第九章氣體與蒸氣的流動(dòng)

1、1第九章第九章 氣體和蒸汽的流動(dòng)氣體和蒸汽的流動(dòng)Gas and Steam Flow7-1 一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的基本方程式一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的基本方程式7-2 定熵流動(dòng)的基本特性件定熵流動(dòng)的基本特性件7-3 噴管計(jì)算噴管計(jì)算7-4 背壓變化對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)的影響背壓變化對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)的影響7-5 具有摩擦的絕熱流動(dòng)具有摩擦的絕熱流動(dòng)7-6 絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流2 工程中有許多流動(dòng)問題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，工程中有許多流動(dòng)問題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，特別是噴管特別是噴管(nozzle, jet)、擴(kuò)壓管、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥及節(jié)流閥(throttle valve)內(nèi)流動(dòng)過程的能量轉(zhuǎn)換情況。內(nèi)流動(dòng)過

2、程的能量轉(zhuǎn)換情況。391 一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的基本方程式一維穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的基本方程式一、一、穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流一元穩(wěn)定一元穩(wěn)定絕熱絕熱可逆可逆參數(shù)取平均值參數(shù)取平均值 是指開口系統(tǒng)內(nèi)每一點(diǎn)的熱力學(xué)和力學(xué)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)，但在系統(tǒng)內(nèi)不同點(diǎn)上，參數(shù)值可以不同。為了簡化起見，可認(rèn)為管道內(nèi)垂直于軸向的任一截面上的各種參數(shù)都均勻一致，流體參數(shù)只沿管道軸向或流動(dòng)方向發(fā)生變化。 特征特征4 二、二、連續(xù)性方程連續(xù)性方程(continuity equation) 常數(shù)常數(shù)vfcvcfvcfmmm.222111211m 2m m 式中，f1，f2，f 各截面處的截面積（m2）；c1，c2，c 各截面處的氣

3、流速度（m/s）；v1，v2，v 各截面處氣體的比容的（m3/kg）。各截面處的質(zhì)量流量（kg/s）；5對(duì)微元穩(wěn)定流動(dòng)過程，連續(xù)性方程可表示為0ddd0)(ddvvffccvfcm 6三、絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式三、絕熱穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式2121221212212212210, 0, 021hhccqwzzgwzzgcchhqsS對(duì)于微元絕熱穩(wěn)定流動(dòng)過程，可寫成2dd2ch cdcdh7四、定熵過程方程式四、定熵過程方程式pvvpvp2211注意，若水蒸氣，則注意，若水蒸氣，則122111vTvTccVp且dd0pvpv對(duì)于微元定熵過程有 上式只適用于理想氣體的比熱容比為常數(shù)（定比熱容）的可逆絕

4、熱過程。對(duì)于變比熱容的定熵過程，應(yīng)取過程范圍內(nèi)的平均值。8五、音速和馬赫數(shù)五、音速和馬赫數(shù) 可壓縮流體的壓力波是以音速向四周傳播的，壓力波的可壓縮流體的壓力波是以音速向四周傳播的，壓力波的傳播過程可以當(dāng)作定熵過程處理。傳播過程可以當(dāng)作定熵過程處理。ssvpvpa2dd0pvpvsppvv 對(duì)于理想氣體RTpva9注意：注意：流體的音速不是一個(gè)常數(shù)，它隨流體的狀態(tài)的變化而變化。流體的音速不是一個(gè)常數(shù)，它隨流體的狀態(tài)的變化而變化。在某狀態(tài)下的音速在某狀態(tài)下的音速稱為稱為當(dāng)?shù)芈曀佟．?dāng)?shù)芈曀佟?0 C1.4 287 273.15331.2m/sc 如空氣，如空氣， 馬赫數(shù)馬赫數(shù)20 C318.93m/

5、sc20 C343m/sc M1 超音速超音速cMac是給定狀態(tài)的氣體流速，a是該狀態(tài)下的音速。 根據(jù)馬赫數(shù)的大小，可以把氣流速度分為三檔 1011.2 定熵流動(dòng)的基本特性vdpdhcdcdh一、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系：一、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系：vdpcdc(d0)c (d0)p (d0)c (d0)p 在管道內(nèi)作定熵流動(dòng)時(shí)，dc與dp的符號(hào)相反；，必導(dǎo)致氣體的壓力下降這就是噴管中的氣體流動(dòng)特性；，將導(dǎo)致氣體的壓力升高即氣流速度增加而氣體速度下降這是擴(kuò)壓管中的氣體流動(dòng)特性。 11二、管道截面變化的規(guī)律sssvpvavpvpa222ssvpvdpvpvvdpacdc22vdpc

6、dcvdvdppvvvpvdpcadccss12212vdvcdcMacM2M1，比體積變化量大于速度變化量。，比體積變化量大于速度變化量。 1302vdvfdfcdcvdvcdcMcdcMfdf12即為漸縮噴管0, 0, 1dfdcM對(duì)于噴管（對(duì)于噴管（dp0）：）：即為漸擴(kuò)噴管0, 0, 1dfdcM14 截面上截面上M=1、c=a、df=0，稱，稱臨界截面臨界截面也稱也稱喉部喉部(throat)截面截面，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲倥R界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲佟c、vc、Tc稱稱臨界壓力臨界壓力、臨界溫度臨界溫度、臨界比體積。臨界比體積。法爾噴管。稱為縮放噴管，也稱拉如果00, 0, 11df

7、dfdcMMcccccRTvpac15圖9-1 噴管中個(gè)參數(shù)沿軸向變化的示意圖 16cdcMfdf12即為漸縮擴(kuò)壓管0, 0, 1dfdcM對(duì)于擴(kuò)壓管（對(duì)于擴(kuò)壓管（dp0，dc0）：）：即為漸擴(kuò)擴(kuò)壓管0, 0, 1dfdcM17 注意：漸擴(kuò)漸縮擴(kuò)壓管內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜。注意：漸擴(kuò)漸縮擴(kuò)壓管內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜。稱為漸縮漸擴(kuò)擴(kuò)壓管。如果00, 0, 11dfdfdcMM18表9-1噴管和擴(kuò)壓管流速變化與截面變化的關(guān)系 1973 噴管計(jì)算噴管計(jì)算一、定熵滯止參數(shù)一、定熵滯止參數(shù) 將具有一定速度的流體在定熵條件下擴(kuò)壓，使其流速降低為零，這時(shí)氣體的參數(shù)稱為定熵滯止參數(shù)。滯止現(xiàn)象滯止現(xiàn)象 20 定熵滯止過程

8、pppppccTTcTcTcTchTch22,211021100011對(duì)于理想氣體222222110chchh11011011010,TTvvTTpp21二、噴管出口流速二、噴管出口流速 通常進(jìn)口流速 ，可將進(jìn)口參數(shù)近似作為定熵滯止參數(shù)。smc/5012121272.4410002hhhhc或2122hhc112121212121121222ppRTTTRTTchhcp對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體 出口流速只取決出口流速只取決于進(jìn)口狀態(tài)參數(shù)。于進(jìn)口狀態(tài)參數(shù)。 22三、臨界壓力比、臨界流速、臨界溫度三、臨界壓力比、臨界流速、臨界溫度1487. 0487. 0ppc，對(duì)于單原子理想氣體，1112ppc

9、cchhc172.44對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體 1582. 0582. 0ppc，對(duì)于雙原子理想氣體，1546. 0546. 0ppc，對(duì)于多原子理想氣體，1112,12TTRTccc23四、流量與臨界流量四、流量與臨界流量一般按最小截面來計(jì)算質(zhì)量流量。一般按最小截面來計(jì)算質(zhì)量流量。1、漸縮噴管的質(zhì)量流量計(jì)算、漸縮噴管的質(zhì)量流量計(jì)算222vcfm 自由膨脹。的過程在管外進(jìn)行，屬膨脹至，若，若說明：bcccbbcbpppppppppp22,;對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體11221211222212ppppvpfvcfm24質(zhì)量流量隨壓力比的變化 ccvcfm2max11122max1212vpfm對(duì)

10、于理想氣體252、漸縮漸擴(kuò)噴管的流量計(jì)算ccvcfmminmax1112minmax1212vpfm對(duì)于理想氣體26五、水蒸氣的流速與流量計(jì)算五、水蒸氣的流速與流量計(jì)算577. 0546. 01；對(duì)于干飽和蒸氣，對(duì)于過熱蒸氣確定臨界壓力比、根據(jù)進(jìn)口蒸氣的狀態(tài)，用縮放管。若，用漸縮管，若，判斷噴管的類型、計(jì)算bcbbcbcpppppppppp221,;221272.44hhccchhc172.44222vcfm ccvcfm2maxccvcfmminmax27六、噴管形式選擇及尺寸計(jì)算六、噴管形式選擇及尺寸計(jì)算1、噴管形式選擇、噴管形式選擇用縮放管。，用漸縮管,;cbcbpppp222cvmfc

11、ccvmfmin2、噴管尺寸計(jì)算、噴管尺寸計(jì)算22min2tgddl28七、小結(jié)七、小結(jié)1、表、表9-2列出了噴管計(jì)算的主要公式列出了噴管計(jì)算的主要公式。態(tài)的參數(shù)作為滯止參數(shù)可直接用爾后選用表中的公式；，需先求出滯止參數(shù)，中公式：所有計(jì)算分兩類選擇表1,/50/5011smcsmc2、關(guān)于噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算、關(guān)于噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算噴管形式選擇噴管形式選擇用縮放管。，用漸縮管,;cbcbpppp293、漸縮噴管的噴管計(jì)算、漸縮噴管的噴管計(jì)算4、漸縮漸擴(kuò)噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算、漸縮漸擴(kuò)噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算5、在計(jì)算噴管出口流速和質(zhì)量流量時(shí)，無論是漸縮、在計(jì)算噴管出口流速和質(zhì)量流量時(shí)，無論是漸縮管還是縮放管，其基本公式是

12、相同的。管還是縮放管，其基本公式是相同的。，時(shí)當(dāng)，時(shí)，當(dāng)max22max22,;,mmccppppmmccppppcccbcbcbmax22,mmmccpppcccb，例題例題9-1、9-2309.4 背壓變化對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)的影響背壓變化對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)的影響一、漸縮噴管一、漸縮噴管。、所示，噴管內(nèi)壓力變化如曲線、如果22212221;,1mcpppmcpppABppbbcb不足。所示，此現(xiàn)象稱為膨脹曲線的過程發(fā)生在管外，如膨脹至、所示，噴管內(nèi)壓力變化如曲線、如果CDppmmacpppmcppppmmacACppbccbcbbccb2max222222max22,;,231二、漸縮漸擴(kuò)噴管二、漸縮漸

13、擴(kuò)噴管所示。噴管內(nèi)壓力變化如曲線（設(shè)計(jì)工況下的背壓）、如果ABCppdb,1。此現(xiàn)象也稱為膨脹不足所示，發(fā)生在管外，如曲線的過程膨脹至但狀態(tài)，喉部氣流依然處于臨界、如果ABCDpppppmmmacppbbdcccdb22max2,2。氣體流動(dòng)情況比較復(fù)雜、如果,3dbpp 329.5 具有摩擦的絕熱流動(dòng)具有摩擦的絕熱流動(dòng)噴管速度系數(shù)噴管速度系數(shù)一般在一般在0.940.9822cc 212212272.4472.44hhchhcc或噴管效率噴管效率221 21222 22/hhhhccn一般在一般在0.90.95332121211 2hhhhhhhnn或如果已知對(duì)于理想氣體對(duì)于理想氣體211 2

14、21 212 21 272.44TTTTTTTTTTccnnp34蒸氣引射器的工作原理 例題9-3 359.6 絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流 節(jié)流節(jié)流：節(jié)流過程是指流體（液體、：節(jié)流過程是指流體（液體、氣體）在管道中流經(jīng)閥門、孔板氣體）在管道中流經(jīng)閥門、孔板或多孔堵塞物等設(shè)備時(shí)，由于局或多孔堵塞物等設(shè)備時(shí)，由于局部阻力，使流體壓力降低的一種部阻力，使流體壓力降低的一種特殊流動(dòng)過程。這些閥門、孔板特殊流動(dòng)過程。這些閥門、孔板或多孔堵塞物稱為節(jié)流元件。若或多孔堵塞物稱為節(jié)流元件。若節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量交換，稱為絕熱節(jié)流，常常簡稱交換，稱為絕熱節(jié)流，常常簡稱為節(jié)流。在熱力設(shè)備

15、中，壓力調(diào)為節(jié)流。在熱力設(shè)備中，壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)或測(cè)量流量以及獲節(jié)、流量調(diào)節(jié)或測(cè)量流量以及獲得低溫流體等領(lǐng)域經(jīng)常利用節(jié)流得低溫流體等領(lǐng)域經(jīng)常利用節(jié)流過程，而且由于流體與節(jié)流元件過程，而且由于流體與節(jié)流元件換熱極少，可以認(rèn)為是絕熱節(jié)流。換熱極少，可以認(rèn)為是絕熱節(jié)流。36 節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)： 1) p2s1，I=T0sg 3) h1=h2，但節(jié)流過程并非，但節(jié)流過程并非 等焓過程；等焓過程； 4) T2可能大于等于或小于可能大于等于或小于T1 理想氣體理想氣體T2= T1。37氣體絕熱節(jié)流過程 理想氣體絕熱節(jié)流前后狀態(tài)參數(shù)變化如圖1-2所示 1212122121;,ssvvppTThh

16、38水蒸氣的絕熱節(jié)流過程 絕熱節(jié)流前后狀態(tài)參數(shù)變化如圖1-2所示 1212121221;ssvvpptthh濕飽和蒸氣節(jié)流后可以變成干飽和蒸氣或過熱蒸氣。 39節(jié)流的溫度效應(yīng)節(jié)流的溫度效應(yīng) 節(jié)流前后流體溫度的變化稱為節(jié)流的溫度效應(yīng)。節(jié)流前后流體溫度的變化稱為節(jié)流的溫度效應(yīng)。 節(jié)流后流體溫度升高稱為熱效應(yīng)；節(jié)流后流體溫度升高稱為熱效應(yīng)；節(jié)流后流體溫度降低稱為冷效應(yīng)；節(jié)流后流體溫度降低稱為冷效應(yīng)；節(jié)流后流體溫度不變稱為零效應(yīng)；節(jié)流后流體溫度不變稱為零效應(yīng)；節(jié)流過程的溫度效應(yīng)與流體的種類、節(jié)流前流體的狀節(jié)流過程的溫度效應(yīng)與流體的種類、節(jié)流前流體的狀態(tài)以及態(tài)以及 節(jié)流前后壓降大小有關(guān)。節(jié)流前后壓降大小

17、有關(guān)。 節(jié)流過程的溫度效應(yīng)可用絕熱節(jié)流系數(shù)（也稱焦耳節(jié)流過程的溫度效應(yīng)可用絕熱節(jié)流系數(shù)（也稱焦耳-湯姆遜系數(shù)）來表示。湯姆遜系數(shù)）來表示。40焦耳焦耳-湯姆遜系數(shù)湯姆遜系數(shù)焦耳焦耳-湯姆遜系數(shù)也稱節(jié)流微分效應(yīng)，系數(shù)可由焦耳湯姆遜系數(shù)也稱節(jié)流微分效應(yīng)，系數(shù)可由焦耳-湯姆遜實(shí)驗(yàn)來確定。湯姆遜實(shí)驗(yàn)來確定。hjpT焦耳湯姆遜絕熱節(jié)流試驗(yàn)裝置 41絕熱節(jié)流的T-p圖 等焓線上任意一點(diǎn)的斜率就是該狀態(tài)的絕熱節(jié)流系數(shù)。 轉(zhuǎn)回點(diǎn)轉(zhuǎn)回點(diǎn)每條定焓線上每條定焓線上溫度最大值的點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度最大值的點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度稱為回轉(zhuǎn)溫度。溫度稱為回轉(zhuǎn)溫度。轉(zhuǎn)回曲線轉(zhuǎn)回曲線連接所有回連接所有回轉(zhuǎn)點(diǎn)的曲線。轉(zhuǎn)點(diǎn)的曲線。NbaPTT最大回轉(zhuǎn)壓力最低回轉(zhuǎn)溫度最大回轉(zhuǎn)溫度;42冷效應(yīng)區(qū)：冷效應(yīng)區(qū)：在轉(zhuǎn)回曲線與溫度縱軸圍成的區(qū)域內(nèi)所有