08章：气体和蒸汽的流动-工程热力学课件(第四版)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 气体与蒸汽的流动,序言,8-1,稳定流动的基本方程式,8-2,促使流速改变的条件,8-3,喷管的计算,8-4,背压变化时喷管内流动过程简析,8-5,有摩阻的绝热流动,8-6,绝热节流,课件目录,第八章 气体与蒸汽的流动 序言课件目录,本章作业,第七章,习题,1,、,10,、,11,、,18,、,20,pp.264266,第四版,本章作业第七章1、10、pp.264266,序 言,工程中，常要处理气体和蒸汽在在一些管路设备内的流动过程。如喷管（火箭尾部和汽机的喷嘴等）、扩压管（汽车排气管和消音器等）和节流阀等。,本章主要讨论气体在流经喷管等设备时气流参数变化与流道截面积的关系及流动过程中气体能量传递和转化等问题。下面介绍一些相关产品和工程实例。,序 言 工程中，常要处理气体和蒸汽在在一些管,08章：气体和蒸汽的流动-工程热力学课件(第四版),08章：气体和蒸汽的流动-工程热力学课件(第四版),08章：气体和蒸汽的流动-工程热力学课件(第四版),8-1 稳定流动的基本方程式,一、连续性方程,上式称为稳定流动的连续性方程。它描述了流道内流体的流速、比体积和截面积之间的关系，表明：流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与流速增加率之差。,（,8-1,）,8-1 稳定流动的基本方程式 一、连续性方程,在任一流道内作稳定流动的气体或蒸汽，服从稳定流,动能量方程式，若没热量交换，又不作功，其微元过程，,写为,上式是研究喷管内能量变化的基本关系式，它既适用,于可逆过程，也适用于不可逆过程。,二、稳定流动能量方程式,（,8-2,）,二、稳定流动能量方程式（8-2）,气体在绝热流动过程中，因某种物体的阻碍而使流速,降低为零的过程称为,绝热滞止过程,。此时任意截面上气体,的焓和气体流动动能的和为常数。当气体绝热滞止时速度,为零，故,绝热滞止对气流所起的作用与绝热压缩无异，用相同,方法计算其他滞止参数。,（,8-3,）,气体在绝热流动过程中，因某种物体的阻碍而使流速（8-,气体在稳定流动过程中若与外界没有能量交换，且气体,流经相邻两截面时各参数是连续变化的，同时又无摩擦和扰,动，则过程是可逆绝热过程。,上式原则上只适用于理想气体定比热容可逆绝热流动过,程，但也用于表示变比热容的理想气体和（,k,为过程范围,内的平均值）实际气体（,k,为经验值）。,三、过程方程式,（,8-4,）,三、过程方程式（8-4）,在研究气体流动时，通常把气体的流速与当地声速,的比值称为马赫数，用符号,Ma,表示：,（适用于,理想气体,）,四、声速方程,（,8-5,）,（,8-6,）,（适用于理想气体）四、声速方程（8-5）（8-6）,马赫数,是研究气体流动特性的一个重要的数值。,根据,气流速度与当地声速之间的大小关系（即,Ma,数与,1,的大小关系），把流动分为如下三种：,亚声（音）速流动（,Ma1,）,马赫数是研究气体流动特性的一个重要的数值。亚声（音）速流动,从力学观点来说，要使工质流速改变必须有,压力差,。只要喷管进出口截面上有足够的压力差，,不管过程是否可逆，气体在喷管中的流速总会增,大。但若流道截面面积的变化能与气体体积变化,相配合，那么膨胀过程的不可逆损失会减少，喷,管出口截面上的气体流速就会更大。,8-2 促使流速改变的条件,从力学观点来说，要使工质流速改变必须有8-2,上式即为促使流速变化的力学条件。这说明,气体在流动中如流速增加，则压力必然降低；如,压力升高，则流速必降低。,能否用能量方程和过程方程推导之？,一、力学条件,（,8-7,）,能否用能量方程和过程方程推导之？一、力学,上式揭示了定熵流动中气体比体积的变化律和流速变化率之间的关系与气流马赫数有关。,可见流速变化时气流截面面积的变化规律不但与流速的高低（与当地声速比较）有关，还与喷管,还是扩压管有关（的正负）。,仍可用能量方程和过程方程推导之。,可由连续方程和上式导出。,二、几何条件,（,8-8,）,（,8-9,）,上式揭示了定熵流动中气体比体积的变化律和流速,对喷管的要求是：,对亚声速气流要做成,渐缩喷管,；,对超声速气流要做成,渐扩喷管,；,对气流由亚声速连续增加至超声速时要做成,缩放,喷管,（又称,拉伐尔喷管,）。,图,8-1,喷管,(dp0,dc,f,0),Ma1,Ma1,Ma,1,dA0,渐扩,dA0,缩放,对喷管的要求是：图8-1 喷管 (dp,对扩压管的要求是：,对,超声速,气流要制成渐,缩,形；,对,亚声速,气流要制成渐,扩,形；,当气流由,超声速连续增压至亚声速,时，要做成,渐缩渐扩形扩压管,。,图,8-2,扩压管,(dp0,d,v,0,dc,f,1,Ma1,Ma1,Ma,1,dA0,渐扩,dA0,缩放,对扩压管的要求是：图8-2 扩压管 (dp0,dv,一、流速计算及其分析,计算流速的公式,状态参数对流速的影响（）,8-3 喷管的计算,（,8-10,）,（,8-11,）,一、流速计算及其分析8-3 喷管的计算（8-10）（8-,临界压力比,流速达到当地声速时工质的压力与滞止压力之比,称为临界压力比，常用 表示。可以证明：,截面上工质的压力与滞止压力之比等于临界压力比,是气流速度从亚声速到超声速的转折点。从上式可知：,临界压力比仅与工质的性质有关。,（,8-12,）,临界压力比截面上工质的压力与滞止压力之比,对于理想气体，如取定值比热容，则,双原子气体的,k,1.4,，,cr,0.528,。,对于水蒸汽，如取过热蒸汽的,k,1.3,，则,cr,0.546,。,对于干饱和蒸汽，如取,k,1.135,，则,cr,0.577,。,几种常用情况下的临界压力比如下：,对于理想气体，如取定值比热容，则 几种常用情况下的临界压力比,虚线在什么情况下能出现？,由上式可知：当,A,2,及进口截面参数保持不变时，流量,q,m,仅随出口截面压力与滞止压力之比而变，如右图示。,二、流量计算,（,8-13,）,0,a,q,m,c,b,图,8-3,喷管的质量流量,虚线在什么情况下能出现？由上式可知：当A2及,外型选择,当 时采用渐缩喷管；当 时,采用缩放喷管。,在给定条件下进行喷管设计时，应保证喷管外型和截面尺寸符合气流在可逆膨胀中体积变化的需要，以减少不可逆损失，使气流在喷管中得到充分膨胀。一般先确定喷管的几何形状，再按照给定的流量计算截面尺寸。,三、喷管外型选择和尺寸计算,外型选择在给定条件下进行喷管设计时，应保证喷管外型和,尺寸计算,（1）,渐缩喷管,：主要是出口截面面积,（2）缩放喷管：需求得,A,min,，,A,2,，及扩展部分,长度,l,。,d,2,d,min,l,图,8-4,缩放喷管的顶锥角,（,8-14,）,尺寸计算d2dminl图8-4 缩放喷管的顶锥角（,初速,c,f1,=100 m/s、,压力,p,1,=2.0 MPa、,温度,t,1,=300,的水蒸气，经过一拉伐尔喷管流入压,力为0.1,MPa,的大空间中，喷管的最小截面面,积,A,min,=20 cm,2,。,试求临界速度、出口速度、,每秒流量及出口截面面积。,例 8,-1,例 8-1,解：,根据,p,1,=2.0 MPa、t,1,=300，,可在,h s,图上确定其初态是过热蒸汽，故取临界压力比,cr,=0.546。,通过初态点1作等熵线，如图 8 9 所示。流动过程中各状态点均在此垂线上。向上 截取 ，使,点 0 即为滞止点，并由此查得：,p,0,=2.01 MPa，,h,0,=3025 kJ/kg。,s,h,0,0.1MPa,1.097MPa,2.0MPa,1,300,0,C,0,临界点,2,图,8-5,例,8-1,附图,解：点 0 即为滞止点，并由此查得：p0=,临界压力：,p,cr,=,cr,p,0,=1.09710,6,Pa,等压线,p,cr,与通过点 1 的垂线的交点即为喷管中临界截面的状态点（如图 8 9所示）。由图查得：,h,cr,=2 865 kJ/kg，,v,cr,=0.219 m,3,/kg,同样，据,p,2,=p,b,=0.1 MPa，,可确定点2 为出口截面处的状态点。由图查得：,h,2,=2 420 kJ/kg，,v,2,=1.55 m,3,/kg,临界压力：,所以：,例题索引,所以：例题索引,一、渐缩喷管,8-4 背压变化时喷管内流动过程简析,图,8-6,渐缩喷管中的压力变化曲线,E,p,A,C,D,p,0,p,2,p,b,B,一、渐缩喷管8-4 背压变化时喷管内流动过程简析图8-6,在非设计工况下，缩放喷管内部的气流变化未必严格按着从亚音速,音速,超音速的规律变化。,右图为缩放喷管中的压力 变化曲线。,二、渐缩渐放喷管,图,8-7,缩放喷管中的压力变化曲线,A,C,H,G,1,p,0,J,p,0,p,2,p,b,p,B,D,E,1,F,1,E,2,F,2,G,2,p,2i,是出口压力的设计值。,在非设计工况下，缩放喷管内部的气流变化未必严,实际上，由于存在摩擦，流动过程中发生能量耗散，部分动能又转化成热能被气流吸收，故实际过程是不可逆的。,工程上常用,“,速度系数,”,或能量损失系数 来表示气流出口速度的下降和动能的减少。,能量损失系数,定义为：,8-5 有摩阻的绝热流动,（,8-15,）,实际上，由于存在摩擦，流动过程中发生能量耗散，部分动,流体流经阀门、孔板等设备时，由于局部阻力使流体压力降低，这种现象称为,节流现象,。如在节流过程中流体与外界没有热交换，就称为,绝热节流,，简称节流。,闸 阀,节流阀,8-6 绝热节流,流体流经阀门、孔板等设备时，由于局部阻力使流体压力降,节流过程的流场示意,:,节流过程的流场示意:,节流过程是典型的不可逆过程，节流前后流体的焓值相等。,节流后温度不变的气流温度叫做转回温度,T,i,。,节流过程的工程应用：制冷、调节发动机的功率、测量流体的流量等。,几点说明：,节流过程是典型的不可逆过程，节流前后流体的焓值相等。几点说明,