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1、多媒体教学课件 华北电力大学 能源与动力工程学院,工程热力学,2,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的计算,3,气体和蒸汽的流动,工程中有许多流动问题需考虑工质的宏观动能和位能，特别是喷管、扩压管及节流阀内流动过程的能量转换情况。,风洞,4,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的计算,5,一维稳定流动的基本方程式的使用条件,一维
2、 稳定 可逆 绝热,6,一维稳定流动的基本方程式,1,1,2,2,p1 v1 T1 qm1 c1,p2 v2 T2 qm2 c2,7,质量守恒方程（连续性方程）,质量守恒方程（连续性方程） 微分形式 适用于任何工质的可逆与不可逆稳定流动,8,能量方程 微分形式 适合于任何工质的可逆与不可逆稳定流动,能量方程,9,过程方程,过程方程 微分形式 注意，若水蒸气，则,10,声速方程,声速方程 理想气体等熵过程中 因此,理想气体声速为,11,马赫数,注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速,如空气，,2）水蒸气当地声速,3）,声速与马赫数,亚声速,声速,超声速,12,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻
3、力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的计算,13,1）力学条件,因为流动可逆绝热，所以,且能量方程,故,力学条件,14,1）力学条件,讨论,当气体在管道内流动时，dc和dp的符号总是相反的。 如果气体压力降低（dp0）：喷管工作原理 如果气体流速降低（dc0）：扩压管工作原理,15,2）几何条件,力学条件,过程方程,连续性方程,几何条件,16,2）几何条件,对于喷管（dc0） ： 1)欲使亚声速气流（M 1）进一步提高流速，需选用渐扩喷管（dA 0）； 3）欲使气流在喷管中由亚声速连续地增加到超
4、声速，其截面变化应该是先收缩而后扩张，这样的喷管称为缩放喷管或拉伐尔喷管。,讨论,17,喷管形状,渐缩喷管 渐扩喷管 缩放喷管,18,临界截面,截面上M = 1，c = a，称临界截面，或称喉部截面，临界截面上速度达当地声速a。 临界截面处的气体参数称为临界参数，如临界压力pcr，临界比体积vcr，临界温度Tcr,19,对于扩压管（dc0）： 请同学们自行分析。,2）几何条件,讨论,20,促进流动改变的条件,归纳： 1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是 使流动必不可少的外在条件； 2）气流的焓差（即技术功）为气流加速提供了 能量； 3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地声 速； 4）拉
5、伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流 速达当地声速；,21,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的计算,22,可见，绝热滞止焓等于绝热流动中任一位置气体的焓和流动动能的总和，因此也称总焓。,绝热滞止,定义：气流掠过物体表面时，由于摩擦、撞击等使气体相对于物体的速度降低为零的现象称为滞止现象。,滞止发生时气体的温度及压力都要升高，致使物体的温度及受力状况受到影响。,忽略滞止过程中的散热，则可认为过程为绝热滞止过程。绝热滞止状态下气体的状态参数称为绝热滞止参数或简称
6、为滞止参数。,23,绝热滞止温度,绝热滞止时气体的温度称为绝热滞止温度，用T0表示，当比热容为定值时，由焓和温度的关系，可得,例如，如飞机在20的高空以M=2飞行，其滞止温度为t0=182.6 。航天飞机返回大气层时M更大。,可见， T0 。因而，当设计在高速运动的装置时和测量高速气流的温度时，必须考虑气体的滞止温度的影响。,24,水蒸气的滞止参数,直接利用h-s图求得：,25,理想气体的滞止参数,滞止温度,滞止压力,26,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的
7、计算,27,喷管的计算,喷管的计算一般包括： 出口流速c2的计算； 质量流量qm的计算； 出口压力p2的计算； 喷管尺寸的计算。,28,背压的概念,背压是指喷管出口截面外工作环境的压力 ，用pB表示。 正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于 背压pB，但非设计工况下p2未必等于 pB。,29,临界压力比的概念,M=1的截面积称为临界截面，该截面处的压力为临界压力pcr 绝热滞止状态下气体的压力称为绝热滞止压力p0 临界压力与滞止压力之比称为临界压力比,30,临界压力比的计算,根据,可得,31,临界压力比的数值,双原子理想气体：k=1.4 三原子理想气体：k=1.3 过热水蒸气： k=1.3 干
8、饱和水蒸气： k=1.135 对于理想气体， 对于水蒸气， ，纯粹的经验数据,32,喷管出口流速c2,对理想气体,初参数确定时，c2取决于p2/p0,33,渐缩喷管出口压力p2,34,喷管质量流量qm,计算式,通常,渐缩喷管出口截面,缩放喷管,喉部截面,出口截面,其中,35,喷管质量流量qm,36,喷管质量流量qm,分析：,37,喷管的形状选择和尺寸计算,据,初参数 p1，v1，T1,背压 pB,喷管形状 几何尺寸,38,喷管的形状选择,在喷管设计计算时，通常已知工质的初态参数（p1 、t1 和c1 ）和背压（喷管出口外的介质压力）pB 。此时，临界压力比提供了选择喷管外形的依据。 欲使气流在
9、喷管内实现完全膨胀，即喷管出口截面压力p2 等于背压pB ，管形应选择如下：,时，选择渐缩喷管,时，选择缩放喷管,39,喷管的几何尺寸计算,A1往往已由其他因素确定,太长摩阻大 太短,过大，产生涡流,缩放喷管渐扩段的锥角限制为10-12,40,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的计算,41,有摩擦阻力的绝热流动,实际流动中，工质内部会有扰动，工质与壁面之间又存在着摩擦，摩擦使一部分动能重新转化为热能而被工质吸收，这就造成不可逆的熵增。 不可逆的程度与喷管类型、
10、尺寸、制造精度及工质的种类有关。,42,有摩擦阻力的绝热流动,1-2s：可逆绝热流动,1-2：有摩擦阻力的绝热流动,43,摩擦阻力对能量的影响,和 为实际有摩阻时喷管出口处的焓和流速。,喷管的速度系数,大型机组喷管的速度系数一般在0.920.98之间。,喷管的能量损失系数,能量损失系数表示由于摩阻引起的动能减少。,44,9-6 绝热节流,9-5 有摩擦阻力的绝热流动,第9章 气体和蒸汽的流动,9-1 一维稳定流动的基本方程式,9-2 促进流动改变的条件,9-3 定熵滞止参数,9-4 喷管的计算,45,绝热节流的定义,流体在管道中流动时，有时经过阀门、孔板，在制冷机中制冷剂流过毛细管等，这种由于
11、局部的阻力，使流体的压力降低的现象称为节流。 如果在节流过程中流体与外界没有热交换，则称为绝热节流。,46,绝热节流,1,1,2,2,h1=h2,p1p2,s2s1,特征：,47,绝热节流系数,又称为焦耳-汤姆逊系数，或简称焦-汤系数 绝热节流系数是一个物性系数。在绝热节流过程中，压力肯定降低，即dp0）时，则J0，表示冷效应；当节流后流体温度不变（dT=0）时，则J=0，表示零效应。,48,焦耳-汤姆逊绝热节流试验装置,49,绝热节流系数,对理想气体,50,回转温度和回转曲线,回转温度节流后温度不变的状态的温度 把气体的状态方程代入J表达式即可求得不同压力下的回转温度曲线，或回转曲线。,51,水蒸气的绝热节流,1-1：水蒸气的绝热节流,节流前所作技术功,节流后所作技术功,作功能力损失,52,课后思考题,什么是滞止参数？在给定的定熵流动中，各截面上的滞止参数是否相同？ 促使流动改变的有力学条件和几何条件之分。两个条件之间的关系怎样？哪个是决定性因素？不满足几何条件会发生什么问题？ 为什么渐缩喷管中气体的流速不可能超过当地声速？ 声速取定于哪些因素？,
