氣體和蒸汽的流動(dòng)(流體)

第九章

氣體和蒸汽的流動(dòng)

(GasandSteamFlow)2023/2/4工程中有許多流動(dòng)問題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，特別

是噴管(nozzle;

jet)、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttlevalve)內(nèi)流動(dòng)過程的能量轉(zhuǎn)換情況。2023/2/4第一節(jié)絕熱流動(dòng)的基本方程一概念穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(穩(wěn)定流動(dòng))狀態(tài)不隨時(shí)間變化恒定的流量二幾個(gè)基本方程連續(xù)性方程絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程定熵過程方程2023/2/4(1)連續(xù)性方程

const

由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點(diǎn)適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過程截面面積氣流速度氣體比容2023/2/4(2)絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程

適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過程注：增速以降低本身儲(chǔ)能為代價(jià)

p1T1qm1cf1

p2T2qm2cf2

2023/2/4(3)定熵過程方程式

=const

可逆絕熱過程方程式適用條件:(1)理想氣體(2)定比熱(3)可逆微分注意:變比熱時(shí)K取過程范圍內(nèi)的平均值2023/2/4三音速與馬赫數(shù)

微小擾動(dòng)在流體中的傳播速度壓力波的傳播過程可作定熵過程處理(1)

音速定義式:定熵過程理想氣體只隨絕對溫度而變2023/2/4(2)

馬赫數(shù)流速當(dāng)?shù)匾羲?/p>

定義式M>1

超音速M(fèi)=1

臨界音速M(fèi)<1亞音速312三種音速subsonicvelocitysonicvelocitysupersonicvelocity2023/2/49-62023/2/42023/2/4第二節(jié)

定熵流動(dòng)的基本特性

一、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系由定熵過程dh=vdp得dc>0dp<0由此可見導(dǎo)致dc<0dp>0導(dǎo)致噴管中的流動(dòng)特性擴(kuò)壓管中的流動(dòng)特性2023/2/4二、管道截面變化的規(guī)律

連續(xù)性方程可逆絕熱過程方程管道截面變化氣流速度變化注:擴(kuò)壓管dc<0,故不同音速下的形狀與噴管相反M<1M>1M<1M>1df<0漸縮df>0漸擴(kuò)df<0df>0漸縮漸擴(kuò)噴管dc>0M=1df=0臨界截面2023/2/4噴管和擴(kuò)壓管流速變化與截面變化的關(guān)系流動(dòng)狀態(tài)管道種類管道形狀M<1M>1dc>0dc<0噴管dp<012M<1漸縮漸擴(kuò)擴(kuò)噴管M<1轉(zhuǎn)M>1漸縮漸擴(kuò)擴(kuò)壓管M>1轉(zhuǎn)M<112M>1M=1M<1M>1擴(kuò)壓管dp>012121212M=12023/2/4

1、設(shè)計(jì)：根據(jù)已給的流動(dòng)條件，(初態(tài)和終壓)。求出口流速和流量并選擇噴管的外形尺寸。噴管的計(jì)算

2、校核：根據(jù)噴管的外形尺寸，求工況變化時(shí)的流量和流速。這一節(jié)的主要目的：

根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程來確定它們的計(jì)算公式及使用條件?！?-3

噴管中流速及流量計(jì)算

2023/2/4一定熵滯止參數(shù)將具有一定速度的氣流在定熵條件下擴(kuò)壓，使其流速降低為零時(shí)的參數(shù)定義：參數(shù)表達(dá)式下角標(biāo)為0的是定熵滯止參數(shù)下角標(biāo)為1的是進(jìn)口參數(shù)2023/2/4二、噴管的出口流速

由絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程對理想氣體對實(shí)際氣體公式1公式22023/2/4

公式1－說明1、適用穩(wěn)流，絕熱、一切工質(zhì)、可逆與不可逆過程。2、理想氣體

3、水蒸汽：查h-s圖確定2023/2/4

公式2說明只決定于的比值，即是隨著的變化而相應(yīng)的變化。討論時(shí)，

時(shí)，

時(shí)但此速度實(shí)際上是不可能達(dá)到的，除非，否則不可能達(dá)到。說明：1、對漸縮噴管出口流速不可能達(dá)到（大于）音速

2、對于縮放噴管出口流速才能超過音速2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

（1）定義：a:臨界狀態(tài)：出口截面達(dá)到最小時(shí)的流體狀態(tài)為臨界狀態(tài)。此截面工質(zhì)的速度等于音速，此時(shí)截面流體參數(shù)為臨界參數(shù)。b：臨界音速：當(dāng)氣流速度等于音速時(shí)，氣流處于亞音速和超音速轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)，這種真空狀態(tài)下的氣流速度稱臨界速度。c：臨界壓力比：ⅰ、處于臨界狀態(tài)下的壓力稱臨界壓力。ⅱ、臨界壓力與初壓力之比稱臨界壓力比

2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

(2)臨界壓力比計(jì)算代入出口流速方程臨界流速表達(dá)式定熵過程方程式：臨界壓力進(jìn)口壓力特別的對雙原子氣體：

2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

幾點(diǎn)討論ⅰ當(dāng)選漸縮ⅱ當(dāng)ⅲ當(dāng)選漸放噴管（漸擴(kuò)）如已有減縮噴管，當(dāng)氣體通過該噴管時(shí)應(yīng)作如下判斷。（1）當(dāng)減縮噴管出口外界背壓時(shí)，則噴管出口截面上的壓力只能降低到臨界壓力即，此時(shí)噴管出口截面上流速（2）當(dāng)減縮噴管出口外界背壓，則噴管出口截面上的壓力此時(shí)噴管流速。2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

（3）臨界流速計(jì)算2023/2/4四、流量與臨界流量一般通過計(jì)算最小截面的質(zhì)量流量由連續(xù)性方程知，各個(gè)截面的質(zhì)量流量相等（1）漸縮噴管的質(zhì)量流量計(jì)算12理想氣體的定熵流動(dòng)出口截面質(zhì)量流量注意的取值2023/2/4（2）漸縮漸擴(kuò)噴管的流量計(jì)算m0cba1.0正常工作時(shí)M=2023/2/4五、噴管的計(jì)算1

噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算已知1)

當(dāng)即

采用漸縮噴管。

2）當(dāng)即采用縮擴(kuò)噴管。

出發(fā)點(diǎn)：2023/2/4（2）漸縮噴管的校和計(jì)算已知1)

當(dāng)即

2）當(dāng)即

噴管的最大流量

kg/s

2023/2/49-122023/2/42023/2/42023/2/42023/2/49-212023/2/42023/2/42023/2/4§

9-4擴(kuò)壓管定熵流動(dòng)的基本關(guān)系式和管道截面變化規(guī)律的關(guān)系式相同擴(kuò)壓管是在已知進(jìn)口參數(shù)進(jìn)口速度和出口速度的情況下計(jì)算出口壓力擴(kuò)壓管與噴管的區(qū)別與聯(lián)系注:動(dòng)能損失得越多壓力增加得越多2023/2/4擴(kuò)壓管的擴(kuò)壓比概念定義式進(jìn)口壓力出口壓力由能量方程得則定熵過程2023/2/4§

9-5具有摩擦的流動(dòng)

定義式實(shí)際出口速度定熵過程出口速度大致在0.94至0.98之間速度系數(shù)噴管效率消耗一部分功一般在0.9至0.95之間2023/2/4§

9-6絕熱節(jié)流

定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面，

而又未及與外界進(jìn)行熱量交換的過程特點(diǎn)：絕熱節(jié)流過程前后的焓相等，但整個(gè)過程絕不是等焓過程。

流體在通過縮孔時(shí)動(dòng)能增加，壓力下降并產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)和摩擦。擾動(dòng)和摩擦的不可逆性，導(dǎo)致整個(gè)過程的不可逆性。在縮孔附近，流速，焓不可逆性：2023/2/4絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化(1)

對理想氣體12chp溫度不變壓力下降比容增加熵增加焓不變注:理想氣體的焓是溫度的單值函數(shù)2023/2/4(2)

對實(shí)際氣體節(jié)流前后焓不變,溫度不一定不變絕熱節(jié)流溫度