第六章 气体与蒸汽的流动(绝热节流过程)

第六章第六章 气体与蒸汽的流气体与蒸汽的流动动(绝热节流过程绝热节流过程)本章学习内容本章学习内容1 研究气体流动过程中研究气体流动过程中2 研究影响气体在管内流的研究影响气体在管内流的气流速度变化气流速度变化能量转换能量转换状态参数变化状态参数变化的的规律规律系统的外部条件系统的外部条件管道截面积的变化管道截面积的变化1、沿沿流流动动方方向向上上的的一一维维问问题题：取取同同一一截截面面上上某某参参数数的的平平均均值值作作为为该该截截面面上上各各点点该该参参数的值。数的值。2、可可逆逆绝绝热热过过程程：流流体体流流过过管管道道的的时时间间很很短短，与与外外界界换换热热很很小小，可可视视为为绝绝热热，另另外外，不计管道摩擦。不计管道摩擦。简化假设：简化假设：本章主要讨论本章主要讨论可逆绝热可逆绝热的的一维稳定流动一维稳定流动。6-1 绝热流动的基本方程绝热流动的基本方程一一 概念概念稳态稳态稳流稳流(稳定流动稳定流动)状态不随时间变化状态不随时间变化恒定的流量恒定的流量二二 几个基本方程几个基本方程连续性方程连续性方程绝热稳定流动绝热稳定流动能量方程能量方程定定熵过程程方程方程(1)(1)连续性方程连续性方程 const 由由稳态稳流稳态稳流特点特点适用于适用于任何任何工质工质可逆可逆和和不可逆不可逆过程过程截面面积截面面积气流速度气流速度气体比容气体比容(2)绝热稳定流动能量方程绝热稳定流动能量方程 适用于适用于任何任何工质工质可逆可逆和和不可逆不可逆过程过程注注：增速增速以以降低降低本身本身储能储能为代价为代价(3)定熵过程方程式定熵过程方程式=const=const 可逆绝热过程方程式可逆绝热过程方程式适用条件适用条件:(1)(1)理想气体理想气体(2)(2)定比热定比热(3)(3)可逆可逆微分微分注意注意:变比热变比热时时 K K取取过程范围内的平均值过程范围内的平均值三三 音速与马赫数音速与马赫数微小微小扰动在流体中的扰动在流体中的传播速度传播速度压力波的传播过程压力波的传播过程可作可作定熵定熵过程处理过程处理(1)(1)音速音速定义式定义式:定熵过程定熵过程理想气体理想气体只随只随绝对温度绝对温度而变而变(2)马赫数马赫数流速流速当地音速当地音速 定义式定义式M1 超音速超音速M=1 临界音速临界音速M0dp0由此可见由此可见导致dc0导致喷管中的喷管中的流动特性流动特性扩压管中扩压管中的流动特性的流动特性二、管道截面变化的规律二、管道截面变化的规律连续性方程连续性方程管道截面变化管道截面变化气流速度变化气流速度变化注注:扩压管扩压管dc0,dc0,故不同音速下的形状与喷管故不同音速下的形状与喷管相反相反M1M1M1M1M1dA0dA0dA0渐扩渐扩dA0dA0渐缩渐扩渐缩渐扩喷管喷管dc0dc0M=1M=1dA=0dA=0临界截面临界截面喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系流动状态流动状态管道种类管道种类管道形状管道形状M1M1M1dc0dc0dc0dc0喷管喷管dp0dp01 12 2M1M1渐缩渐扩扩喷管M1渐缩渐扩扩压管M1转M1M1M=1M=1M1M1M1扩压管扩压管dp0dp01 12 21 12 21 12 21 12 2M=1M=1 6-3喷管中流速及流量计算喷管中流速及流量计算 6-4 扩压管扩压管 6-5 具有摩擦的流动具有摩擦的流动 6-6 绝热节流过程绝热节流过程 6-3喷管中流速及流量计算喷管中流速及流量计算 一一 定熵滞止参数定熵滞止参数将具有一定速度的气流在将具有一定速度的气流在定熵条件定熵条件下扩压，使其下扩压，使其流速降低为零流速降低为零时的参数时的参数 定义：定义：参数表达式参数表达式下角标为下角标为0 0的的是定熵滞止参数是定熵滞止参数下角标为下角标为1 1的的是进口参数是进口参数二、喷管的出口流速二、喷管的出口流速 由绝热稳定流动能量方程由绝热稳定流动能量方程对理想气体对理想气体对实际气体对实际气体三、临界压力比及临界流速三、临界压力比及临界流速(1)临界压力比临界压力比代入出口流速方程代入出口流速方程临界流速表达式临界流速表达式定熵过程定熵过程方程式：方程式：临界压力临界压力进口压力进口压力特别的对特别的对双原子气体：双原子气体：四、流量与临界流量四、流量与临界流量一般通过计算一般通过计算最小截面最小截面的质量流量的质量流量由由连续性方程连续性方程知，各个截面的质量流量相等知，各个截面的质量流量相等（1）渐缩喷管的质量流量计算渐缩喷管的质量流量计算12理想气体理想气体的定熵流动的定熵流动出口出口截面截面质量流量质量流量注意注意 的取值的取值（2）渐缩渐扩喷管的流量计算）渐缩渐扩喷管的流量计算m0cba1.0正常工作时正常工作时M=五、喷管的计算五、喷管的计算1 1喷管的设计计算喷管的设计计算已知已知1)1)当当 即即 采用渐缩喷管。采用渐缩喷管。2 2）当当 即即 采用缩扩喷管。采用缩扩喷管。出发点：出发点：（2 2）渐缩喷管的校和计算）渐缩喷管的校和计算已知已知1)1)当当 即即 2 2）当当 即即 喷管的最大流量喷管的最大流量 kg/s 6-4 扩压管扩压管定熵流动的定熵流动的基本关系式基本关系式和和管道截面变化规律管道截面变化规律的的关系式相同关系式相同扩压管是在已知扩压管是在已知进口参进口参数数进口速度进口速度和和出口速度出口速度的情况下计算的情况下计算出口压力出口压力扩压管与喷管的扩压管与喷管的区别区别与与联系联系注注:动能损失得越多压力增加得越多动能损失得越多压力增加得越多扩压管的扩压比概念扩压管的扩压比概念定义式定义式进口压力出口压力由能量由能量方程得方程得则定熵过程则定熵过程 6-5 具有摩擦的流动具有摩擦的流动 定义式定义式实际出口速度实际出口速度定熵过程出口速度定熵过程出口速度大致在大致在0.940.94至至0.980.98之间之间速度系数速度系数喷管效率喷管效率消耗一部分功消耗一部分功一般在一般在0.90.9至至0.950.95之间之间内内容容回回顾顾dhhtt=tw=tdt twtdtw tas湿空气的焓湿图湿空气的焓湿图pb=const5-2 5-2 湿空气的基本热力过程湿空气的基本热力过程 一、单纯加热或冷却过程一、单纯加热或冷却过程dh122二、冷却去湿过程二、冷却去湿过程dh1234三、绝热加湿过程三、绝热加湿过程dh12四、绝热混合过程四、绝热混合过程d1d2ma2ma1ma3d3d12h3h23h1ma1ma2h6.6 绝热节流绝热节流气流流经阀门、孔板等设备时，由于气流流经阀门、孔板等设备时，由于截面突然变小，气流局部受阻，造成压力截面突然变小，气流局部受阻，造成压力下降的现象称为节流。如果节流过程是绝下降的现象称为节流。如果节流过程是绝热的，则为绝热节流。热的，则为绝热节流。绝热流动的能量方程式绝热流动的能量方程式绝热流动的能量方程式绝热流动的能量方程式通常情况下通常情况下通常情况下通常情况下,节流前后流速差别不大节流前后流速差别不大节流前后流速差别不大节流前后流速差别不大,即即即即c c22=c c1 1绝热节流过程绝热节流过程前后前后的焓相等，的焓相等，但但整个整个过程过程绝不是定焓过程绝不是定焓过程。在缩孔附近，流速，焓12hc一、一、绝热节流前后参数的变化绝热节流前后参数的变化(1)对理想气体对理想气体12chp温度温度不变不变压力压力下降下降比容比容增加增加熵熵增加增加焓焓不变不变(2)对实际气体对实际气体节流前后节流前后焓焓不变不变,温度温度不一定不变不一定不变绝热节流温度效应绝热节流温度效应温度效应与温度效应与气体的性质气体的性质有关有关,还与其还与其状态及压降状态及压降有关有关热热效应效应零零效应效应冷冷效应效应温度温度降低降低温度温度不变不变温度温度升高升高 绝热节流后气体的温度变化称为节流的绝热节流后气体的温度变化称为节流的温度效应温度效应焦耳焦耳-汤姆逊实验汤姆逊实验节流冷效应节流冷效应节流冷效应节流冷效应节流热效应节流热效应节流热效应节流热效应节流零效应节流零效应节流零效应节流零效应 因为节流过程压力下降，即因为节流过程压力下降，即因为节流过程压力下降，即因为节流过程压力下降，即dp0dp0绝热绝热节流系数节流系数（焦尔汤姆逊系数）（焦尔汤姆逊系数）:节流前后气流温度的变化与压力变化的比值节流前后气流温度的变化与压力变化的比值节流前后气流温度的变化与压力变化的比值节流前后气流温度的变化与压力变化的比值微分节流系数微分节流系数证明证明:理想气体微分节流系数理想气体微分节流系数J=0.二、温度效应转变图二、温度效应转变图(T-p图图)保持状态保持状态1不变，改变阀门的开度得出一组不变，改变阀门的开度得出一组节流后状态点节流后状态点2a,2b,2c,2d 在一定焓值范围内，定焓线都有一个温度极值点：等焓线的斜率冷效应区（J0）：回转曲线与温度轴包围的区域热效应区（J0）：回转曲线以外的区域微分节流的温度效应由节流前实际气体状态而定微分节流的温度效应由节流前实际气体状态而定回转曲回转曲线线回转点回转点三、积分节流特性三、积分节流特性微分微分节流与积分节流节流与积分节流微分产生冷效应微分产生冷效应 J0,即节流前气体处于冷效应区即节流前气体处于冷效应区,积分也是冷效应积分也是冷效应.微分产生热效应微分产生热效应 Jp2p0，T1T0（p0、T0为环境压力与温度），试在T-s图上表示此两过程，并根据图比较两过程作功能力损失的大小。