工程热力学第九章-气体和蒸气的流动课件.ppt

1、第九章 气体和蒸气的流动第一节 绝热流动的基本方程一、稳态流动o 概念：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的流动，但在系统的不同点上，参数值可以不同o 简化模型：管道内垂直于轴向任一截面的各种参数值都均匀一致，流体参数只沿管道轴向或流动方向发生变化。o 一元（一维）稳定流动二、连续性方程o 根据质量守恒定律，各截面质量流速相等：o 上述公式适用于任何工质的可逆与不可逆稳定流动过程121 12212.0mmmconstf cf cfcconstvvvdcdfdvcfv微元稳定流动过程：三、绝热稳定流动能量方程：o 公式适用于任何工质的可逆与不可逆的绝热稳定流动过程22222121

2、21122221122()()2,0,022ssccqhhg zzwabzz wqcchhcddh 由：得：对微元过程：四、定熵过程方程式o 公式仅适用于理想气体的比热比k为常数（定比热）的可逆绝热过程。.0pvconstdpdvpv五、音速与马赫数o 音速：微小扰动在流体中的传播速度。o 压力波 传播过程可以当作定熵过程处理。o 音速计算：n 定熵流动：n 理想气体：2ssppavvapvRTcMao 流体中的音速不是一个常数。o 指定状态下的音速值称为当地音速。o 马赫数Mn M1 超音速cMa第二节 定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系n 上式仅适用于定熵流动过程n 说明

3、：管道内作定熵流动时，dc与dp符号相反o 积分式：cdcvdp 2121vdphh二、管道界面变化的规律222(1)dcpv dpcdcvdpccpdvdcMvcdvdcdfdpdvvcfpvdfdcMfc由 整理得：亚音速气流的比容增长率小于流速增长率由及整理得：上式指出管道截面变化与气流流速变化关系喷管分类：o 渐缩喷管亚音速，降压增速o 渐扩喷管超音速，降压增速o 缩放喷管（拉法尔喷管）o 渐缩扩压管o 渐扩扩压管参数变化示意图：喷管和扩压管的截面积变化与流速关系：第三节 喷管中流速及流量计算一、定熵滞止参数o 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，此时的气体参数

4、。o 理想气体：22120122101222pcchhhcTTc其他滞止参数的确定：1111 10 000111010101101122101300,30/301.01 30022 10003030.45303.45/Tpp vp vTpTTppvvTTTK cm schhkJ kg由和得：忽略进口流速时，当取二、喷管出口速度121202cchh绝热稳定流动且，则21212(1)221111(1)21 112()2()12(1)2111211pcc TTR TTTpRTRTTppp vp对定比热理想气体：三、临界压力比及临界流速o 理想气体的定熵流动符合管道截面变化规律o 临界压力比：在喉部马

5、赫数M=1，喉部的压力为临界压力，临界压力与进口压力的比值1cpp2(1)dfdcMfc临界压力比推导：o 临界流速：1(1)1 11211ccccccap vpppcp vp将临界压力比带入临界压力比：(1)1 111(1)11 111(1)121121cccccccccp vpp vpp vpppp vppppp整理得：临界流速计算式：1111.670.4870.4871.400.5280.5281.300.5460.546cccpppppp对单原子气体对双原子气体对多原子气体1 1112221144.72cccp vRTchh四、流量与临界流量1、渐缩喷管的质量流量计算：2 221 12

6、 22(1)122211121f cmvpvp vpppmfvpp将带入整理：o 喷管中气体质量流量决定于压力比p2/p1o 对压力p2的说明：p2是喷管出口截面处的压力，只有外界背压pbpc时，p2才等于pb；当外界背压pbpc时，则出口截面处的压力p2=pco 最大流量的计算：2(1)1max212max2211ccpmfvf cmv适用于一切工质的可逆与不可逆过程2、渐缩渐扩喷管的流量计算n 在同一个喷管中，各个截面上的质量流量是相等的。n 正常工作的渐缩渐扩喷管的质量流量总是等于最大流量2(1)1maxmin1minmax2211ccpmfvfcmv五、水蒸气流速及流量计算o 简化计算

7、模型：n 假定水蒸气的定熵过程也符合pv=常数的关系n 对于过热蒸汽，取=1.3，=0.546，则pc=0.546p1；n 对于干饱和蒸汽，取=1.135，=0.577，则pc=0.577p1；n 上述经验数值，原则上只用于求解临界压力pc的值。对水蒸气的定熵膨胀过程，上述值和经验数值的选取由进口蒸汽状态决定。o 计算公式：n 对水蒸气的计算，不能应用理想气体状态方程及有关定熵过程中理想气体参数间的关系式212122244.7244.72ccchhchhf cmvminmaxccfcmv最大流量质量流量临界流速出口流速六、小结o 表92列出了喷管计算的主要公式。o 对渐缩喷管的计算的原则：n

8、pbpc时，p2=pb，c2cc，mcc，m=mmax；o 计算喷管出口流速及质量流量的基本公式：211221 11222minmax44.72211ckkccchhpkcp vkpf cmvfcmv第四节 扩压管o 气体在扩压管中的定熵流动过程正好是喷管中的反过程。o 有关喷管定熵流动的基本关系式，管道截面变化规律的关系式均适用于扩压管o 与喷管的要求不同，扩压管通常是在已知进口参数、进口速度及出口速度的情况下，要求计算出口压力o 扩压比：扩压管出口压力p2与进口压力p1的比值表示扩压的程度2212122221211(1)(1)222212111221212ppppccc Tc TTccTc

9、 TpTccpTc T 扩压比：第五节 具有摩擦的流动o 定熵过程的焓降为(h1-h2)，实际过程的焓降为(h1-h2)。o(h2-h2)消耗于摩擦的那部分动能损失o 速度系数：实际出口速度与定熵过程出口速度之比，=0.940.98o 喷管效率：实际过程气体出口动能与定熵过程气体出口动能的比值，n=0.90.9522212221222nchhchh22cc221121122122121222112112()()44.72()()()nppnnhhhhhhhccc TTTTTTTTTTTTT出口焓:当为定值时：第六节 绝热节流o 典型的不可逆绝热过程：焓值不变、压力下降、比容增大、熵增大o 对实

10、际气体，焓值虽然不变，温度却是可以变化的n 节流后的温度升高热效应n 节流后的温度降低冷效应n 节流后的温度不变零效应n 绝热节流系数（焦尔-汤姆逊系数）：jhTp焦尔-汤姆逊实验o 绝热节流前后的压力总是降低的，即dp0，故当j0，产生热效应；o 当j0时，dT0，节流产生冷效应 冷效应区o 回转曲线与温度坐标轴的交点得到最大回转温度Ta及最小回转温度Tb，初始温度高于Ta或低于Tb的气体，节流后降低温度是不可能的0pppjphvdhc dTvTdpTvTvTTpc由整理得：1(1)pjphvvTTTvpc应用容积膨胀系数：另一表达式：o 如果知道实际气体的状态方程式或实测气体 的值及比热关系式，就可通过上述计算式得到j的值，从而确定在某一状态节流产生的是热效应、冷效应还是零效应pvT0pvTvT则j 0，产生热效应0pvTvT则j 0，dT 0，产生冷效应0pvTvT则j=0，dT=0，产生零效应o 理想气体：/0pjphpvRTvvTTTTv Tvpc由则：带入整理得：