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1、第6章 气体和蒸汽的流动,制作：宋长华,SCH,06 气体和蒸汽的流动,2,本章主要内容,一维稳定流动的基本方程式 管内定熵流动的基本特性 喷管的计算 绝热节流,SCH,06 气体和蒸汽的流动,3,本章教学要求,掌握：稳定流动的基本方程式及其适用条件，管内定熵流动的基本特征；喷管中的流量及流速计算，渐缩喷管和缩放喷管的选型及有关截面积的计算。 理解：声速及马赫数的概念。 了解：临界状态及临界压力比;绝热节流过程的特性及参数的变化规律。 重点：能量方程、水蒸汽在喷管中的流动特征；喷管设计计算方法。 难点：临界状态及临界参数；渐缩喷管在背压发生变化时出口流速及流量的校核计算。,SCH,06 气体和
2、蒸汽的流动,4,6-1 一维稳定流动的基本方程式,稳定流动：流体在流经空间任何一点时，其全部参数(状态参数和运动参数)都不随时间而变化的流动过程。 一维稳定流动：各种参数只沿流动方向变化的稳定流动. 如:蒸汽在汽轮机中的流动;蒸汽在管道中的流动. 喷管：凡是用来使气流降压增速的短管。 扩压管：凡是用来使气流减速增压的短管。 假设：状态及流速只沿流动方向变化，属一维稳定流动。流动中能量转换过程是可逆的，流动无摩擦，且绝热。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,5,分析流动过程所依据的基本方程式,热力学中主要方程 连续性方程式； 能量方程式； 过程方程式。 其它方程：动量方程；状态方程；音速方程。,S
3、CH,06 气体和蒸汽的流动,6,一 、连续性方程式,根据质量守恒定律可知，在稳定流动过程中，通道内各截面处的质量流量相等，并且不随时间而变化，即 qm1=qm2=qm3=qm= 常数 。,适用：任何介质的一元稳定流动,对任意截面： qm 流体的质量流量，kg/s; A 管道截面积，m2; v 流体的比容，m/kg; c 流体的平均流动速度，m/s。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,7,连续性方程分析,1）对不可压流体（dv = 0），如液体等，流体速度的改变取决于截面的改变，截面积A与流速c成反比； 即：A1C1= A2C2= AC常数 2）对于气体等可压流体，流速的变化取决于截面和比体积的
4、综合变化。 3）稳流连续性方程的微分形式：,SCH,06 气体和蒸汽的流动,8,二、稳定流动能量方程式,一般的管道流动中:z1z2 ，ws=0 ，q=0， 则可表示为：,即：,表明：工质在管道内作稳定绝热流动时，其动能的增加等于工质的绝热焓降。 上式适用于任何工质的可逆或不可逆的稳定绝热流动。,由开口系能量方程,此为稳定流动能量方程,SCH,06 气体和蒸汽的流动,9,稳定流动能量方程的微分形式,得：,由热一定律，对绝热过程有：,则有：,表明：流速增加，必有压力下降。反之压力升高，必有流速降低。 所以说，压差是提高工质流速的必要条件；也是流速提高的动力。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,10,
5、流动规律小结,方程表明：工质作稳定绝热流动又不做功时任 一截面上的焓与动能之和等于常数。 换言之，工质速度的增加是由于工质焓的减少；反之，工质速度的减少将使工质的焓增加。,热能,动能,热能,动能,SCH,06 气体和蒸汽的流动,11,3、定熵流动的过程方程式,气体在管道内进行的绝热流动过程，如果是可逆的，就是定熵过程。定熵过程方程式为: pvk= 常数 它表明工质在定熵流动过程中的压力和比容之间的变化关系，式中：k称为绝热指数， 对理想气体，kcp/cv，其中的cp和cv可为定值，也可为平均值； 对于水蒸气，k为经验数据，且为变量，其值为: 过热蒸汽 : k=1.30 干饱和蒸汽:k1.135
6、 湿饱和蒸汽 k1.035十0.1x,SCH,06 气体和蒸汽的流动,12,6-2 管内定熵流动的基本特性,喷管 dc0， dp0 。,喷管在电厂中应用： 蒸汽在汽轮机的喷管中流动； 蒸汽在射汽式抽气器的喷管中的流动； 喷咀流量计等。 扩压管- dp 0， dc 0 。 扩压管在工程中应用：蒸汽在射汽式抽汽器中的流动； 气体在叶轮式压气机中的扩压管中的流动等。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,13,喷管的类型,按喷管的截面积变化,可有三种不同的类型 动画： （1）渐缩喷管:截向积逐渐减小的喷管， （2）渐扩喷管:截面积逐渐扩大的喷管， （3）缩放喷管:截面积先收缩而后再放大的喷管，又称拉伐尔喷
7、管，,综上所述，在喷管中随着气体流速的增加，即dc0，气体状态的变化为：气体的焓和压力降低而比体积增大，即dh0、dp0、dv0 。,在热能工程中常用的喷管：渐缩喷管和缩放喷管,SCH,06 气体和蒸汽的流动,14,6-2 工质在管内中的定熵流动,一、声速与马赫数： 声速a：声音在介质中的传播速度，用a表示。 当地声速：工质在某一工况下的音速。 马赫数： Ma=c/a 当Ma1时（ca)时为亚声速流动； 当Ma1时（ca)时为声速流动； 当Ma 1时（c a)时为超声速流动；,理想气体,SCH,06 气体和蒸汽的流动,15,当Ma0则dA0,为渐扩型. 当Ma1时， dc与dA同号,对喷管,d
8、c0则dA0,为渐扩型；对扩压管, dc1，采用前段渐缩和后段渐扩的组合喷管，称为缩放型喷管或拉伐尔喷管。,二、流速变化与截面的变换关系,由绝热稳流三个基本方程推导可得:,SCH,06 气体和蒸汽的流动,16,结论与分析,（1）在喷管中随着气体流速的增加，即dc0，气体的焓降低dh0、压力降低dp0、比体积增大dv0，而截面积可能增大，也可能减小，这与马赫数有关： Ma1时，dA0； Ma1时，dA0。 （2）在渐缩喷管的出口处气体速度一般为亚声速，最高速度可达到声速；而缩放喷管的出口处气体速度一定为超声速。 （3）工程中喷管入口总是Ma1的情况，进口处Ma1的渐扩喷管几乎不单独使用，因此在热
9、力工程中，常用的喷管为渐缩喷管和缩放喷管。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,17,三、临界参数与临界压力比,1）压力比：喷管出口截面压力p2与入口截面压力p1之比。 2）临界流动与临界参数： 临界流动（状态）：指工质的流速c与同截面音速a 相等时的状态。 临界参数：工质达到临界流动时的参数；如临界流速ccr、临界流量qcr、临界比容vcr、临界压力pcr、临界焓hcr等。 3）临界压力比cr：临界压力pcr与入口截面压力p1之比.它只与工质性质有关。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,18,单原子气体：1.67,多原子气体：1.30,双原子气体(空气)：1.40,对理想气体的cr可用下式计算：,
10、对蒸汽的cr取经验值: 过热蒸汽: cr=0.546 对干饱和蒸汽: cr=0.577 对湿饱和蒸汽: cr=1.035+0.1x, cr取决于干度x.,三、临界参数与临界压力比,SCH,06 气体和蒸汽的流动,19,利用临界压力比判断工质 在喷管中的流态情况,SCH,06 气体和蒸汽的流动,20,蒸汽在缩放喷管内流动特性,SCH,06 气体和蒸汽的流动,21,扩压管（dc 0) 介绍,扩压管：用于增压降速的短管。 电厂中应用：射汽抽气器中。,Ma1,超声速流动,dA0,截面扩张；,SCH,06 气体和蒸汽的流动,22,喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系,SCH,06 气体和蒸汽的流动,23
11、,喷管的设计计算：,根据给定条件（气流初参数、流量及背d压），选择喷管的外形及确定几何尺寸。,喷管的校核计算：,已知喷管的形状和尺寸及不同的工作条件，确定出口流速和通过喷管的流量。,6-3 喷管的计算,计算类型： 按计算目的有：设计计算和校核计算两种。,计算公式？ 如下,SCH,06 气体和蒸汽的流动,24,6-3 喷管的计算,一、流速计算： 根据绝热流动的能量转换关系式，对喷管有：,通常喷管进口流速和出口流速相比很小，取c10， 出口流速为：,适用于任何工质的可逆、不可逆过程,二、流量计算： 根据稳定流动连续性方程，可取任意截面来计算，通常取最小截面或出口的参数来计算。,设计计算时,校核计算
12、时,SCH,06 气体和蒸汽的流动,25,三、喷管的设计计算-喷管的选择,工程中，大都是亚音速汽流的加速来讲，有： 1）当pb= pcr时，选用渐缩形喷管；最大只能获得音速汽流。不能获得超音速汽流。 2）当pb pcr时，选用缩放形喷管。能将亚音速加速到超音速。 3）但如果对超音速气流加速只能选渐扩形喷管。,选择原则：保证完全膨胀 选择喷管的方法：根据背压pb与临界压力pcr的相对大小来选择。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,26,四、喷管的校核计算（渐缩形喷管）,已知喷管的形状，测量出,计算,关键是确定出口截面上的压力,步骤,）判断出口截面的压力,若,若,）计算流速,）计算流量,计算背压比,
13、SCH,06 气体和蒸汽的流动,27,例题分析,例6-1：压力为2MPa，温度为490的过热水蒸气流经渐缩喷管，可逆绝热膨胀进入背压为0.1MPa的空间，求该喷管出口截面上的压力和流速。 解：对过热水蒸气，cr =0.546 则pcrcr p1=0.5462=1.092 MPa 由于pb=0.1MPapcr，故蒸汽在喷管中不能完全膨胀，出口截面压力为p2= pcr =1.092MPa 根据p1、t1和p2在h-s图上查得 h1=3445kJ/kg， h2=3240 kJ/kg 则喷管出口流速为,SCH,06 气体和蒸汽的流动,28,三、喷管内有摩擦的绝热流动,由于存在摩擦，实际流动是不可逆过程
14、，过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。,焓的增加量等于动能的减小量,由能量方程式得：,s,SCH,06 气体和蒸汽的流动,29,水蒸气的不可逆绝热流动,h,s,2,1,s2,s1,h1h2,p1,p2,h1h2,x=1,定熵流动,实际流动,能量损失,SCH,06 气体和蒸汽的流动,30,速度系数：,能量损失系数：,喷管的性能秤评价：,大致在0.92至0.98之间,SCH,06 气体和蒸汽的流动,31,6-4 绝热节流,一、绝热节流的概念 流体流经阀门、孔板等设备时，由于局部阻力，使流体压力下降，称为节流现象。如果节流过程是绝热的，则为绝热节流，简称节流。,SCH,06 气体和蒸汽
15、的流动,32,二、节流过程的一般分析,1、过程的基本特性 气流在孔口前截面收缩，p、c，孔口后气流截面达到最小，然后又逐渐增大， p、c ，最后达到稳定。 由于孔口附近的扰动及涡流，造成不可逆损失，因此气流恢复稳定时，p2比节流前稳定气流的压力p1要低。 但c基本不变.,绝热节流前后焓值相等，这是其基本特性。但绝热节流不是等焓过程。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,33,2、水蒸汽的绝热节流,由于q=0、z=0 、ws=0 、 c=0；则有：,p0 , h=0 , s0 , 一般情况t0 。,绝热节流前后压力降越大，气体的熵增就越大。,过热蒸汽节流后，虽然温度降低了，但过热度却增加了（1-2）
16、； 节流可使： 湿蒸汽3干蒸汽4过热蒸汽5,SCH,06 气体和蒸汽的流动,34,3、绝热节流后蒸汽作功能力的变化,虽然蒸汽绝热节流后，焓不变，1kg蒸汽的总能量的数量没变，但其作功能力降低了。,节流前汽轮机按1-2进行： wt=h1-h2 节流后汽轮机按1-2进行： wt=h1-h2 可见：由于h2h2, wtwt 即水蒸汽绝热节流后作功能力降低了。,SCH,06 气体和蒸汽的流动,35,三、绝热节流在电厂中的应用,(1）利用节流降低工质的压力 利用调节阀的开度来调节气体的压力 (2）利用节流测定蒸汽流量 利用流体经节流装置(孔板等)后压力下降的原理可测得流体的流量,如孔板流量计。 (3）利用节流减少汽轮机汽封漏汽 汽轮机的轴封系
