工程熱力學(xué)課件

工程熱力學(xué)課件第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日2

第八章

氣體和蒸汽的流動(GasandSteamFlow)第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日3

一.簡化工程中有許多流動問題需考慮宏觀動能和位能，特別

是噴管(nozzle;

jet)、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttle

valve)內(nèi)流動過程的能量轉(zhuǎn)換情況。第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日§8–1穩(wěn)定流動的基本方程式穩(wěn)定一維可逆絕熱第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日5

二.穩(wěn)定流動基本方程

1.質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）continuity

equation1122p1T1qm1cf1

p2T2qm2cf2

第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日6

2.過程方程注意，若水蒸氣，則第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日3.穩(wěn)定流動能量方程—steady-flow

energy

equation第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.音速方程等熵過程中所以？第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日9

注意：1）音速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當(dāng)?shù)匾羲?/p>

如空氣，

2）水蒸氣當(dāng)?shù)匾羲?）

馬赫數(shù)

(Mach

number)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日10

絕熱滯止(stagnation)

定義：氣流掠過物體表面時，由于摩擦、撞擊等使氣體相對于物體的速度降低為零的現(xiàn)象稱為滯止現(xiàn)象。

滯止發(fā)生時氣體的溫度及壓力都要升高，致使物體的溫度及受力狀況受到影響。

忽略滯止過程中的散熱，則可認(rèn)為過程為絕熱滯止過程。絕熱滯止?fàn)顟B(tài)下氣體的狀態(tài)參數(shù)稱為絕熱滯止參數(shù)或簡稱為滯止參數(shù)?？梢?，絕熱滯止焓等于絕熱流動中任一位置氣體的焓和流動動能的總和，因此也稱總焓。

第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日11

水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)理想氣體、定比熱時的滯止參數(shù)：

第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日絕熱滯止溫度：絕熱滯止時氣體的溫度稱為絕熱滯止溫度，用T0表示，當(dāng)比熱容為定值時，由焓和溫度的關(guān)系，可得例如，如飛機(jī)在–20℃的高空以Ma=2飛行，其T0=182.6

℃。航天飛機(jī)返回大氣層時Ma更大。可見，cf↑→T0↑。因而，當(dāng)設(shè)計在高速運(yùn)動的裝置時和測量高速氣流的溫度時，必須考慮氣體的滯止溫度的影響。

第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日13

§8–2促使流速改變的條件一.力學(xué)條件因為流動可逆絕熱，所以且能量方程故力學(xué)條件第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日14

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。的能量來源1）第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日二.幾何條件力學(xué)條件過程方程連續(xù)性方程第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日16

幾何條件討論：1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對于噴管漸縮噴管—convergent

nozzle第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日17

當(dāng)Ma>1時，dcf>0→dA>0

，采用漸擴(kuò)噴管；第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日截面上Ma=1，cf=c，稱臨界截面(minimum

cross-sectional

area)[也稱喉部(throat)截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?/p>

(velocity

of

sound)稱臨界壓力(critical

pressure)，臨界溫度

及臨界比體積第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日19

2）當(dāng)促使流速改變的壓力條件得滿足的前提下：

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)—拉法爾

(Lavalnozzle)噴管。第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日20

3）背壓(back

pressure)pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境

的壓力。正確設(shè)計的噴管其出口截面上壓力p2等于背壓pb，但非設(shè)計工況下p2未必等于

pb

4）對擴(kuò)壓管(diffuser)，目的是p上升，通過cf下降使動

能轉(zhuǎn)變成壓力勢能，情況與噴管相反。第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日21

歸納：

1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使

流動可逆必不可少的條件；

2）氣流的焓差（即技術(shù)功）為氣流加速提供了

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?/p>

4）拉法爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速

達(dá)當(dāng)?shù)匾羲伲?）背壓pb未必等于p2。第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日22

§8–3噴管計算一.流速計算及分析1.計算式注意：

a）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)

b）式中h單位是J/kg，cf是m/s，但一般資料

提供h單位是kJ/kg，要轉(zhuǎn)化成J/kg

。2.初態(tài)參數(shù)對流速的影響：

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。第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日23

分析：第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日24

但cf，max不可能達(dá)到摩擦從1下降到0的過程中某點(diǎn)第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日25

該點(diǎn)即為臨界點(diǎn)，此點(diǎn)上壓力pcr與p0之比稱臨界壓力比

(critical

pressure

ratio;

throat-to-stagnation

of

pressure)，

用νcr表示討論：

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熱水蒸氣濕蒸汽第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日26

3）由于幾何條件約束，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？第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日27

3.背壓pb對流速的影響

a）收縮噴管：

b）縮放噴管：第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日28

二.流量計算及分析1.計算式通常收縮噴管—出口截面縮放噴管喉部截面出口截面其中第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日29

2.初參數(shù)對流量的影響第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日30

分析：

a）第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日31

三.噴管設(shè)計據(jù)初參數(shù)

p1，v1，T1

背壓

pb

功率噴管形狀

幾何尺寸1.外形選擇

首先確定pcr與pb關(guān)系，然后選取恰當(dāng)?shù)男螤畹谌豁?，共五十五頁?022年，8月28日32

2.幾何尺寸計算A1——往往已由其他因素確定太長——摩阻大

太短——

過大，產(chǎn)生渦流(eddy)第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日例：空氣進(jìn)入噴管時流速為300m/s，壓力為0.5MPa，溫度450K，噴管背壓pb=0.28MPa，求：噴管的形狀，最小截面積及出口流速。cp=1004J/kg·k，Rg=287J/kg·k解：由于cf1=300m/s，所以應(yīng)采用滯止參數(shù)滯止過程絕熱第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日所以采用縮放噴管注：若不考慮cf1，則pcr=cr·p1=0.5280.5=0.264MPa<pb

應(yīng)采用收縮噴管，p2=pb=0.28MPa第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日例：滯止壓力為0.65MPa，滯止溫度為350K的空氣，可逆絕熱流經(jīng)一收縮噴管，在噴管截面積為2.6×10-3m2處，氣流馬赫數(shù)為0.6。若噴管背壓為0.30MPa，試求噴管出口截面積A2。解：在截面A處：第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日出口截面處：據(jù)噴管各截面質(zhì)量流量相等，即第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日例：有一儲氣柜內(nèi)有初溫t1=100°c，壓力為p1=4.90MPa的氫氣。氫氣經(jīng)漸縮噴管流入背壓pb=3.9MPa的外界，設(shè)噴管的出口截面積A2=20mm2，試求：

1）氫氣外射的速度及流量；

2）若初始條件不變，噴管不變，氫外射入大氣，求外射時的流速及流量。（已知?dú)錃釸g=4.12kJ/kg·k，cp=14.32kJ/kg·k）解：1）首先確定p2第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日？=822m/s第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日2）確定p2，由于pb=0.1MPa<pcr第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日42

§8–5有摩擦的絕熱流動一.摩阻對流速的影響定義：噴管速度系數(shù)(velocity

coefficient

of

nozzle)一般在0.92~0.98第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日43

二.摩阻對能量的影響定義：能量損失系數(shù)噴管效率注意：？第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日44

三.摩阻對流量的影響若p2，A2不變據(jù)第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日45

§8–6絕熱節(jié)流一.絕熱節(jié)流(adiabatic

throttling)

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=T0sg

3)

h1=h2，但節(jié)流過程并非等焓過程

4)

T2可能大于等于或小于T1

理想氣體T2=

T1毛細(xì)管多孔塞第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日47

二.節(jié)流后的溫度變化

1.焦耳—湯姆遜系數(shù)（Joule-Thomson

coefficient）

據(jù)令焦耳—湯姆遜系數(shù)

（也稱節(jié)流微分效應(yīng)）第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日48

如理想氣體第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日49

2.轉(zhuǎn)回溫度(inversion

temperature)

—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(inversion

curve)。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可得或第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日50

若令p=0，得

3.節(jié)流的積分效應(yīng)

節(jié)流時狀態(tài)在致冷區(qū)則T下降

節(jié)流時狀態(tài)在致溫區(qū)則，T上升或下降取決于Δp的大小，

如：當(dāng)氣體溫度T>Ti,max或T<Ti,min，節(jié)流后T上升常溫節(jié)流后T上升，T2>T1

常溫常壓下節(jié)流T下降第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日51

三.水蒸氣節(jié)流過程1）節(jié)流后溫度稍有下降2）但少作功作功能力損失？四.節(jié)流現(xiàn)象的工程應(yīng)用氣體液化

發(fā)動機(jī)功率調(diào)節(jié)

孔板流量計，干度計···

利用μJ，結(jié)合實(shí)驗，建立實(shí)際氣體微分方程

熱網(wǎng)中蒸汽降壓第五十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日合流合流—多股氣流匯合成一股氣流合流的流量：由質(zhì)量守恒定律，對于穩(wěn)定流動，有：

即合流的總焓等于各支流總焓之和。忽略氣體的流動動能時，即有：如過程絕熱，則

所以

因

合流的焓第五十二頁，共五十五頁，20