PPT《第九章 气体和蒸汽的流动》

第九章 气体和蒸汽的流动 工质流动所具有的宏观动能在工程上占有非常重要的地位.

如航空喷气发动机、火箭发动机就是利用喷管产生的强大动能推动飞机和火箭运动的,叶轮式压气机中,外界输入的功先使工质的动能提高,然后再依靠扩压管的作用把动能转化成压力.本章研究以速度为主要状态参数的喷管和扩压管的能量转换规律. 本章主要内容

1、研究气体流动基本方程

2、 研究气体在管内流动的基本特性 气流速度变化 能量转换 状态参数变化 的规律 能量守恒方程 过程方程 质量守恒方程

3 、 喷管设计计算 喷管选型、临界压力、临界流速、出口流速、质量流量等 §9.1 一维绝热稳定流动的基本方程

1、稳态稳流概念

2、几个基本方程 (1) 连续性方程 (2) 绝热稳定流动能量方程 (3) 定熵过程方程式

3、音速与马赫数 (1) 音速 (2) 马赫数 = const 理想气体定熵流动: §9.2 定熵流动的基本特性

1、气体流速变化与状态参数间的关系

2、管道截面变化的规律 §9.3 喷管中流速及流量计算

1、定熵滞止参数

2、喷管的出口流速

3、临界压力比及临界流速

4、流量与临界流量

5、喷管的设计计算

1、稳态稳流概念 稳态稳流(稳定流动)

2、几个基本方程 连续性方程 绝热稳定流动能量方程 定熵过程方程 §9.1 一维绝热流动的基本方程 状态不随时间变化 恒定的流量 (1) 连续性方程 由稳态稳流特点 此式表明的物理意义: 连续性方程: 适用于:任何工质的可逆与不可逆的一一维稳定流动过程. (2) 绝热稳定流动能量方程 适用于:任何工质 的可逆和不可逆绝热稳定流动过程. 表明:工质在绝热不作外功的稳定流动中,任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值,气体动能的增加等于气流的焓降. 可逆绝热过程方程式 适用条件:理想气体定比热可逆 微分 变比热时k取过程范围内的平均值 (3) 定熵过程方程式 音速是微弱扰动在连续介质中所产生的压力波传播的速度. 在气体介质中,压力波的传播过程可作定熵过程处理 (1) 音速 拉普拉斯音速方程为: 定熵过程 适用于:理想气体定熵流动 只随绝对温度而变

3、 音速与马赫数 (2) 马赫数 气体流速 当地音速 定义式 M>1 超音速 M=1 临界音速 M0 dp

0 导致 喷管中的流动特性 扩压管中的流动特性

1、气体流速变化与状态参数间的关系 §9.2 定熵流动的基本特性小结 绝热稳定流动能量方程: 可见气体在管道内作定熵流动时:

2、管道截面变化的规律 连续性方程: 亚音速流动时: 超音速流动时: 渐扩喷管 先 然后增大到 则: 渐缩渐扩喷管, 喉部,临界截面

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1、设计:根据已给的流动条件,(初态和终压)求出口流速和流量并选择喷管的外形尺寸.喷管的计算

2、校核:根据喷管的外形尺寸, 求工况变 化时的流量和流速.这一节的主要目的: 根据稳定流动的基本方程来确定它们的计算公式及使用条件. §9.3 喷管中流速及流量计算

1、定熵滞止过程及定熵滞止参数、 (1)定义: (2)参数表达式 下角标为0的是定熵滞止参数 下角标为1的是进口参数 气体在定熵流动过程中,因受到某种物体的阻碍流速降低为零的过程. 滞止状态是工程上常见的一种真实状态.例如:当气体绕流钝体表面时,在钝体迎风面上正对气流的点上,气流速度将阻滞为零.这点称为"滞止点"或"驻点". 在大气飞行器的头部、机翼的迎风面上就属于这种情况. 特别是当航天飞行器返回大气时,由于Ma数很高,其迎风面上将承受很高的温度,能达到数千乃至上万摄氏度的高温.所以要使航天飞行器成功返回地面,必须进行热防护. 不必 作精确计算时,

2、喷管的出口流速 ⑴适用稳流,绝热、一切工质、可逆与不可逆过程.⑵理想气体 ⑶水蒸汽:查h-s图确定

3、临界压力比及临界流速 理想气体的定熵流动,在亚音速到超音速的转变过程中,在渐缩渐扩喷管的喉部M=1,喉部压力为临界压力pc, 渐缩渐扩喷管的喉部压力为临界压力, 故其临界流速为: (9-16)

3、临界压力比及临界流速

3、临界压力比及临界流速 亦可:

3、临界压力比及临界流速 (适用于理想气体定熵流动) 对于定比热容理想气体的定熵过程:

3、临界压力比及临界流速 故在临界截面处:

4、流量与临界流量 一般通过计算最小截面或出口截面的质量流量 由连续性方程知,各个截面的质量流量相等 (1)渐缩喷管的质量流量计算

1 2 c2 注意 的取值 背压:喷管出口处的环境压力.

1 2 气流在喷管内可以充分膨胀. Pc到pb的过程在喷管外进行. ,和背压有关. (2)渐缩渐扩喷管的流量计算 正常工作时

5、喷管的设计计算 出发点: ⑴喷管形式选择 渐缩喷管 渐缩渐扩喷管 ⑵喷管尺寸计算 渐缩渐扩喷管的最小截面积(喉部)为 根据经验,渐扩段长度l为:

6、 ⑴ ⑵ § 9.4 扩压管 定熵流动的基本关系式和管道截面变化规律的关系式相同 扩压管是在已知进口参数进口速度和出口速度的情况下计算出口压力 扩压管与喷管的区别与联系 注:动能损失得越多压力增加得越多 扩压管的扩压比概念 定义式 进口压力 出口压力 由能量方程得 则定熵过程 § 9.5 具有摩擦的流动 定义式 实际出口速度 定熵过程出口速度 大致在0.94至0.98之间 速度系数 喷管效率 消耗一部分动能 一般在0.9至0.95之间 喷管和扩压管的应用:蒸气引射器(p176页图9-9). 引射式压缩器是以较少的高压蒸汽,引射低压蒸汽,混合而得较多的中压蒸汽以供应用.其有点是机构简单,没有运动部件,虽然其效率不佳,但仍有实用价值,在制冷装置、凝汽器的抽气设备、小型锅炉中的给水设备等中均有应用. 图9-9所示为一引射式压缩器的结构简图.压力为p1的高压蒸汽经过喷管流入,在喷管中膨胀加速,动能增加,压力降低.在喷管出口,当压力降低到被引射流体压力p2之下时,将被引射流体引入混合室进行混合,以某一平均流速流向扩压管,降速而增压至p3流出. 定义:气体在管道中流过突然缩小的截面, 而又未及与外界进行热量交换的过程 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. 流体在通过缩孔时动能增加,压力下降并产生强烈扰动和摩擦.扰动和摩擦的不可逆性,导致整个过程的不可逆性. 在缩孔附近,流速 ,焓 不可逆性: § 9.6 绝热节流 绝热节流前后参数的变化 (1) 对理想气体 温度不变 压力下降 比容增加 熵增加 焓不变 注:理想气体的焓是温度的单值函数 (2) 对实际气体 节流前后焓不变,温度不一定不变 绝热节流温度效应 温度效应与流体的种类,节流前所处的状态及节流前后压力降低的大小有关.绝热节流温度效应可用绝热节流系数 热效应 零效应 冷效应 温度降低 温度不变 温度升高 表示. 定义式 物性参数反映与理想气体的偏差 焓的热力学微分方程式 绝热节流过程中焓变为零

0 =0 产生热效应 产生冷效应 产生零效应 绝热节流系数(焦尔-汤姆逊系数) 从图9-14可以看出,在一定焓值范围内,每条定焓线有一个温度最大点,在该点上: 称为回转点,该点温度称为回转温度,连接所有回转点的曲线称为回转曲线. 冷效应区和热效应区. 本章作业 P182:9-

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