工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)_氣體的流動(dòng).ppt

1、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué),工程熱力學(xué) 第五章 氣體的流動(dòng),1、掌握定熵穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程； 2、理解促使流速改變的力學(xué)條件和幾何條件的基本涵義； 3、掌握噴管中氣體流速、流量的計(jì)算，會(huì)進(jìn)行噴管外形的選擇和尺寸的計(jì)算； 4、掌握滯止焓、臨界參數(shù)等基本概念和相關(guān)計(jì)算。,研究?jī)?nèi)容：,主要研究流體流過(guò)變截面短管（噴管和擴(kuò)壓管）時(shí)，其熱力狀態(tài)、流速與截面積之間的變化規(guī)律。,基本要求,簡(jiǎn)化,1.系統(tǒng)：穩(wěn)定流動(dòng) 2.一元（維） 3. 絕熱、可逆 4.比熱為定值,5-1 一元穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程,一元穩(wěn)定流動(dòng)是指流體的一切參數(shù)僅沿一個(gè)方向（如管道的長(zhǎng)度方向）變化，且流動(dòng)過(guò)程不隨時(shí)間而變化。 本章討論的氣體流動(dòng)僅限于一

2、元穩(wěn)定流動(dòng),1.連續(xù)性方程,對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，流過(guò)流道任何一個(gè)截面的流量必定相等。,適用范圍：,在推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有加入任何限制性條件， 適用于： 1.任何一元穩(wěn)定流動(dòng)； 2.任何工質(zhì)； 3.可逆與不可逆的過(guò)程。,2.能量方程式,根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,對(duì)于絕熱、不作軸功、忽略重力位能的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流情況,可見(jiàn)，相對(duì)管道中的任意兩個(gè)截面而言,若氣流的焓 h，則流速c；,反之，若氣流的焓h，則流速c,適用范圍：,1.絕熱穩(wěn)定流動(dòng)； 2.任何工質(zhì)； 3.可逆與不可逆的過(guò)程。,3.過(guò)程方程式,本章只討論絕熱流動(dòng)，如果不考慮摩擦，也就是定熵過(guò)程。,對(duì)于定熵（可逆絕熱）流動(dòng)過(guò)程 ，任意兩截面上的p和v應(yīng)滿足：,過(guò)程方程

3、,連續(xù)性方程,能量方程,小結(jié),描寫(xiě)機(jī)器穩(wěn)定的、不作功、可逆絕熱流動(dòng)的三個(gè)基本過(guò)程,工程上常有將氣流加速或加壓的要求。例如：,利用噴管將蒸汽流加速，沖動(dòng)汽輪機(jī)的葉輪作功；,噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)則利用噴管將氣流加速后噴出，產(chǎn)生巨大的反作用力來(lái)推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng),通過(guò)擴(kuò)壓管利用氣流的宏觀運(yùn)動(dòng)動(dòng)能令氣流升壓,氣流的這種加速或擴(kuò)壓過(guò)程可以僅利用氣流的熱力學(xué)狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需借助其它機(jī)械設(shè)備,5.2 促使流速改變的條件,1. 力學(xué)條件,要使工質(zhì)產(chǎn)生流動(dòng)必須有壓差，即對(duì)工質(zhì)有推動(dòng)力作用，工質(zhì)才能流動(dòng)。促進(jìn)流速變化所需的力學(xué)條件可由分析流速改變dc與壓力變化dp的之間的關(guān)系得出。,聯(lián)立流動(dòng)能量方程式和熱力學(xué)第一

4、定律表達(dá)式：,可得：,微分式：,結(jié)論：,dc、dp的符號(hào)始終相反，即：氣體在流動(dòng)過(guò)程中流速增加，則壓力下降；如壓力升高，則流速必降低。,音速,馬赫數(shù),令,音速,通常所說(shuō)的音速指聲波在空氣中的傳播速度,音速不是固定的，與傳播介質(zhì)的物性、熱力狀態(tài)有關(guān),對(duì)理想氣體音速只與溫度有關(guān),對(duì)實(shí)際氣體音速a不僅與溫度T 有關(guān)，還與氣體的壓力P或比體積v有關(guān),水蒸氣中的音速也借用上式計(jì)算，其中的k值按前述經(jīng)驗(yàn)值選取,流道中氣體熱力學(xué)狀態(tài)不斷變化，沿程不同截面上音速各不相同，對(duì)特定截面一般都強(qiáng)調(diào)為“當(dāng)?shù)匾羲佟?馬赫數(shù),馬赫數(shù)(M) 流道中某一截面上的氣體流速與當(dāng)?shù)匾羲僦?亞音速氣體的流速小于當(dāng)?shù)匾羲?，M 1,超

5、音速氣體的流速大于當(dāng)?shù)匾羲?，M 1,噴管（燃?xì)廨啓C(jī)的噴管）,(3) 噴管和擴(kuò)壓管,氣流通過(guò)后能令氣流P，c的流道,擴(kuò)壓管（葉輪式壓氣機(jī)的擴(kuò)壓管）,氣流通過(guò)后能令氣流P ，c 的流道,2.幾何條件,氣流速度與壓力的反方向變化需通過(guò)管道截面積有規(guī)律地變化來(lái)促成 ,因此幾何條件可由分析流速改變dc與流道截面積變化dA的關(guān)系得出。,M0,截面擴(kuò)張；,對(duì)于噴管（dc 0)時(shí)，截面形狀與流速間的關(guān)系：,相應(yīng)對(duì)噴管的要求：,對(duì)亞音速氣流做成漸縮噴管 對(duì)超音速氣流做成漸擴(kuò)噴管 對(duì)氣流由亞音速連續(xù)增至超音速時(shí)，要做成縮放噴管，或叫拉法爾噴管（Laval），只要這樣才能保證氣流在噴管中充分膨脹，達(dá)到理想加速后果。

6、,M1,超聲速流動(dòng),dA0,截面擴(kuò)張；,對(duì)于擴(kuò)壓管（dc 0) ：,相應(yīng)對(duì)擴(kuò)壓管的要求：,對(duì)超音速氣流做成漸縮擴(kuò)壓管 對(duì)亞音速氣流做成漸擴(kuò)擴(kuò)壓管 對(duì)氣流連續(xù)降至亞音速時(shí)，要做成縮放擴(kuò)壓管。但這種漸縮漸擴(kuò)擴(kuò)壓管中氣流流動(dòng)情況復(fù)雜，不能按定熵流動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)超音速到亞音速的連續(xù)轉(zhuǎn)變,臨界參數(shù),縮放噴管和擴(kuò)壓管的最小截面處，稱(chēng)為喉部。此處的流速恰好等于當(dāng)?shù)匾羲?。此處為氣流從亞音速變?yōu)槌羲伲驈某羲僮優(yōu)閬喴羲俚霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，通常稱(chēng)為臨界狀態(tài)。對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)，稱(chēng)為臨界參數(shù)。并加以下標(biāo)cr表示。 M=1，即c=a。,歸納： 1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使 流動(dòng)可逆必不可少的條件； 2）氣流的焓差為

7、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?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?5-3 氣體流經(jīng)噴管的流速和流量,滯止參數(shù)：在研究流速過(guò)程中，為了表達(dá)和計(jì)算方便，人們通常把氣體流速為零或定熵壓縮過(guò)程折算到流速為零的各種參數(shù)為滯止參數(shù)。用“*”標(biāo)記它們。如滯止壓力p*、滯止溫度T*、滯止焓h*等。 氣體從滯止?fàn)顟B(tài)（c*=0）開(kāi)始，在噴管中隨著噴管截面積的變化，流速（c）不斷增加，其他狀態(tài)參數(shù)（p，v，T，h）也相應(yīng)地跟著變化。,1.流速,氣體通過(guò)任意截面是流速為c，可根據(jù)能量方程式計(jì)算：,適用于絕熱流動(dòng)過(guò)程，與工質(zhì)無(wú)關(guān)，與過(guò)程是否可逆無(wú)關(guān),理想氣體,2、臨界壓力比,臨界截面,定義臨界壓比：,雙原子氣體： k=1.4 cr=0.528 過(guò)熱蒸汽： k=1.3 cr=0.546 干飽和蒸汽： k=1.135 cr=0.577,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