(huán)2p1p2h1－h(huán)2’x=1水蒸汽的548－6絕熱節(jié)流

流體流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備時(shí)，由于局部阻力，使流體壓力下降，稱為節(jié)流現(xiàn)象。如果節(jié)流過程是絕熱的，則為絕熱節(jié)流，簡(jiǎn)稱節(jié)流。8－6絕熱節(jié)流流體流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備時(shí)，由于局部阻55標(biāo)準(zhǔn)孔板法蘭取樣孔

孔板流量計(jì)示意圖管道孔板流量計(jì)示意圖標(biāo)準(zhǔn)孔板法蘭取樣孔孔板流量計(jì)示意圖管道孔板流量計(jì)示意56123速度變化曲線壓力變化曲線流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速的變化情況流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速的變化情況123速度變化曲線壓力變化曲線流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速的變57一、絕熱節(jié)流的特點(diǎn)

節(jié)流過程不可逆

節(jié)流前后流體的焓不變

節(jié)流后壓力下降、比體積增大一、絕熱節(jié)流的特點(diǎn)節(jié)流過程不可逆節(jié)流前后流體的焓不變節(jié)58

絕熱節(jié)流系數(shù)（焦耳－湯姆遜系數(shù)）：二、節(jié)流的溫度效應(yīng)

1、絕熱節(jié)流系數(shù)因?yàn)?所以:絕熱節(jié)流系數(shù)（焦耳－湯姆遜系數(shù)）：二、節(jié)流的溫度效應(yīng)1、59節(jié)流冷效應(yīng)節(jié)流熱效應(yīng)節(jié)流零效應(yīng)

因?yàn)楣?jié)流過程壓力下降，即dp<0

2、絕熱節(jié)流的微分效應(yīng)

絕熱節(jié)流系數(shù)又稱為節(jié)流的微分效應(yīng)。

節(jié)流微分效應(yīng)為零的氣流溫度稱為轉(zhuǎn)回溫度。節(jié)流冷效應(yīng)節(jié)流熱效應(yīng)節(jié)流零效應(yīng)因?yàn)楣?jié)流過程壓力下降，即dp60

當(dāng)壓力變化一定值后,流體溫度由變?yōu)椋^熱節(jié)流后流體的溫度變化稱為節(jié)流的溫度（積分）效應(yīng)。節(jié)流冷效應(yīng)節(jié)流熱效應(yīng)節(jié)流零效應(yīng)

對(duì)于理想氣體，只有節(jié)流零效應(yīng)，因?yàn)椋?/p>

3、絕熱節(jié)流的積分效應(yīng)積分效應(yīng)與微分效應(yīng)是不相同的。當(dāng)壓力變化一定值后,流體溫度由61三、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)變圖

保持狀態(tài)1不變，改變流體的流量得出一組節(jié)流后狀態(tài)點(diǎn)2a,2b,2c,2d…三、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)變圖保持狀態(tài)1不變，改變流體的流量得出一組62三、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)變圖

在一定焓值范圍內(nèi)，定焓線都有一個(gè)溫度極值點(diǎn)：定焓線的斜率這些點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)變點(diǎn)，轉(zhuǎn)變點(diǎn)的連線為轉(zhuǎn)變（轉(zhuǎn)回）曲線。轉(zhuǎn)變曲線將圖分為兩個(gè)區(qū)域：冷效應(yīng)區(qū)（J＞0）：轉(zhuǎn)變曲線與溫度軸包圍的區(qū)域熱效應(yīng)區(qū)（J＜0）：轉(zhuǎn)變曲線以外的區(qū)域三、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)變圖在一定焓值范圍內(nèi)，定焓線都有一個(gè)溫度極值63三、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)變圖

宏觀節(jié)流過程三種狀況1、節(jié)流過程發(fā)生在冷效應(yīng)區(qū)，恒有J＞0，節(jié)流冷效應(yīng)。2、節(jié)流過程發(fā)生在熱效應(yīng)區(qū)，恒有J＜0，節(jié)流熱效應(yīng)。3、節(jié)流過程狀態(tài)1在熱效應(yīng)區(qū)，而狀態(tài)點(diǎn)2在冷效應(yīng)區(qū)，這時(shí)節(jié)流溫度效應(yīng)還與dp有關(guān)。圖中1－2c為熱效應(yīng)，1－2d為零效應(yīng)，1-2e為冷效應(yīng)。三、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)變圖宏觀節(jié)流過程三種狀況1、節(jié)流過程發(fā)生在冷64四、最大轉(zhuǎn)變壓力

圖中pN為最大轉(zhuǎn)變壓力

流體在大于pN的壓力范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生(微分)節(jié)流冷效應(yīng)。

流體在小于pN的壓力范圍內(nèi)的任一定壓線與轉(zhuǎn)變曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)溫度：T1＝TK

最大轉(zhuǎn)變溫度T2＝Tmin

最小轉(zhuǎn)變溫度p0T1上轉(zhuǎn)變溫度T2下轉(zhuǎn)變溫度

流體溫度大于TK或小于Tmin

時(shí)，不會(huì)發(fā)生節(jié)流冷效應(yīng)。四、最大轉(zhuǎn)變壓力圖中pN為最大轉(zhuǎn)變壓力流體在大于pN的壓65五、節(jié)流過程的應(yīng)用

制冷(節(jié)流冷效應(yīng))

調(diào)節(jié)功率(調(diào)節(jié)流量和作功能力)

流體流量測(cè)量（孔板流量計(jì)）建立實(shí)際氣體狀態(tài)方程式五、節(jié)流過程的應(yīng)用制冷(節(jié)流冷效應(yīng))66本章小結(jié)一、基本方程1、連續(xù)性方程2、能量方程3、過程方程4、音速方程本章小結(jié)一、基本方程1、連續(xù)性方程2、能量方程3、過程方程467本章小結(jié)二、促使流速改變的條件1、力學(xué)條件2、幾何條件本章小結(jié)二、促使流速改變的條件1、力學(xué)條件2、幾何條件68本章小結(jié)三、噴管計(jì)算1、流速計(jì)算理想氣體本章小結(jié)三、噴管計(jì)算1、流速計(jì)算理想氣體69本章小結(jié)三、噴管計(jì)算1、流速計(jì)算理想氣體本章小結(jié)三、噴管計(jì)算1、流速計(jì)算理想氣體70本章小結(jié)三、噴管計(jì)算2、流量計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：本章小結(jié)三、噴管計(jì)算2、流量計(jì)算漸縮噴管：71漸縮噴管縮放噴管本章小結(jié)三、噴管計(jì)算3、外形選擇漸縮噴管縮放噴管本章小結(jié)三、噴管計(jì)算3、外形選擇72本章小結(jié)四、絕熱節(jié)流1、絕熱節(jié)流的特點(diǎn)2、節(jié)流的溫度效應(yīng)本章小結(jié)四、絕熱節(jié)流1、絕熱節(jié)流的特點(diǎn)2、節(jié)流的溫度效應(yīng)73本章結(jié)束本章結(jié)束74第八章氣體與蒸汽的流動(dòng)教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生截面積變化對(duì)熱力流動(dòng)的影響，能進(jìn)行噴管絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的熱力計(jì)算。知識(shí)點(diǎn)：絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的基本關(guān)系式；氣體在噴管中的絕熱流動(dòng)、噴管中流速及流量計(jì)算；噴管主要尺寸的確定；實(shí)際噴管中有摩擦的流動(dòng)；擴(kuò)壓管流動(dòng)；氣體和蒸汽的絕熱節(jié)流。重點(diǎn)：噴管內(nèi)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)的基本特性，噴管出口的截面、流速和流量的計(jì)算，噴管的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，絕熱節(jié)流過程的特點(diǎn)。難點(diǎn)：通過確定臨界壓力比，對(duì)噴管進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核的計(jì)算，理想氣體與蒸汽不同的流速和流量計(jì)算公式。第八章氣體與蒸汽的流動(dòng)教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生截面積變化對(duì)熱力75工質(zhì)氣體—理想氣體蒸汽—水蒸汽流動(dòng)—這里指流體在管道內(nèi)的流動(dòng)，特點(diǎn)是WS=0。1122ii工質(zhì)氣體—理想氣體蒸汽—水蒸汽流動(dòng)—這里指流體在管道內(nèi)的流動(dòng)761、沿流動(dòng)方向上的一維問題：取同一截面上某參數(shù)的平均值作為該截面上各點(diǎn)該參數(shù)的值。2、可逆絕熱過程：流體流過管道的時(shí)間很短，與外界換熱很小，可視為絕熱，另外，不計(jì)管道摩擦。穩(wěn)定流動(dòng)：

流體在流經(jīng)空間任何一點(diǎn)時(shí)，其全部參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)過程。

簡(jiǎn)化假設(shè)：8-1

穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式1、沿流動(dòng)方向上的一維問題：取同一截面上某參數(shù)的平均值作為該77一、連續(xù)性方程

穩(wěn)定流動(dòng)中，任一截面的所有參數(shù)均不隨時(shí)間而變，故流經(jīng)一定截面的質(zhì)量流量應(yīng)為定值，不隨時(shí)間而變。

如圖取截面1－1和2－2，兩截面的質(zhì)量流量分別為qm1、qm2，流速cf1、cf2，比體積為v1和v2，截面積A1、A2一、連續(xù)性方程穩(wěn)定流動(dòng)中，任一截面的所有參數(shù)均不隨時(shí)間而78根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)上式兩端微分，得：以上兩式為穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)方程式。它描述了流道內(nèi)的流速、比體積和截面積之間的關(guān)系。普遍適用于穩(wěn)定流動(dòng)過程。（8-1）（8-2）根據(jù)質(zhì)量守恒定律：對(duì)上式兩端微分，得：以上兩式為穩(wěn)定流動(dòng)791）對(duì)于不可壓流體（dv=0），如液體等，流體速度的改變?nèi)Q于截面的改變，截面積A與流速cf成反比；2）對(duì)于氣體等可壓流，流速的變化取決于截面和比體積的綜合變化。結(jié)論：1）對(duì)于不可壓流體（dv=0），如液體等，流體速度的改變80二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式由流動(dòng)能量方程：

不計(jì)位能，無(wú)軸功，絕熱，則：微分上式：噴管內(nèi)流動(dòng)的能量變化基本關(guān)系式。二、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式由流動(dòng)能量方程：不計(jì)位能，無(wú)軸功，絕811）氣體動(dòng)能的增加等于氣流的焓降;2）任一截面上工質(zhì)的焓與其動(dòng)能之和保持定值，把兩者之和定義為一個(gè)參數(shù)：總焓或滯止焓h0。結(jié)論：1）氣體動(dòng)能的增加等于氣流的焓降;結(jié)論：82氣體在絕熱流動(dòng)過程中，因受到某種阻礙流速降為零的過程。在絕熱滯止時(shí)的溫度和壓力稱為滯止溫度T0和滯止壓力p0。若過程為定熵滯止過程：絕熱滯止過程：氣體在絕熱流動(dòng)過程中，因受到某種阻礙流速降為零的過程。絕8301h0hp0p1s定熵滯止過程可獲得最高的壓力01h0hp0p1s定熵滯止過程可獲得最高的壓力84在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，若：1）任一截面上的參數(shù)不隨時(shí)間而變化；2）與外界沒有熱量交換；3）流經(jīng)相鄰兩截面時(shí)各參數(shù)是連續(xù)變化；4）不計(jì)摩擦和擾動(dòng)。三、過程方程式則過程是可逆絕熱過程。任意兩截面上氣體的狀態(tài)參數(shù)可用可逆絕熱過程方程式描述，對(duì)理想氣體（定比熱容）有：微分上式，得：在穩(wěn)定流動(dòng)過程中，若：三、過程方程式則過程是可逆絕熱過程。任85Ma＜1亞聲速M(fèi)a＝1氣流速度等于當(dāng)?shù)芈曀費(fèi)a＞1超聲速四、音速方程對(duì)于理想氣體得：馬赫數(shù)：氣體的流速與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎怠a＜1亞聲速四、音速方程對(duì)于理想氣體得：馬赫數(shù)：氣體的86噴管：流速升高的管道；擴(kuò)壓管：流速降低、壓力升高的管道。由流體力學(xué)的觀點(diǎn)可知，要使工質(zhì)的流速改變，可通過以下兩種方法達(dá)到：1）截面積不變，改變進(jìn)出口的壓差－力學(xué)條件；2）固定壓差，改變進(jìn)出口截面面積－幾何條件。8-2促使流速改變的條件噴管：流速升高的管道；由流體力學(xué)的觀點(diǎn)可知，要使工質(zhì)的87一、

力學(xué)條件聯(lián)立流動(dòng)能量方程式和熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：可得：一、力學(xué)條件聯(lián)立流動(dòng)能量方程式和熱力學(xué)第一定律表達(dá)式：可得88微分式：結(jié)論：

dcf、dp的符號(hào)始終相反，即：氣體在流動(dòng)過程中流速增加，則壓力下降；如壓力升高，則流速必降低。微分式：結(jié)論：dcf、dp的符號(hào)始終相反，即：氣體在流動(dòng)89

Ma<1時(shí)，dv/v<dcf/cfMa>1時(shí)，dv/v>dcf/cf二、幾何條件

該式揭示了定熵流動(dòng)中氣體比體積變化率和流速變化率之間的關(guān)系：Ma<1時(shí)，dv/v<dcf/cf二、幾何條件90結(jié)論：

當(dāng)流速變化時(shí)，氣流截面積的變化規(guī)律不但與流速的變化有關(guān)，還與當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)有關(guān)。結(jié)論：當(dāng)流速變化時(shí)，氣流截面積的變化規(guī)律不但與流速的變化91

Ma<1,亞聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；

Ma=1,聲速流動(dòng),dA=0,截面縮至最??；

Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA>0,截面擴(kuò)張；1、噴管（dcf>0)的截面形狀與流速間的關(guān)系Ma<1,亞聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；1、噴管（dcf92縮放噴管（拉伐爾噴管）：

縮放噴管可實(shí)現(xiàn)氣流從亞聲速變?yōu)槌曀?，在噴管最小截面（喉部截面或臨界截面）處Ma=1，在臨界截面處的參數(shù)稱為臨界參數(shù)（以下標(biāo)cr表示），如：縮放噴管（拉伐爾噴管）：縮放噴管可實(shí)現(xiàn)氣流從亞聲速變?yōu)槌?3流速c比容v壓力p音速a噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)沿流動(dòng)方向的變化規(guī)律Cc噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)沿流動(dòng)方向的變化規(guī)律流速c比容v壓力p音速a噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)Cc噴管內(nèi)工質(zhì)各參數(shù)94

Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；

Ma=1,聲速流動(dòng),dA=0,截面縮至最?。?/p>

Ma＜1,亞聲速流動(dòng),dA>0,截面擴(kuò)張。2、擴(kuò)壓管（dcf＜0)的截面形狀與流速間的關(guān)系Ma＞1,超聲速流動(dòng),dA<0,截面收縮；2、擴(kuò)壓管（dc95噴管混合室擴(kuò)壓管高壓工作流體被引射流體工程舉例1:引射式壓縮器——引射器引射器示意圖噴管混合室擴(kuò)壓管高壓工作流體被引射流體工程舉例1:引射式壓縮96工程舉例2:汽輪機(jī)的基本作功單元能量轉(zhuǎn)換的主要部件是一組噴管和一圈動(dòng)葉，由它們組合而成的工作單元，稱為汽輪機(jī)的一個(gè)“級(jí)”。工程舉例2:汽輪機(jī)的基本作功單元能量轉(zhuǎn)換的主要部件是一組噴管97氣體與蒸汽的流動(dòng)課件98氣體與蒸汽的流動(dòng)課件99噴管計(jì)算的主要內(nèi)容：1、噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算：

據(jù)給定條件（氣流初參數(shù)、流量及背壓），選擇噴管的外形及確定幾何尺寸。2、噴管的校核計(jì)算：

已知噴管的形狀和尺寸及不同的工作條件，確定出口流速和通過噴管的流量。8－3噴管的計(jì)算噴管計(jì)算的主要內(nèi)容：1、噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算：據(jù)給定條件（氣流100一、流速計(jì)算及其分析1、計(jì)算流速的公式：出口流速：不計(jì)cf1，則對(duì)氣體性質(zhì)沒有規(guī)定。一、流速計(jì)算及其分析1、計(jì)算流速的公式：出口流速：不計(jì)cf101假設(shè)：1）理想氣體；

2）定值比熱容；

3）流動(dòng)可逆；

4）滿足幾何條件。2、狀態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響假設(shè)：1）理想氣體；2、狀態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響102氣體與蒸汽的流動(dòng)課件103在初態(tài)確定的條件下：在初態(tài)確定的條件下：104當(dāng)p2＝0時(shí)，出口速度達(dá)最大，即：此速度實(shí)際上是達(dá)不到的，因?yàn)閴毫呌诹銜r(shí)比體積趨于無(wú)窮大。當(dāng)p2＝0時(shí)，出口速度達(dá)最大，即：此速度實(shí)際上是達(dá)不到的，因1053、臨界壓力比在臨界截面上：定義臨界壓比：雙原子氣體：

k=1.4

νcr=0.528過熱蒸汽：

k=1.3ν

cr=0.546干飽和蒸汽：

k=1.135νcr=0.5773、臨界壓力比在臨界截面上：定義臨界壓比：雙原子氣體：106臨界壓力比是分析管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)重要數(shù)值，截面上工質(zhì)的壓力與滯止壓力之比等于臨界壓力比是氣流速度從亞聲速到超聲速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；以上分析在理論上只適用于定比熱容理想氣體的可逆絕熱流動(dòng)，對(duì)于水蒸氣的可逆絕熱流動(dòng)，k為一經(jīng)驗(yàn)值，不是比熱比。結(jié)論：臨界壓力比是分析管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)重要數(shù)值，截面上工質(zhì)的壓力與滯107臨界速度：臨界速度：108二、流量計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：

根據(jù)連續(xù)方程，噴管各截面的質(zhì)量流量相等。但各種形式噴管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收縮噴管的出口截面、縮放噴管的喉部截面）來(lái)計(jì)算流量，即：二、流量計(jì)算漸縮噴管：根據(jù)連續(xù)方程，噴管各截面的質(zhì)量流量109代入速度公式可得：代入速度公式可得：110氣體與蒸汽的流動(dòng)課件111結(jié)論：

當(dāng)A2及進(jìn)口截面參數(shù)保持不變時(shí)：

對(duì)于漸縮噴管：？結(jié)論：當(dāng)A2及進(jìn)口截面參數(shù)保持不變時(shí)：對(duì)于漸縮噴管：？11200.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

漸縮噴管流量實(shí)驗(yàn)曲線

（p1=1bart1=20℃）pb/p13.0kg/s2.52.01.51.00.50.0理論曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線00.10.2113

對(duì)于縮放噴管：

盡管在喉道后氣流速度達(dá)到超音速，噴管截面面積擴(kuò)大，但據(jù)質(zhì)量守恒原理其截面上的質(zhì)量流量與喉道處相等，因此流量保持不變，如圖中曲線bc。但如果出口截面面積A2保持不變，則隨著p2下降，將使實(shí)際所需的喉道面積減小，則會(huì)出現(xiàn)流量減小，如圖中虛線所示。在正常工作條件下：在喉道處：對(duì)于縮放噴管：盡管在喉道后氣流速度達(dá)到超音速，噴11400.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

縮放噴管流量實(shí)驗(yàn)曲線

（p1=1bart1=20℃）pb/p13.0kg/s2.52.01.51.00.50.0理論曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線00.10.2115三、噴管外形選擇和尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)目的：1、確定噴管幾何形狀；

2、保證氣流充分膨脹。三、噴管外形選擇和尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)目的：1、確定噴管幾何形狀；1161、外形選擇：漸縮噴管縮放噴管1、外形選擇：漸縮噴管縮放噴管1172、尺寸計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：2、尺寸計(jì)算漸縮噴管：縮放噴管：118四、噴管的校核計(jì)算（漸縮形噴管）已知噴管的形狀，測(cè)量出計(jì)算關(guān)鍵是確定出口截面上的壓力步驟１）判斷出口截面的壓力若若２）計(jì)算流速３）計(jì)算流量計(jì)算壓比四、噴管的校核計(jì)算（漸縮形噴管）已知噴管的形狀，測(cè)量出計(jì)算關(guān)119一、漸縮噴管8-4背壓變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過程簡(jiǎn)析一、漸縮噴管8-4背壓變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過程簡(jiǎn)析120二、縮放噴管

在設(shè)計(jì)工況下：喉道處為臨界狀態(tài)，收縮段為亞音速，擴(kuò)張段為超音速；圖中ABC。在E處產(chǎn)生正激波，氣流速度下降為亞音速二、縮放噴管在設(shè)計(jì)工況下：喉道處為臨界狀態(tài)，收縮段為亞音121例題8.1設(shè)進(jìn)入噴管的氮?dú)獾膲毫?.4MPa，溫度為227℃，而出口背壓為0.15MPa,試選用噴管形狀，計(jì)算出口截面氣體的壓力、氣流速度及馬赫數(shù)。解1）選形因壓比所以選取縮放形噴管，且出口截面的壓力應(yīng)等于背壓。2）計(jì)算氣流的出口速度及馬赫數(shù)出口截面的壓力出口截面的溫度出口截面的流速出口截面的音速出口截面的馬赫數(shù)例題例題8.1設(shè)進(jìn)入噴管的氮?dú)獾膲毫?.4MPa，溫度為2122例題8.2

空氣自儲(chǔ)氣筒經(jīng)噴管射出，p0=78.46×105Pa,t0=15℃。Pb=0.9807×105Pa。若噴管的最小截面積為20mm2,試問空氣自噴管射出的最大流量。解求壓比可知無(wú)論采用哪種噴管其最小截面處流速都等于當(dāng)?shù)匾羲伲伊髁亢銥樽钚〗孛嫣幍膲毫ψ钚〗孛嫣幍臏囟茸钚〗孛嫣幍牧魉僮钚〗孛嫣幍谋热葑畲罅髁孔畲罅髁坷}8.2空氣自儲(chǔ)氣筒經(jīng)噴管射出，p0=78.46×1051238-5有摩阻的絕熱流動(dòng)

由于存在摩擦，實(shí)際流動(dòng)是不可逆過程，過程中存在耗散，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，并被氣流吸收。8-5有摩阻的絕熱流動(dòng)由于存在摩擦，實(shí)際流動(dòng)是不可逆過124

焓的增加量等于動(dòng)能的減小量

有摩阻的絕熱流動(dòng)：由能量方程式得：焓的增加量等于動(dòng)能的減小量有摩阻的絕熱流動(dòng)：由能量方程式125

速度系數(shù)：

能量損失系數(shù)ξ：工程上表示氣流出口速度下降和動(dòng)能減小的兩個(gè)系數(shù)：速度系數(shù)：能量損失系數(shù)ξ：工程上表示氣流出口速度126氣體在噴管內(nèi)的可逆與不可逆絕熱過程的區(qū)別12T0T1Ts1s2p1p212h2h1hs1s2p1p2ss不可逆絕熱流動(dòng)在坐標(biāo)圖上的表示作功能力損失氣體在噴管內(nèi)的可逆與不可逆絕熱過程的區(qū)別12T0T1Ts1s127hs21s2s1h1－h(huán)2p1p2h1－h(huán)2’x=1水蒸汽的不可逆絕熱流動(dòng)定熵流動(dòng)實(shí)際流動(dòng)能量損失續(xù)39hs21s2s1h1－h(huán)2p1p2h1－h(huán)2’x=1水蒸汽的1288－6絕熱節(jié)流

流體流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備時(shí)，由于局部阻力，使流體壓力下降，稱為節(jié)流現(xiàn)象。如果節(jié)流過程是絕熱的，則為絕熱節(jié)流，簡(jiǎn)稱節(jié)流。8－6絕熱節(jié)流流體流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備時(shí)，由于局部阻129標(biāo)準(zhǔn)孔板法蘭取樣孔

孔板流量計(jì)示意圖管道孔板流量計(jì)示意圖標(biāo)準(zhǔn)孔板法蘭取樣孔孔板流量計(jì)示意圖管道孔板流量計(jì)示意130123速度變化曲線壓力變化曲線流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速的變化情況流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速的變化情況123速度變化曲線壓力變化曲線流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí)壓力和流速的變131一、絕熱節(jié)流的特點(diǎn)

節(jié)流過程不可逆

節(jié)流前后流體的焓不變

節(jié)流后壓力下降、比體積增大一、絕熱節(jié)流的特點(diǎn)節(jié)流過程不可逆節(jié)流前后流體的焓不變節(jié)132

絕熱節(jié)流系數(shù)（焦耳－湯姆遜系數(shù)）：二