气体和蒸汽的流动ppt课件

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1、第九章 气体和蒸汽的流动第九章 气体和蒸汽的流动第一节第一节 一维稳定绝热流动的根本方程一维稳定绝热流动的根本方程第二节第二节 定熵流动的根本特性定熵流动的根本特性第三节第三节 喷管计算喷管计算第四节第四节 背压变化对喷管内流动的影响背压变化对喷管内流动的影响第五节第五节 具有摩擦的绝热流动具有摩擦的绝热流动第六节第六节 绝热节流绝热节流本章学习内容本章学习内容1 研讨气体流动根本研讨气体流动根本方程方程2 研讨气体在管内研讨气体在管内流动的根本特性流动的根本特性气流速度变化气流速度变化能量转换能量转换形状参数变化形状参数变化的规律的规律外界条件外界条件管道截面积的变化管道截面积的变化能量方程

2、能量方程过程方程过程方程延续性方程延续性方程3 喷管计算喷管计算一一 稳态稳流稳态稳流二二 延续性方程延续性方程三三 绝热稳定流动能量方程绝热稳定流动能量方程四四 定熵过程方程式定熵过程方程式五五 音速和马赫数音速和马赫数第一节第一节 一维稳定绝热流动的根本方程一维稳定绝热流动的根本方程一一 稳态稳流稳态稳流 开口系统内每一点的热力学和力学参数都开口系统内每一点的热力学和力学参数都不随时间而变化不随时间而变化稳态稳流稳态稳流(稳定流动稳定流动)形状不随时间变化形状不随时间变化恒定的流量恒定的流量简化：管道内垂直于轴向的任一截面上的参数都均匀一致，流体参数只沿轴向变化一维一元稳定流动：只沿轴向或

3、流动方向上流一维一元稳定流动：只沿轴向或流动方向上流体参数发生变化的稳态稳流体参数发生变化的稳态稳流二二 延续性方程质量守恒延续性方程质量守恒mmm.21const vfcm 0vdvfdfcdc由稳态稳流特点由稳态稳流特点适用于任何工质适用于任何工质可逆和不可逆过程可逆和不可逆过程截面面积截面面积气流速度气流速度气体比体积气体比体积流道内各截面处的流道内各截面处的质量流量都相等质量流量都相等三三 绝热稳定流动能量方程绝热稳定流动能量方程swzzgcchhq)(2)(12212212dhcd22)(2212122hhcc适用于任何工质适用于任何工质可逆和不可逆过程可逆和不可逆过程注：增速以降低

4、注：增速以降低本身焓值为代价本身焓值为代价 稳态稳流能量方程：稳态稳流能量方程：四四 定熵过程方程式定熵过程方程式=const =const kpv0vdvkpdp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)可逆可逆微微分分留意留意:变比热时，变比热时，k k取过程取过程范围内的平均值范围内的平均值五五 音速和马赫数音速和马赫数spa)(kRTa 微小扰动在流体中的传播速度微小扰动在流体中的传播速度压力波的传播过程压力波的传播过程可作定熵过程处置可作定熵过程处置(1)(1)音速音速0vdvkpdp定义式定义式:定熵过程定

5、熵过程理想气体理想气体只随绝对温度而变只随绝对温度而变音速是形状参数音速是形状参数某形状的音速称为当地音速某形状的音速称为当地音速(2)马赫数马赫数acM 流速流速当地音速当地音速 定义式M1 超音速超音速M=1 临界音速临界音速M0dp0dc 0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稳态稳流能量方程：稳态稳流能量方程：dhcd22cdckMpdp2dcf和和dp的符号总是相反的符号总是相反加速，压力降低；减速，压力升高加速，压力降低；减速，压力升高运用：运用：假设要获得高速气流，必需运用某种设假设要获得高速气流，必需运用某种设计，使气流膨胀，降低压力：喷管计，使

6、气流膨胀，降低压力：喷管 假设要获得高压气流，必需运用某种设假设要获得高压气流，必需运用某种设计，使气流减速：扩压管计，使气流减速：扩压管力学条件力学条件二二 促使流速改动的几何条件条件促使流速改动的几何条件条件辅助作用辅助作用 管道截面变换规律管道截面变换规律 22101cd c vd pd cd pa kp vckM pcMad c d f d vc fvd p d vkpvd fd cMfc 连 续 方 程：定 熵 过 程 方 程：22101cdcvdpdcdpakpvckMpcMadcdfdvcfvdpdvkpvdfdcMfc 连 续 方 程：定 熵 过 程 方 程：22101c d

7、cv d pd cd pak p vck MpcMad cd fd vcfvd pd vkpvd fd cMfc连续方程：定熵过程方程：22101c d c v d pd cd pa k p vc k MpcMad cd f d vc f vd p d vkp vd fd cMfc 连 续 方 程：定 熵 过 程 方 程：22101c d cv d pd cd pak p vck MpcMad cd fd vcfvd pd vkpvd fd cMfc连续方程：定熵过程方程：喷管喷管dc 0M1，亚声速流动，亚声速流动，df1，超声速流动，超声速流动，df0,气流截面扩张气流截面扩张cdcMfd

8、f)1(2喷管的要求：亚音速流必需是渐缩喷管；超音速流必喷管的要求：亚音速流必需是渐缩喷管；超音速流必需是渐扩喷管；从亚音速到超音速必需是渐缩渐扩喷需是渐扩喷管；从亚音速到超音速必需是渐缩渐扩喷管拉伐尔喷管，在喉部到达音速。管拉伐尔喷管，在喉部到达音速。cdcMvdv20vdvcdcfdfdf的正负取决比体积的增长率的正负取决比体积的增长率dv/v及速度及速度增长率增长率dc/c 的相对大小的相对大小亚音速：亚音速：cdcvdvM ,1超音速：超音速：cdcvdvM ,1dfdf为负为负dfdf为正为正喷管几何条件的物理缘由？喷管几何条件的物理缘由？cdcMfdf)1(2管道截面变化管道截面变

9、化气流速度变气流速度变化化注注:扩压管扩压管dc0,dc0,故不同音速下的外形与喷管相反故不同音速下的外形与喷管相反M1M1M1M1M1df0df0df0渐扩渐扩df0df0渐缩渐扩渐缩渐扩M=1M=1df=0df=0临界截面临界截面喷管喷管dc0dc0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形状流动形状管道种类管道种类管道外形管道外形M1M1M1dc0dc0dc0dc0喷管喷管dp0dp01 12 2M1M10fdf渐缩渐扩喷管渐缩渐扩喷管M1M1M1渐缩渐扩扩压管渐缩渐扩扩压管M1M1转转M1M1M10fdf21pp 21pp M=1M=1M1M1M12

10、1pp 扩压管扩压管dp0dp021pp 21pp 21pp 0fdf0fdf1 12 21 12 21 12 21 12 2 M=1M=1cvapM=1M1临界点临界点渐缩渐扩喷管，简称缩放喷管，也称拉伐尔喷管：渐缩渐扩喷管，简称缩放喷管，也称拉伐尔喷管：喉部喉部临界参数临界参数当地音速随温度降低而降低当地流速随压力降低而升高截面变化与速度变化无直接关联！截面变化与速度变化无直接关联！第三节 喷管计算一一 定熵滞止参数定熵滞止参数二二 喷管出口速度喷管出口速度三三 临界压力比及临界流速临界压力比及临界流速四四 流量与临界流量流量与临界流量五五 水蒸汽流速及流量计算水蒸汽流速及流量计算六六 喷

11、管方式选择及尺寸计算喷管方式选择及尺寸计算七七 小结小结 将有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其将有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其流速降低为零，这时气体的参数称为定熵滞止参数。流速降低为零，这时气体的参数称为定熵滞止参数。000,hp T定熵流动过程中，任一截面定熵流动过程中，任一截面 均相等均相等 滞止焓滞止焓(J/kg)222222110chchh一一 定熵滞止参数定熵滞止参数1 10 010011kkkkTppp vp vT111010kTvvT对理想气体对理想气体假设假设cp为定值为定值 pccTT22110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

12、1 1的的是进口参数是进口参数即用滞止参数计算即用滞止参数计算 22110chh普通普通c1比较比较小，可忽略小，可忽略10hh 时，准确计算时应思索初速影响，时，准确计算时应思索初速影响，m/s501c二二 喷管出口速度喷管出口速度忽略初速影响忽略初速影响适用于任何工质的绝热稳定流动适用于任何工质的绝热稳定流动!(m/s)J/kgkJ/kg)(2212122hhcc)(2212hhc2121272.44)(10002hhhhc由绝热稳定流动能量方程由绝热稳定流动能量方程理想气体理想气体)(2121TTchhp水蒸汽：查水蒸汽：查h-s图确定图确定定比热理想气体、定熵过程：定比热理想气体、定熵

13、过程：2021212111221 1112221212111pkkkkkChhCTTR TTkkRTppkp vkpkp由上式知：由上式知：仅受入口情况和出口压力影响。仅受入口情况和出口压力影响。2C与出口截面积与出口截面积 2f喷管出口流速喷管出口流速大小无关，大小无关，2021212111221 1112221212111pkkkkkChhC T TR T TkkRTppkpvkpkp2021212111221 1112221212111pkkkkkChhC T TR T TkkRTppkpvkpkp)(2)(221212TTchhcp三三 临界压力比及临界流速临界压力比及临界流速渐缩渐扩

14、喷管喉部渐缩渐扩喷管喉部M=1，喉部压力为临界压力，喉部压力为临界压力 cp临界压力比临界压力比 临界处音速临界处音速 cccakp v留意与汽液转换时的临界压力不是一个概念！留意与汽液转换时的临界压力不是一个概念！1ppc临界压力临界压力进口压力进口压力理想气体理想气体 单原子气体：单原子气体：11.670.4870.487ckpp双原子气体：双原子气体：11.400.5280.528ckpp多原子气体：多原子气体：11.300.5460.546ckpp10)12(kkckpp理想气体临界流速理想气体临界流速1 112211ckkCp vRTkk或：或：144.72ccChh10)12(kk

15、ckpp)(1 121111kkccppvpkkc任何气体可逆或不可逆过程任何气体可逆或不可逆过程四四 流量与临界流量流量与临界流量受最小截面控制，所以普通按最小截面计算流量受最小截面控制，所以普通按最小截面计算流量 各个截面的质量流量相等各个截面的质量流量相等由于喷管出口流速由力学条件起决议作用，由于喷管出口流速由力学条件起决议作用，所以出口面积一定时，喷管出口流量由力学所以出口面积一定时，喷管出口流量由力学条件起决议作用，即压力差决议！外界背压条件起决议作用，即压力差决议！外界背压决议！决议！渐缩渐扩管流量计算：渐缩渐扩管流量计算：正常任务时，只需等于最大流量正常任务时，只需等于最大流量)

16、/()12(121112minmaxskgvpkkkfmk1 12 2五五 水蒸汽流速及流量计算水蒸汽流速及流量计算假设水蒸汽定熵过程也符合假设水蒸汽定熵过程也符合 kpv 常数，常数，但但k不是比热比，而是阅历值不是比热比，而是阅历值 过热蒸汽过热蒸汽 1.30.546k仅用于求解仅用于求解 1cpp 干饱和蒸汽干饱和蒸汽 1.1350.577k对水蒸汽的计算，由于不是理想气体，对水蒸汽的计算，由于不是理想气体，所以只能运用延续方程或能量方程。所以只能运用延续方程或能量方程。出口流速：21244.72Chh临界流速：144.72ccChh质量流量：222f Cmv最大流量：最大流量：2max

17、ccf Cmv渐缩渐缩 minmaxccfCmv渐缩渐扩渐缩渐扩 六六 喷管方式选择及尺寸计算喷管方式选择及尺寸计算1 喷管方式选择：按外界压力来选择！喷管方式选择：按外界压力来选择！由于力学条件起决议作用由于力学条件起决议作用cbpp 1)1)当当 采用渐缩喷管。采用渐缩喷管。cbpp 2 2当当 采用渐缩渐扩喷管。采用渐缩渐扩喷管。2 喷管尺寸计算喷管尺寸计算知：流量知：流量m、进口形状、外界背压、进口形状、外界背压计算喷管出口计算喷管出口c2、v2f2=mv2/c2 ,fmin=mvc/cc(缩放缩放)喷管长度：阅历公式喷管长度：阅历公式第四节 背压变化对喷管内流动的影响喷管任务条件变化

18、变工况将影响喷管内的流动喷管任务条件变化变工况将影响喷管内的流动本节假定入口条件一样，讨论出口背压变化的影响本节假定入口条件一样，讨论出口背压变化的影响 一、渐缩喷管一、渐缩喷管 二、渐缩渐扩喷管二、渐缩渐扩喷管一、渐缩喷管一、渐缩喷管p0p2pbpd pc当当pb升高到升高到pd以上时：以上时：p2=pb 出口流量、流速降出口流量、流速降低低设计工况设计工况那么那么 P2=Pd当当pb降低到降低到pd以下时：以下时：p2=pb 出口流量、流速增出口流量、流速增大大限限pd pc,以以pc为极值为极值设计工况设计工况pd pc此时喷管的流量、流速为最大当当pb升高到升高到pd以上时：出口流量、

19、流速降低以上时：出口流量、流速降低当当pb降低到降低到pd以下时：那么膨胀缺以下时：那么膨胀缺乏乏三种工况与左侧不对应设计背压大于临界压力设计背压等于临界压力二、渐缩渐扩喷管二、渐缩渐扩喷管pp0p2=pb出现膨胀缺乏，流出现膨胀缺乏，流量和流速坚持不变。量和流速坚持不变。pbpd)/()12(121112minmaxskgvpkkkfmk211max2122/11kpkmfkg skkv渐缩喷管渐缩喷管渐缩渐扩喷管渐缩渐扩喷管第五节 具有摩擦的绝热流动有摩擦损失，即有熵增有摩擦损失，即有熵增 12，定熵流动，定熵流动 12，实践流动，实践流动 122p1p2TS1212hhhh有摩擦的流动焓

20、降变小有摩擦的流动焓降变小 速度系数：速度系数：进口参数一样，出口压力一样进口参数一样，出口压力一样 定义式定义式实践出口速度实践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22cc212272.44hhcc喷管效率：喷管效率：22112112nhhhhhhh22121222222hhhhccn普通在普通在0.90.9至至0.950.95之间之间对理想气体：对理想气体：21212nTTTT22112112nTTTTTTT)(72.44 212TTccp喷管混合室扩压管高压蒸汽低压蒸汽中压蒸汽蒸汽引射器表示图q定义：流体在管道中流过忽然减少的截

21、面，压力降定义：流体在管道中流过忽然减少的截面，压力降低，且与外界没有热量交换的过程低，且与外界没有热量交换的过程q特点：绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程特点：绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是等焓过程。绝不是等焓过程。流体在经过缩孔时动能添加，压力下降并产生剧流体在经过缩孔时动能添加，压力下降并产生剧烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，导致整个烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，导致整个过程的不可逆性。过程的不可逆性。在缩孔附近，流速，焓q不可逆性：不可逆性：第六节 绝热节流节流前后压力下降、熵添加。节流前后压力下降、熵添加。绝热节流前后参数的变化(1)对理想气体对理想气体温度不

22、变温度不变压力下降压力下降比容添加比容添加熵添加熵添加焓不变焓不变注注:理想气体的焓理想气体的焓是温度的单值函数是温度的单值函数2对水蒸汽：对水蒸汽：温度下降温度下降焓不变焓不变压力下降压力下降比容添加比容添加熵添加熵添加h sp1p212t1t2节流的温度效应：绝热节流前后流体的温度变化节流的温度效应：绝热节流前后流体的温度变化热效应：绝热节流后温度升高热效应：绝热节流后温度升高零效应：绝热节流后温度不变零效应：绝热节流后温度不变冷效应：绝热节流后温度降低冷效应：绝热节流后温度降低温度效应与流体种类、形状及压降大小有关温度效应与流体种类、形状及压降大小有关绝热节流温度效应可用绝热节流系数绝热

23、节流温度效应可用绝热节流系数 j焦耳焦耳汤姆逊系数来表示：汤姆逊系数来表示：jhTp反映与理想气体偏向大小反映与理想气体偏向大小 2d等焓线等焓线2b2a1234P热效应区热效应区回转曲线回转曲线冷效应区冷效应区2cTTaTbjhTp绝热前后的压力总是降低的，绝热前后的压力总是降低的，0dp 所以所以 0j时，时，0dT 热效应热效应 0j时，时，0dT 冷效应冷效应 0j时，时，0dT 零效应零效应 缺陷：熵添加，典型不可逆过程缺陷：熵添加，典型不可逆过程,工工质作功才干明显降低质作功才干明显降低绝绝热热节节流流优点：简单易行优点：简单易行运用广泛：阀门、丈量湿饱和运用广泛：阀门、丈量湿饱和

24、蒸汽干度和丈量流体流量，节蒸汽干度和丈量流体流量，节流制冷设备！流制冷设备！判别：判别：1在管道内定熵流动过程中，各点的滞止参数都在管道内定熵流动过程中，各点的滞止参数都一样一样 。2空气初态压力空气初态压力3bar，出口压力为，出口压力为1bar，那么应，那么应采用渐缩渐扩型喷管，以获得空气在喷管中的充分膨采用渐缩渐扩型喷管，以获得空气在喷管中的充分膨胀胀 。3.对一渐扩形短管，当进口流速为超音速时，可做对一渐扩形短管，当进口流速为超音速时，可做扩压管运用。扩压管运用。4.绝热节流前后其焓不变，所以温度也不变。绝热节流前后其焓不变，所以温度也不变。判别：判别：1在管道内定熵流动过程中，各点的

25、滞止参数都在管道内定熵流动过程中，各点的滞止参数都一样一样 。2空气初态压力空气初态压力3bar，出口压力为，出口压力为1bar，那么应，那么应采用渐缩渐扩型喷管，以获得空气在喷管中的充分膨采用渐缩渐扩型喷管，以获得空气在喷管中的充分膨胀胀 。3.对一渐扩形短管，当进口流速为超音速时，可做对一渐扩形短管，当进口流速为超音速时，可做扩压管运用。扩压管运用。4.绝热节流前后其焓不变，所以温度也不变。绝热节流前后其焓不变，所以温度也不变。选择：选择：1理想气体在喷管中定熵流动时，其参数的变化理想气体在喷管中定熵流动时，其参数的变化规律是规律是 Adc0,dh=0,dp0 (B)dc0,dh0,dp0 dh0 dp0,dh02理想气体绝热节流前后参数变化是理想气体绝热节流前后参数变化是 AT0 p0 BT=0 p0CT=0 p0 S0 DT=0 p0,dh=0,dp0 (B)dc0,dh0,dp0 dh0 dp0,dh02理想气体绝热节流前后参数变化是理想气体绝热节流前后参数变化是 AT0 p0 BT=0 p0CT=0 p0 S0 DT=0 p0 S=0BB