工程熱力學(xué)(王修彥)課件.ppt

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1、工程熱力學(xué)課件2015年1月第八章氣體和蒸汽的流動(GasandSteamFlow)一.簡化工程中有許多流動問題需考慮宏觀動能和位能，特別是噴管(nozzle;?jet)、擴壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttlevalve)內(nèi)流動過程的能量轉(zhuǎn)換情況?！?–1穩(wěn)定流動的基本方程式穩(wěn)定一維可逆絕熱層流紊流二.穩(wěn)定流動基本方程1.質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）continuity?equation1122p1T1qm1cf1p2T2qm2cf22.過程方程注意，若水蒸氣，則3.穩(wěn)定流動能量方程—steady-flow?energy?equation4.音速方程等熵過程中

2、所以？注意：1）音速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當?shù)匾羲偃缈諝猓?）水蒸氣當?shù)匾羲?）馬赫數(shù)(Mach?number)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity絕熱滯止(stagnation)定義：氣流掠過物體表面時，由于摩擦、撞擊等使氣體相對于物體的速度降低為零的現(xiàn)象稱為滯止現(xiàn)象。滯止發(fā)生時氣體的溫度及壓力都要升高，致使物體的溫度及受力狀況受到影響。忽略滯止過程中的散熱，則可認為過程為絕熱滯止過程。絕熱滯止狀態(tài)下氣體的狀態(tài)參數(shù)稱為絕熱滯止參數(shù)或簡稱為滯止參數(shù)?？梢姡^熱滯止焓等于絕熱流動中任一位置氣體的焓和流動動能的總和，因此也

3、稱總焓。水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)理想氣體、定比熱時的滯止參數(shù)：絕熱滯止溫度：絕熱滯止時氣體的溫度稱為絕熱滯止溫度，用T0表示，當比熱容為定值時，由焓和溫度的關(guān)系，可得例如，如飛機在–20℃的高空以Ma=2飛行，其T0=182.6℃。航天飛機返回大氣層時Ma更大?？梢?，cf↑→T0↑。因而，當設(shè)計在高速運動的裝置時和測量高速氣流的溫度時，必須考慮氣體的滯止溫度的影響?！?–2促使流速改變的條件一.力學(xué)條件因為流動可逆絕熱，所以且能量方程故力學(xué)條件討論：噴管擴壓管2）是壓降，是焓?。醇夹g(shù)功）轉(zhuǎn)換成機械能。的能量來源1）二.幾何條件力學(xué)條件過程方程連續(xù)性方程幾何條件討論：1）cf

4、與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對于噴管漸縮噴管—convergent?nozzle當Ma>1時，dcf>0→dA>0，采用漸擴噴管；截面上Ma=1，cf=c，稱臨界截面(minimum?cross-sectionalarea)[也稱喉部(throat)截面]，臨界截面上速度達當?shù)匾羲?velocity?of?sound)稱臨界壓力(critical?pressure)，臨界溫度及臨界比體積192）當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?shù)匾羲倭魅霛u擴噴管(diverg

5、entnozzle)不可能使氣流可逆加速。c）使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用漸縮漸擴噴管(convergent-divergentnozzle)—拉法爾(Lavalnozzle)噴管。3）背壓(back?pressure)pb是指噴管出口截面外工作環(huán)境的壓力。正確設(shè)計的噴管其出口截面上壓力p2等于背壓pb，但非設(shè)計工況下p2未必等于?pb4）對擴壓管(diffuser)，目的是p上升，通過cf下降使動能轉(zhuǎn)變成壓力勢能，情況與噴管相反。歸納：1）壓差是使氣流加速的基本條件，幾何形狀是使流動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

6、的出口截面上流速小于等于當?shù)匾羲伲?）拉法爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速達當?shù)匾羲伲?）背壓pb未必等于p2?！?–3噴管計算一.流速計算及分析1.計算式注意：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，要轉(zhuǎn)化成J/kg。2.初態(tài)參數(shù)對流速的影響：為分析方便，取理想氣體、定比熱，但結(jié)論也定性適用于實際氣體。分析：但cf，max不可能達到摩擦從1下降到0的過程中某點該點即為臨界點，此點上壓力pcr與p0之比稱臨界壓力比(critical?pressure?ratio;?throat-to-stagn

7、ation?of?pressure)，用νcr表示討論：1）理想氣體水蒸氣隨工質(zhì)而變理想氣體定比熱雙原子過熱水蒸氣濕蒸汽3）由于幾何條件約束，臨界截面只可能發(fā)生在dA=0處，考慮到工程實際：收縮噴管—出口截面縮放噴管—喉部截面另：與上式是否矛盾？3.背壓pb對流速的影響a）收縮噴管：b）縮放噴管：二.流量計算及分析1.計算式通常收縮噴管—出口截面縮放噴管喉部截面出口截面其中2.初參數(shù)對流量的影響分析：a）三.噴管設(shè)計據(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?shù)男螤?.