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1、第九章 气体和蒸汽的流动,第九章 气体和蒸汽的流动,第一节 一维稳定绝热流动的基本方程,第二节 定熵流动的基本特性,第三节 喷管计算,第四节 背压变化对喷管内流动的影响,第五节 具有摩擦的绝热流动,第六节 绝热节流,本章学习内容,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,外界条件,管道截面积的变化,能量方程,过程方程,连续性方程,3 喷管计算,一 稳态稳流,二 连续性方程,三 绝热稳定流动能量方程,四 定熵过程方程式,五 音速和马赫数,第一节 一维稳定绝热流动的基本方程,二 连续性方程（质量守恒）,const,由稳态稳流特点,适用
2、于任何工质,可逆和不可逆过程,截面面积,气流速度,气体比体积,流道内各截面处的质量流量都相等,三 绝热稳定流动能量方程,适用于任何工质,可逆和不可逆过程,注：增速以降低本身焓值为代价,稳态稳流能量方程：,四 定熵过程方程式,= const,可逆绝热过程方程式,适用条件: (1)理想气体 (2)定比热 (3)可逆,微分,五 音速和马赫数,微小扰动在流体中的传播速度,压力波的传播过程 可作定熵过程处理,(1) 音速,定义式:,定熵过程,理想气体,只随绝对温度而变,音速是状态参数,某状态的音速称为当地音速,(2) 马赫数,M1 超音速,M=1 临界音速,M1 亚音速,第二节 定熵流动的基本特性,、促
3、使流速改变的力学条件条件： 气体流速变化与状态参数间的关系,二、促使流速改变的几何条件条件： 管道截面变化的规律,一 促使流速改变的力学条件条件， 气体流速变化与状态参数间的关系,dc0,dp0,dc 0,dp 0,稳态稳流能量方程：,dcf和dp的符号总是相反,加速，压力降低；减速，压力升高,应用：,如果要获得高速气流，必须应用某种设计，使气流膨胀，降低压力：喷管,如果要获得高压气流，必须应用某种设计，使气流减速：扩压管,力学条件,二 促使流速改变的几何条件条件辅助作用 管道截面变换规律,喷管（dc 0）,M1，亚声速流动，df0,气流截面收缩,M1，超声速流动，df0,气流截面扩张,喷管的
4、要求：亚音速流必须是渐缩喷管；超音速流必须是渐扩喷管；从亚音速到超音速必须是渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管），在喉部达到音速。,df的正负取决比体积的增长率dv/v及速度增长率dc/c 的相对大小,亚音速：,超音速：,df为负,df为正,喷管几何条件的物理原因？,注:扩压管dc0,故不同音速下的形状与喷管相反,M1,M1,M1,df0,渐缩,df0,渐扩,df0,渐缩渐扩,M=1,df=0,临界截面,喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系,流动状态,管道种类,管道形状,M1,M1,dc0,dc0,喷管,dp0,1,2,M1,渐缩渐扩喷管 M1 渐缩渐扩扩压管M1转M1,1,2,M1,M=1,M1,M1
5、,扩压管,dp0,1,2,1,2,1,2,1,2,M=1,c,v,a,p,M=1,M1,M1,临界点,渐缩渐扩喷管，简称缩放喷管，也称拉伐尔喷管：,喉部 临界参数,当地音速随温度降低而降低,当地流速随压力降低而升高,截面变化与速度变化无直接关联！,第三节 喷管计算,一 定熵滞止参数,二 喷管出口速度,三 临界压力比及临界流速,四 流量与临界流量,五 水蒸汽流速及流量计算,六 喷管形式选择及尺寸计算,七 小结,将有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其 流速降低为零，这时气体的参数称为定熵滞止参数。,一 定熵滞止参数,即用滞止参数计算,一般c1比较小，可忽略,时，精确计算时应考虑初速影响，,二 喷
6、管出口速度,忽略初速影响,适用于任何工质的绝热稳定流动!,( m / s ),由绝热稳定流动能量方程,定比热理想气体、定熵过程：,由上式知：,仅受入口状况和出口压力影响。,三 临界压力比及临界流速,渐缩渐扩喷管喉部M= 1，喉部压力为临界压力,临界压力比,临界处音速,注意与汽液转换时的临界压力不是一个概念！,理想气体,单原子气体：,多原子气体：,理想气体临界流速,或：,任何气体可逆或不可逆过程,四 流量与临界流量,受最小截面控制，所以一般按最小截面计算流量,各个截面的质量流量相等,因为喷管出口流速由力学条件起决定作用，,所以出口面积一定时，喷管出口流量由力学条件起决定作用，即压力差决定！外界背
7、压决定！,渐缩渐扩管流量计算：,正常工作时，只有等于最大流量,1,2,五 水蒸汽流速及流量计算,假设水蒸汽定熵过程也符合,常数，,但k不是比热比，而是经验值,过热蒸汽,（仅用于求解,）,干饱和蒸汽,对水蒸汽的计算，因为不是理想气体，,所以只能运用连续方程或能量方程。,出口流速：,临界流速：,质量流量：,最大流量：,（渐缩）,（渐缩渐扩）,六 喷管形式选择及尺寸计算,1 喷管形式选择：按外界压力来选择！ 因为力学条件起决定作用,（1) 当 采用渐缩喷管。,（2）当 采用渐缩渐扩喷管。,2 喷管尺寸计算,已知：流量m、进口状态、外界背压,计算喷管出口c2、v2,f2=mv2/c2 , fmin=m
8、vc/cc (缩放),喷管长度：经验公式,第四节 背压变化对喷管内流动的影响,喷管工作条件变化（变工况）将影响喷管内的流动,本节假定入口条件相同，讨论出口背压变化的影响,一、渐缩喷管,二、渐缩渐扩喷管,一、渐缩喷管,p0,p2,pb,pd pc,当pb升高到pd以上时：,p2= pb 出口流量、流速降低,设计工况,则 P2=Pd,当pb降低到pd以下时：,p2= pb 出口流量、流速增大 （限pd pc,以pc为极值）,设计工况,pd pc,此时喷管的流量、流速为最大,当pb升高到pd以上时：出口流量、流速降低,当pb降低到pd以下时：则膨胀不足,三种工况（与左侧不对应）,设计背压大于临界压力
9、,设计背压等于临界压力,二、渐缩渐扩喷管,p,p0,p2= pb,出现膨胀不足，流量和流速保持不变。,pbpd,膨胀不足,p0,p2,pb,设计工况,当pb降低到pd以下时：,当pb升高到pd以上时：,气体流动受阻，压力突然升高。,突击压缩,pbpd,渐缩喷管,渐缩渐扩喷管,第五节 具有摩擦的绝热流动,有摩擦损失，即有熵增,，定熵流动,，实际流动,1,2,2,p1,p2,T,S,（有摩擦的流动焓降变小）,速度系数：,（进口参数相同，出口压力相同）,定义式,喷管效率：,对理想气体：,蒸汽引射器示意图,定义：流体在管道中流过突然缩小的截面，压力降低，且与外界没有热量交换的过程,特点：绝热节流过程前
10、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。,不可逆性：,第六节 绝热节流,节流前后压力下降、熵增加。,绝热节流前后参数的变化,(1) 对理想气体,（2）对水蒸汽：,p1,p2,1,2,t1,t2,节流的温度效应：绝热节流前后流体的温度变化,热效应：绝热节流后温度升高,零效应：绝热节流后温度不变,冷效应：绝热节流后温度降低,温度效应与流体种类、状态及压降大小有关,绝热节流温度效应可用绝热节流系数,（焦耳汤姆逊系数）来表示：,（反映与理想气体偏差大小）,2d,（等焓线）,2b,2a,1,2,3,4,
11、P,热效应区,回转曲线,冷效应区,2c,T,Ta,Tb,绝热前后的压力总是降低的，,所以,缺点：熵增加，典型不可逆过程,工质作功能力明显降低,绝热节流,优点：简单易行,应用广泛：阀门、测量湿饱和蒸汽干度和测量流体流量，节流制冷设备！,判断： 1在管道内定熵流动过程中，各点的滞止参数都相同（ ）。 2空气初态压力3bar，出口压力为1bar，则应采用渐缩渐扩型喷管，以获得空气在喷管中的充分膨胀（ ）。 3. 对一渐扩形短管，当进口流速为超音速时，可做扩压管使用。（ ） 4. 绝热节流前后其焓不变，所以温度也不变。（ ）,判断： 1在管道内定熵流动过程中，各点的滞止参数都相同（ ）。 2空气初态压
12、力3bar，出口压力为1bar，则应采用渐缩渐扩型喷管，以获得空气在喷管中的充分膨胀（ ）。 3. 对一渐扩形短管，当进口流速为超音速时，可做扩压管使用。（ ） 4. 绝热节流前后其焓不变，所以温度也不变。（ ）,选择： 1理想气体在喷管中定熵流动时，其参数的变化规律是 （A）dc0, dh=0, dp0 (B) dc0, dh0 dh0 dp0, dh0 2理想气体绝热节流前后参数变化是 （A）T0 （B）T=0 p0 （C）T=0 p0 S0 （D）T=0 p0 S=0,选择： 1理想气体在喷管中定熵流动时，其参数的变化规律是 （A）dc0, dh=0, dp0 (B) dc0, dh0 dh0 dp0, dh0 2理想气体绝热节流前后参数变化是 （A）T0 （B）T=0 p0 （C）T=0 p0 S0 （D）T=0 p0 S=0,B,B,
