氣體與蒸汽的流動(dòng)

氣體與蒸汽的流動(dòng)第1頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§8–1

穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式一、簡(jiǎn)化穩(wěn)定一維可逆絕熱工程中有許多流動(dòng)問(wèn)題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，特別是噴管(nozzle;jet)、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttlevalve)內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換情況。第2頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)定流動(dòng)基本方程1122p1T1qm1cf1p2T2qm2cf21.質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）-continuityequation第3頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.過(guò)程方程注意，若水蒸氣，則3.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程—steady-flowenergyequation第4頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕熱滯止(stagnation)理想氣體：

定比熱：變比熱：第5頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)注意：高速飛行體需注意滯止后果，如飛機(jī)在–20℃

的高空以Ma=2飛行，其T0=182.6℃。4.音速方程等熵過(guò)程中所以？第6頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意:1）音速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱(chēng)當(dāng)?shù)匾羲?/p>

如空氣，2）水蒸氣當(dāng)?shù)匾羲?）

馬赫數(shù)

(Machnumber)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity第7頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§8–2促使流速改變的條件一、力學(xué)條件因?yàn)榱鲃?dòng)可逆絕熱，所以且能量方程故力學(xué)條件第8頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論：噴管擴(kuò)壓管2）是壓降，是焓（即技術(shù)功）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。的能量來(lái)源二、幾何條件力學(xué)條件過(guò)程方程連續(xù)性方程1）第9頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾何條件討論：1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對(duì)于噴管漸縮噴管—convergentnozzle第10頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月截面上Ma=1，cf=c，稱(chēng)臨界截面(minimumcross-sectionalarea)[也稱(chēng)喉部(throat)截面]，臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?velocityofsound)稱(chēng)臨界壓力(criticalpressure)，臨界溫度及臨界比體積第11頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）當(dāng)促使流速改變的壓力條件得滿足的前提下：

a）收縮噴管(convergentnozzle)出口截面上流速

cf2,max=c2（出口截面上音速）

b）以低于當(dāng)?shù)匾羲倭魅霛u擴(kuò)噴管(divergentnozzle)

不可能使氣流可逆加速。

c）使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮

漸擴(kuò)噴管(convergent-divergentnozzle)—拉法爾

(Lavalnozzle)噴管。第12頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）背壓(backpressure)pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境

的壓力。正確設(shè)計(jì)的噴管其出口截面上壓力p2等于

背壓pb，但非設(shè)計(jì)工況下p2未必等于

pb4）對(duì)擴(kuò)壓管(diffuser)，目的是p上升，通過(guò)cf下降使動(dòng)

能轉(zhuǎn)變成壓力勢(shì)能，情況與噴管相反。第13頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月歸納：

1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使

流動(dòng)可逆必不可少的條件；

2）氣流的焓差（即技術(shù)功）為氣流加速提供了

能量；

3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?/p>

4）拉法爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速

達(dá)當(dāng)?shù)匾羲伲?）背壓pb未必等于p2。第14頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§8–3

噴管計(jì)算一、流速計(jì)算及分析1.計(jì)算式注意：

a）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)

b）式中h單位是J/kg，cf是m/s，但一般資料

提供h單位是kJ/kg。2.初態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響：

為分析方便，取理想氣體、定比熱，但結(jié)論也

定性適用于實(shí)際氣體。第15頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分析：第16頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月但cf，max不可能達(dá)到摩擦從1下降到0的過(guò)程中某點(diǎn)第17頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月該點(diǎn)即為臨界點(diǎn)，此點(diǎn)上壓力pcr與p0之比稱(chēng)臨界壓力比(criticalpressureratio;throat-to-stagnationofpressure)，用νcr表示討論：理想氣體水蒸氣隨工質(zhì)而變理想氣體定比熱雙原子過(guò)熱水蒸氣濕蒸汽1）第18頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）由于幾何條件約束，cr截面只可能發(fā)生在dA=0處，考慮到工程實(shí)際：收縮噴管—出口截面縮放噴管—喉部截面另：與上式是否矛盾？第19頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.背壓pb對(duì)流速的影響

a）收縮噴管：

b）縮放噴管：第20頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、流量計(jì)算及分析1.計(jì)算式通常收縮噴管—出口截面縮放噴管喉部截面出口截面其中第21頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.初參數(shù)對(duì)流量的影響第22頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月分析：

a）第23頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

b）結(jié)合幾何條件和質(zhì)量守恒方程：圖中收縮噴管縮放噴管且噴管初參數(shù)及p2確定后，噴管各截面上qm相同，并不隨截面改變而改變。

c）虛線情況第24頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、噴管設(shè)計(jì)據(jù)初參數(shù)

p1，v1，T1背壓

pb功率噴管形狀幾何尺寸1.外形選擇

首先確定pcr與pb關(guān)系，然后選取恰當(dāng)?shù)男螤畹?5頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第26頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.幾何尺寸計(jì)算A1——往往已由其他因素確定太長(zhǎng)——摩阻大太短——過(guò)大，產(chǎn)生渦流(eddy)第27頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、工作條件變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)析

1.收縮噴管運(yùn)行工況背壓pb'出口截面壓力p2'噴管在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，尤其是背壓變化較大最終是造成動(dòng)能損失。第28頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.縮放噴管1）若pb'<pb—膨脹不足(underexpansion)，離開(kāi)噴管后

自由膨脹(freeexpasion)2）

pb'>pb—過(guò)度膨脹(overexpansion)，產(chǎn)生激波

(shockwave)第29頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題\第八章\A511661.ppt例題\第八章\A451266.ppt例題\第八章\A451377.ppt第30頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§8–6有摩擦的絕熱流動(dòng)一、摩阻對(duì)流速的影響定義：噴管速度系數(shù)(velocitycoefficientofnozzle)一般在0.92~0.98第31頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、摩阻對(duì)能量的影響定義：能量損失系數(shù)噴管效率注意：？第32頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、摩阻對(duì)流量的影響若p2，A2不變據(jù)例題\第八章\A4512871.ppt第33頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§8–5絕熱節(jié)流一、絕熱節(jié)流(adiabaticthrottling)定義：由于局部阻力，使流體

壓力降低的現(xiàn)象。節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：

1)p2<p12)強(qiáng)烈不可逆，s2>s1,I=T0sg3)h1=h2，但節(jié)流過(guò)程并非

等焓過(guò)程

4)T2可能大于等于或小于T1

理想氣體T2=T1第34頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、節(jié)流后的溫度變化

1.焦耳—湯姆遜系數(shù)（Joule-Thomsoncoefficient）據(jù)令焦耳—湯姆遜系數(shù)（也稱(chēng)節(jié)流微分效應(yīng)）第35頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如理想氣體第36頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.轉(zhuǎn)回溫度(inversiontemperature)

—節(jié)流后溫度不變的狀態(tài)的溫度把氣體的狀態(tài)方程代入μJ表達(dá)式即可求得不同壓力下的轉(zhuǎn)回溫度曲線，轉(zhuǎn)回曲線(inversioncurve)。例如

理想氣體轉(zhuǎn)回溫度為一直線；

實(shí)際氣體，如用范氏方程代入μJ可得或第37頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若令p=0，得

3.節(jié)流的積分效應(yīng)常溫節(jié)流后T上升，T2>T1常溫常壓下節(jié)流T下降

節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致冷區(qū)則T下降節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致溫區(qū)則，T上升或下降取決于Δp的大小當(dāng)氣體溫度T>Ti,max或T<Ti,min，節(jié)流后T