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Chapter9GasFlowandSteamFlow气体和蒸汽的流动,主讲：张金翠Tel：8595372013515328653E-mail:zjc0404,Chapter9GasFlowandSteamFlow气体和蒸汽的流动,9-1概述9-2稳定流动的基本方程9-3定熵流动的基本特性9-4气体在喷管和扩压管中的流动9-5喷管中气体流动的计算9-6水蒸气在喷管中的定熵流动9-7有摩擦的绝热流动9-8绝热节流,9-1Introduction概述,工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管（Nozzle;jet）、扩压管（Diffuser）及节流阀（Throttlevalve）内稳定绝热高速流动过程的能量转换情况,9-1Introduction概述,本章学习内容1、研究气体流动过程中的状态参数变化、气流速度变化、能量转换的规律。2、研究影响气体在管内流动的外部因素管道截面积的变化系统的外部条件,5,稳定,绝热,一维,可逆,参数取平均值,本章分析对象,9-1Introduction概述,9-2Basicequationsofsteadyflow稳定流动的基本方程,1、Continuityequation连续性方程,p1T1qm1cf1,p2T2qm2cf2,9-2Basicequationsofsteadyflow稳定流动的基本方程,2、Steady-flowenergybalance稳定流动能量方程,3、Entropybalance熵方程,绝热稳定流动,9-2Basicequationsofsteadyflow稳定流动的基本方程,4、stateequation状态方程,9-3Basiccharacteristicsofisentropic-flow定熵流动的基本特性,一、Basicequationsofisentropic-flow定熵流动的基本方程二、Characteristicequation特性方程,稳定流动过程,可逆绝热（定熵）过程,绝热、绝功、无摩擦,一、Basicequationsofisentropic-flow定熵流动的基本方程,1、Continuityequation连续性方程,2、Steady-flowenergybalance稳定流动能量方程,一、Basicequationsofisentropic-flow定熵流动的基本方程,3、Entropybalance熵方程,4、Processequation过程方程,注意，若水蒸气，则,二、Characteristicequation特性方程,1、声速（sonicvelocity）,等熵过程中,所以,？,空气当地声速,水蒸气当地声速,二、Characteristicequation特性方程,注意：声速不是常数，它随流体的状态变化而变化某一状态下的声速称为当地声速,二、Characteristicequation特性方程,3、气体流动分类亚声速流动（subsonic）：Ma1，cfc临界流动（sonic/criticalflow）:Ma=1，cf=c高超声速流动（hypersonic）:Ma1,2、马赫数（Machnumber）,二、Characteristicequation特性方程,4、Derivation特性方程的推导,例题9-1,9-4Gasflowthroughnozzlesanddiffusers气体在喷管和扩压管中的流动,一、velocitychangeandpropertyrelations速度变化与状态参数间的关系,动能的增加由技术功转换而来,二、Variationoffluidvelocitywithflowarea管道截面变化规律,喷管（nozzle）：降压增速，dp0扩压管（diffuser）：降速增压，dcf0,dA的变化与Ma的大小相关,1、喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系,流动状态,管道种类,管道形状,Ma1,dcf0,dcf0,喷管,dp0,1,2,1,2,1,2,1,2,Ma=1,dA0,dA0,dA0,dA0,2,2,2,2,Ma1,渐缩喷管convergingnozzle,渐扩喷管divergingnozzle,渐缩渐扩喷管converginganddivergingnozzle,渐扩扩压管divergingdifusser,渐缩扩压管convergingnozzle,渐缩渐扩扩压管converginganddivergingdifusser,喉部（throat）:Ma=1,cf=c,这一点称为流动临界状况，此点对应的参数称为临界参数（criticalproperties），pcr，Tcr，vcr，Acr，cf,cr，ccr,9-5Calculationofgasflowthroughnozzles喷管中气体流动的计算,Designcalculation设计计算给定：喷管进、出口参数，流量求解：喷管出口流速cf2，喷管尺寸（流体完全膨胀）Checkcalculation校核计算给定：喷管尺寸及形状，进出口参数求解：判断能否实现完全膨胀实际流速及流量,Designcalculation设计计算,一、定熵滞止参数（isentropicstagnationproperties）,1、定义将具有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其流速降低为零时流体的参数，p*,T*,v*,h*等,2、定熵滞止参数的确定,3、为何采用定熵滞止参数,2、定熵滞止参数的确定,h*（滞止焓Stagnationenthalpy）,2、定熵滞止参数的确定,T*（滞止温度Stagnationtemperature）,p*（滞止压力Stagnationpressure）,2、定熵滞止参数的确定,v*（滞止比容Stagnationspecificvolume）,3、为何采用定熵滞止参数,若cf1较小（cf1pcr时，p2=pb，此时流体充分膨胀,pbpcr时，p2=pcr，此时qm=qm,max,Designcalculation设计计算,四、气体的流量计算2、渐缩渐扩喷管的流量计算,对缩放喷管而言，气流流经喉部后，qm不变一直以qm,max在流动,Designcalculation设计计算,五、管形选择,设计型计算，通常已知p1，t1，cf1，pb，以实现充分膨胀为目的，如何选择喷管？,小结-喷管的设计计算和校核计算,喷管的设计计算,已知,1)当即采用渐缩喷管。,2）当即采用缩扩喷管。,喷管的设计计算例题,由不变的其原来的压力p1=1.5MPa，温度为t1=27的空气，流经一喷管进入压力保持在pb=0.6MPa的某装置中。若流过喷管的流量为3kg/s，来流速度可忽略不计，试设计喷管。,1、求p*、T*2、选型3、求参数（临界点、出口点）4、求面积,小结-喷管的设计计算和校核计算,渐缩喷管的校核计算,已知：,1)当即,2）当即,喷管的最大流量,kg/s,渐缩喷管的校核计算例题,一渐缩喷管，其进口速度接近为零进口处A1=40cm2，A2=25cm2。进口水蒸气参数为p1=9MPa，t1=500，pb=7MPa。试求出口流速及流过喷管的流量。,1、求滞止参数2、确定出口截面上的压力3、临界点和出口截面上的状态参数4、求cf,cr、cf25、求qm,9-6水蒸气在喷管中的定熵流动,水蒸气不是理想气体，凡是利用理想气体性质推出的公式均不适用,1、定熵滞止参数,2、临界压力比,水蒸气在喷管中的定熵流动,3、流速计算,4、喷管截面面积计算,Application-水蒸气的定熵流动,1、p1=0.5MPa的干饱和蒸汽进入喷管，外界pb=0.1MPa。若要实现完全膨胀，应采用什么类型的喷管？,2、压力为2MPa，温度为490的蒸汽流经渐缩喷管，可逆绝热膨胀进入外界pb=0.1MPa的空间。求该喷管出口截面上的压力流速？,9-7有摩擦的绝热流动,1、引入几个新概念,s,9-7有摩擦的绝热流动,2、cf2、h2的计算,9-8绝热节流,定义：气体在管道中流过突然缩小的截面，而又未及与外界进行热量交换的过程。,p,1、过程特点,绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是等焓过程,2、状态参数变化,3、绝热节流效应,0,=0,产生热效应,产生冷效应,产生零效应,9-8绝热节流,2、状态参数变化,理想气体,压力下降,比容增加,熵增加,焓不变,温度降低,压力下降,比容增加,熵增加,焓不变,温度不变,水蒸汽,Application,压力为p1=2MPa、温度t1=400的水蒸汽，经节流阀后，压力降为p1=1.6MPa，再经喷管射入压力为pb=1.2MPa的大容器中，若喷管出口截面积A2=200mm2。求（1）节流过程熵增（2）应采用何种喷管？其出口截面上的流速及喷管质量流量是多少？（3）蒸汽作功能力的损失（环境介质温度T0=300K）,
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