工程热力学第7章.ppt

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,*,第七章,气体和蒸汽的流动,Gas and Steam Flow,7-1,稳定流动的基本方程式,7-2,促使流速改变的条件,7-3,喷管计算,7-4,有摩擦的绝热流动,7-5,绝热节流,1,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,(throttle valve),内流动过程的能量转换情况。,2,71,稳定流动的基本方程式,一、,简化,稳定,绝热,一维,可逆,参数取平均值,3,二、稳定流动基本方程,1.,质量守恒方程（连续性方程）,(,continuity equation,),p,1,T,1,q,m1,c,f1,p,2,T,2,q,m2,c,f2,4,2.,过程方程,注意，若水蒸气，则,3.,稳定流动能量方程,(steady-flow energy equation,),5,绝热滞止,(stagnation),理想气体,：,定比热容,变比热容,6,水蒸气,：,其他状态参数,注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在,20,的高空以,Ma,=2,飞行，其,t,0,=182.6,。,4.,声速方程,等熵过程中,所以,？,7,注意：,1,）,声速是状态参数，因此称当地声速。,如空气，,2,）,水蒸气当地声速,3,）,马赫数,(Mach number),（,subsonic velocity,）,（,supersonic velocity,）,（,sonic velocity,）,亚声速,声速,超声速,8,72,促使流速改变的条件,一、力学条件,流动可逆绝热,能量方程,力学条件,9,讨论,：,喷管,扩压管,2,）,是压降，是焓,（即技术功）转换成机械能。,的能量来源,1,）,异号,10,二、几何条件,力学条件,过程方程,连续性方程,几何条件,11,讨论,：,1,）,c,f,与,A,的关系还与,Ma,有关，对于喷管,渐缩喷管,（,convergent nozzle,）,12,截面上,Ma,=1,、,c,f,=,c,，,称,临界截面,(minimum cross-sectional area),也称,喉部,(,throat,),截面,，,临界截面上速度达当地音速,(velocity of sound),称,临界压力,(critical pressure),、,临界温度,及,临界比体积。,13,2,）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下,：,a,）,收缩喷管,(,convergent nozzle,),出口截面上流速,c,f2,max,=,c,2,（,出口截面上音速,）,b,）,以低于当地音速流入渐扩喷管,(,divergent nozzle),不可能使气流可逆加速,。,c,）,使气流从亚音速加速到超音速，必须采用,渐缩,渐扩,喷管,(,convergent-divergent nozzle,),拉伐尔,(Laval nozzle,),喷管,。,14,3,）,背压,(back,pressure),p,b,是指喷管,出口截面外工作环境,的压力,。正确设计的喷管其出口截面上压力,p,2,等于,背压,p,b,，,但非设计工况下,p,2,未必等于,p,b,。,4,）对扩压管,(diffuser),，,目的是,p,上升，通过,c,f,下降使动,能转变成压力势能，情况与喷管相反。,15,归纳,：,1,）,压差,是使气流加速的基本条件，,几何形状,是使流动可逆必不可少的条件；,5,）背压,p,b,未必等于,p,2,。,2,）气流的,焓火用,差,（即技术功）为气流加速提供能量；,3,）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；,4,）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速,16,73,喷管计算,一、流速计算及分析,1.,计算式,注意：,a,）,公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；,b,）,式中,h,，,J/kg,，,c,f,，,m/s,，,但一般资料提供,h,，,kJ/kg,。,2.,初态参数对流速的影响,：,为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。,17,分析：,普适,理想气体、定比热容,18,c,f,，,max,不可能达到,摩擦,从,1,下降到,0,的过程中某点,19,为临界点,，此点上压力,p,cr,与,p,0,之比称为,临界压力比，,cr,(critical pressure ratio;throat-to-stagnation of pressure),讨论：,1,）,理想气体,水蒸气,随,工质而变,理想气体定比热双原子,过热水蒸气,湿蒸汽,20,3,）,几何条件,约束，临界截面只可能,发生在,d,A,=0,处，考虑到工程实际,收缩喷管,出口截面,缩放喷管,喉部截面,另,：,与上式是否矛盾,？,2,）,4,）,21,3.,背压,p,b,对流速的影响,a.,收缩喷管,b.,缩放喷管,不属本课程范围,22,二、流量计算及分析,1.,计算式,通常,收缩喷管,出口截面,缩放喷管,喉部截面,出口截面,23,2.,初参数对流量的影响,分析：,a,）,24,确定,25,b,）,结合几何条件和质量守恒方程：,图中,收缩喷管,缩放喷管,且,喷管初参数及,p,2,确定后，,喷管各截面上,q,m,相同，并,不随截面改变而改变。,26,三、喷管设计,据,p,1,，,v,1,，,T,1,背压,p,b,功率,喷管形状,几何尺寸,首先确定,p,cr,与,p,b,关系，然后选取恰当的形状,初参数,1.,外形选择,27,28,2.,几何尺寸计算,A,1,往往已由其他因素确定,太长,摩阻大,过大，产生涡流,(eddy),太短,29,四、工作条件变化时喷管内流动过程简析,喷管在非设计工况下运行，尤其是背压变化较大最终是造成动能损失。,1.,收缩喷管,背压,p,b,出口截面压力,p,2,运行工况,30,2.,缩放喷管,1,）若,p,b,p,b,过度膨胀,(over expansion),，,产生激波,(shock wave),31,例,A4511661,例,A451266,例,A451377,32,74,有摩擦的绝热流动,一、摩阻对流速的影响,定义：喷管速度系数,(velocity coefficient of nozzle),一般在,0.920.98,33,二、摩阻对能量的影响,定义：能量损失系数,喷管效率,注意：,？,34,三、摩阻对流量的影响,若,p,2,、,A,2,不变,据,例,A4512871,35,75,绝热节流,一、绝热节流,(adiabatic throttling),定义：由于局部阻力，使流体,压力降低的现象。,节流现象特点：,1),p,2,s,1,I=T,0,s,g,3),h,1,=,h,2,，但,节流过程并非,等焓过程；,4),T,2,可能大于等于或小于,T,1,理想气体,T,2,=,T,1,。,36,二、节流后的温度变化,1.,焦耳,-,汤姆逊系数（,Joule-Thomson coefficient,）,据,令,焦耳,-,汤姆逊系数（也称节流微分效应）,37,如,理想气体,降温,升温,不变,38,2.,转回温度,(inversion temperature),节流后温度不变的状态的温度,把,气体的状态方程代入,J,表达式即可求得不同压力下的转回温度曲线，转回曲线,(inversion curve),。,例如,理想气体转回温度为一直线；,实际气体，如用范氏方程,代入,J,可得,或,39,若令,p,=0,，,得,3.,节流的积分效应,节流时状态在致冷区则,T,下降，,节流时状态在致温区则,T,上升或下降取决于,p,的大小,当气体温度,T,T,i,max,或,T,T,1,常温常压下节流,T,下降,40,三、水蒸气节流过程,1,）节流后温度稍有下降,2,）,但少,作功,作功能力损失,？,四、节流现象的工程应用,气体液化,发动机功率调节,孔板流量计，干度计,利用,J,，,结合实验，建立实际气体微分方程,热网中蒸汽降压,41,例,A652266,例题,A452177,下一章,42,