08章：气体和蒸汽的流动-工程热力学课件(第四版).ppt

1、第八章第八章 气体与蒸汽的流动气体与蒸汽的流动 序言序言8-1 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式8-2 促使流速改变的条件促使流速改变的条件8-3 喷管的计算喷管的计算8-4 背压变化时喷管内流动过程简析背压变化时喷管内流动过程简析8-5 有摩阻的绝热流动有摩阻的绝热流动8-6 绝热节流绝热节流课件目录本章作业本章作业第七章第七章习题习题1、10、11、18、20 pp.264266第四版第四版序序 言言 工程中，常要处理气体和蒸汽在在一些管路工程中，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

2、排气管和消音器等）和喷嘴等）、扩压管（汽车排气管和消音器等）和节流阀等。节流阀等。本章主要讨论气体在流经喷管等设备时气流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。和工程实例。8-1 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式 一、连续性方程一、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，表道内流体的流速、比体积和截面积之间的关系，表明

3、：流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与明：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。流速增加率之差。0vdvcdcAdAff（8-18-1）在任一流道内作稳定流动的气体或蒸汽，服从稳定流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，动能量方程式，若没热量交换，又不作功，其微元过程，写为写为 上式是研究喷管内能量变化的基本关系式，它既适用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。于可逆过程，也适用于不可逆过程。二、稳定流动能量方程式二、稳定流动能量方程式022fcddh（8-28-2）气体在绝

4、热流动过程中，因某种物体的阻碍而使流速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降低为零的过程称为绝热滞止过程绝热滞止过程。此时任意截面上气体。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。方法计算其他滞止参数。22222221022fffchchchh（8-38-3）气体在稳定流动过程中若与外界没有能量交换，且气体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

5、邻两截面时各参数是连续变化的，同时又无摩擦和扰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。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（程，但也用于表示变比热容的理想气体和（k k 为过程范围为过程范围 内的平均值）实际气体（内的平均值）实际气体（k k 为经验值）。为经验值）。三、过程方程式三、过程方程式0vdvkpdp（8-48-4）在研究气体流动时，通常把气体的流速与当地声速在研究气体流动时，通常把气体的流速与当地声速的比值称为马赫数，用符

6、号的比值称为马赫数，用符号 Ma Ma 表示：表示：（适用于（适用于理想气体理想气体）四、声速方程四、声速方程ssvpvpc2TkRkpvcgccMaf（8-58-5）（8-68-6）马赫数马赫数是研究气体流动特性的一个重要的数值。是研究气体流动特性的一个重要的数值。根据根据气流速度与当地声速之间的大小关系（即气流速度与当地声速之间的大小关系（即Ma数与数与1的大小关系），把流动分为如下三种：的大小关系），把流动分为如下三种：亚声（音）速流动（亚声（音）速流动（Ma1Ma1Ma1）从力学观点来说，要使工质流速改变必须有从力学观点来说，要使工质流速改变必须有 压力差压力差。只要喷管进出口截面上有

7、足够的压力差，。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。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促使流速改变的条件 上式即为促使流速变化的力学条件。这说明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

8、低。压力升高，则流速必降低。能否能否用能量方程用能量方程和过程方程和过程方程推导之？推导之？一、力学条件一、力学条件ffcdckMapdp2（8-78-7）上式揭示了定熵流动中气体比体积的变化律和流速变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。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，还与喷管的高低（与当地声速比较）有关，还与喷管还是扩压管有关（还是扩压管有关（的正负的正负）。）。仍可用能仍可用能量方程和量方程和过程方程过程方程推导之。推导之。可由

9、连续可由连续方程和上方程和上式导出。式导出。fdc 二、几何条件二、几何条件ffcdcMavdv2ffcdcMaAdA)1(2（8-88-8）（8-98-9）对喷管的要求是：对喷管的要求是：u对亚声速气流要做成对亚声速气流要做成渐缩喷管渐缩喷管；u对超声速气流要做成对超声速气流要做成渐扩喷管渐扩喷管；u对气流由亚声速连续增加至超声速时要做成对气流由亚声速连续增加至超声速时要做成缩放缩放 喷管喷管（又称（又称拉伐尔喷管拉伐尔喷管）。）。图图8-1 喷管喷管 (dp0,dcf0)vdvcdcffvdvcdcffvdvcdcffvdvcdcffvdvcdcffMa1Ma1Ma1dA0 渐扩渐扩dA0

10、 缩放缩放对扩压管的要求是：对扩压管的要求是：u对对超声速超声速气流要制成渐气流要制成渐缩缩形；形；u对对亚声速亚声速气流要制成渐气流要制成渐扩扩形；形；u当气流由当气流由超声速连续增压至亚声速超声速连续增压至亚声速时，要做成时，要做成 渐缩渐扩形扩压管渐缩渐扩形扩压管。图图8-2 扩压管扩压管 (dp0,dv0,dcf1Ma1Ma1Ma1dA0 渐扩渐扩dA0 缩放缩放vdvcdcffvdvcdcffvdvcdcffvdvcdcffvdvcdcff一、流速计算及其分析一、流速计算及其分析 计算流速的公式计算流速的公式 状态参数对流速的影响（状态参数对流速的影响（）8-3 喷管的计算喷管的计算

11、212120222ffchhhhckkgfppkTkRc1020211201fc（8-108-10）（8-118-11）临界压力比临界压力比 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，常用称为临界压力比，常用 表示。可以证明：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：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。临界压力比仅与工质的性质有关。cr10)12(kkcrcrkvpp（8-128-12）

12、u对于理想气体，如取定值比热容，则对于理想气体，如取定值比热容，则 双原子气体的双原子气体的 k1.4，cr0.528。u对于水蒸汽，如取过热蒸汽的对于水蒸汽，如取过热蒸汽的 k1.3，则则cr0.546。u对于干饱和蒸汽，如取对于干饱和蒸汽，如取 k1.135，则，则cr0.577。几种常用情况下的临界压力比如下：几种常用情况下的临界压力比如下：虚线在什虚线在什么情况下么情况下能出现？能出现？crfcrcrfmvcAvcAq222)0()(2crAv 由上式可知：当由上式可知：当A2及进口截面参数保及进口截面参数保持不变时，流量持不变时，流量qm仅仅随出口截面压力与滞随出口截面压力与滞止压力

13、之比而变，如止压力之比而变，如右图示。右图示。二、流量计算二、流量计算 kkkfmppppvpkkAvcAq10220200222212（8-138-13）02pp0aqmcb14121431图图8-3 8-3 喷管的质量流量喷管的质量流量 外型选择外型选择 当当 时采用渐缩喷管；当时采用渐缩喷管；当 时时采用缩放喷管。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要，以减少不可逆损失，使气流在喷管中得到充分膨胀。一

14、般先确定喷管的几何形状，再按照给定的膨胀。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。流量计算截面尺寸。三、喷管外型选择和尺寸计算三、喷管外型选择和尺寸计算crbpp crbpp 尺寸计算尺寸计算 （1 1）渐缩喷管渐缩喷管：主要是出口截面面积：主要是出口截面面积 （2 2）缩放喷管：需求得缩放喷管：需求得 A Aminmin ，A A2 2 ，及扩展部分，及扩展部分 长度长度 l l。d2dminl1210222fmcvqA crfcrmcvqA,min2tan2min2222ddlcvqAfm图图8-4 8-4 缩放喷管的顶锥角缩放喷管的顶锥角（8-148-14）初速初速cf1

15、=100 m/s、压力压力p1=2.0 MPa、温度温度t1=300 的水蒸气，经过一拉伐尔喷管流入压的水蒸气，经过一拉伐尔喷管流入压力为力为0.1 MPa的大空间中，喷管的最小截面面的大空间中，喷管的最小截面面积积Amin=20 cm2。试求临界速度、出口速度、试求临界速度、出口速度、每秒流量及出口截面面积。每秒流量及出口截面面积。例例 8-1解：解：根据根据p1=2.0 MPa、t1=300，可在可在 h s 图上确定其图上确定其初态是过热蒸汽，故取临界压初态是过热蒸汽，故取临界压力比力比 cr=0.546。通过初态点通过初态点1作等熵线，如作等熵线，如图图 8 9 所示。流动过程中各状所

16、示。流动过程中各状态点均在此垂线上。向上态点均在此垂线上。向上 截截取取 ，使，使01kJ52mc0121f 点点 0 即为滞止点，并由此查得：即为滞止点，并由此查得：p0=2.01 MPa，h0=3025 kJ/kg。sh00.1MPa1.097MPa2.0MPa13000C0临界点2图图8-5 8-5 例例8-18-1附图附图 临界压力：临界压力：pcr=crp0=1.097106 Pa 等压线等压线pcr与通过点与通过点 1 的垂线的交点即为喷管中临的垂线的交点即为喷管中临界截面的状态点（如图界截面的状态点（如图 8 9所示）所示）。由图查得：。由图查得：hcr=2 865 kJ/kg，

17、vcr=0.219 m3/kg 同样，据同样，据p2=pb=0.1 MPa，可确定点可确定点2 为出口截为出口截面处的状态点。由图查得：面处的状态点。由图查得：h2=2 420 kJ/kg，v2=1.55 m3/kg所以：所以：例题索引例题索引smhhccrcrf/7.565)(20,smhhcf/1100)(2202skgvcAqcrcrfm/17.5,min22229.72cmcvqAfm一、渐缩喷管一、渐缩喷管8-4 背压变化时喷管内流动过程简析背压变化时喷管内流动过程简析图图8-6 8-6 渐缩喷管中的压力变化曲线渐缩喷管中的压力变化曲线EpACDp0p2pb0pppbcrcrbcrb

18、pppp0ppbB 在非设计工况下，在非设计工况下，缩放喷管内部的气流缩放喷管内部的气流变化未必严格按着从变化未必严格按着从亚音速亚音速音速音速超音超音速的规律变化。速的规律变化。右图为缩放喷管右图为缩放喷管中的压力中的压力 变化曲线。变化曲线。二、渐缩渐放喷管二、渐缩渐放喷管图图8-7 8-7 缩放喷管中的压力变化曲线缩放喷管中的压力变化曲线ibbppp20p且ACHG1p0Jibibpppp22p0p2pbpB0ppbDE1F1E2F2G2p2i是出口是出口压力的设压力的设计值。计值。实际上，由于存在摩擦，流动过程中发生能量耗散，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

19、成热能被气流吸收，故实际过程是不可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。逆的。工程上常用工程上常用“速度系数速度系数”或能量损失系数或能量损失系数 来表来表示气流出口速度的下降和动能的减少。示气流出口速度的下降和动能的减少。能量损失系数能量损失系数定定义为：义为：8-5 有摩阻的绝热流动有摩阻的绝热流动22222221fffccc（8-158-15）流体流经阀门、孔板等设备时，由于局部阻力使流流体流经阀门、孔板等设备时，由于局部阻力使流体压力降低，这种现象称为体压力降低，这种现象称为节流现象节流现象。如在节流过程中。如在节流过程中流体与外界没有热交换，就称为流体与外界没有热交换，就称为绝热节流绝热节流，简称节流。，简称节流。闸闸 阀阀节流阀节流阀8-6 绝热节流绝热节流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，节流前节流过程是典型的不可逆过程，节流前后流体的焓值相等。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节流后温度不变的气流温度叫做转回温度度Ti。节流过程的工程应用：制冷、调节发动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。机的功率、测量流体的流量等。几点说明：几点说明：