1,第七章 气体与蒸汽的流动,Gas and Steam Flow,,,7-1 稳定流动的基本方程式,7-2 促使流速改变的条件,7-3 喷管的计算,7-5 有摩阻的绝热流动,7-6 绝热节流,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,本章内容,1 研究气体流动过程中,2 研究影响气体在管内流的,气流速度变化,能量转换,状态参数变化,的规律,,,系统的外部条件,管道截面积的变化,,,4,工程中有许多流动问题需考虑宏观动能， 特别是喷管(nozzle, jet)、扩压管(diffuser)及节流阀 (throttle valve)内流动过程的能量转换情况5,71 稳定流动的基本方程式,O、简化,稳定：流体在流经空间任何一点时，其全部参数都不随时间而变化,,,,,,,绝热：流体流过管道的时间很短，与外界换热很小，可视为绝热,一维：取同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值,可逆：不计管道摩擦等,,参数取平均值,,,,,可逆绝热流动的基本方程,概念,稳态稳流(稳定流动),状态不随时间变化,恒定的流量,几个基本方程,连续性方程 (质量方程),绝热稳定流动能量方程,定熵过程方程,,,,,,,,7,一、连续性（质量守恒）方程 (continuity equation),,,,,p1 T1 qm1 cf1,p2 T2 qm2 cf2,,,,,稳定流动中，任一截面的所有参数均不随时间而变，故流经一定截面的质量流量应为定值，不随时间而变 。
适用于任何工质,可逆和不可逆过程,1）流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与流速增加率之差； 2）对于不可压缩流体（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cf成反比； 3）对于气体等可压缩流体，流速的变化取决于截面和比体积的综合变化讨论：,任何稳流过程,9,二、稳定流动能量方程(steady-flow energy equation),绝热滞止(stagnation),1）气体动能的增加等于气流的焓降; 2）任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，把两者之和定义为一个参数：总焓或滞止焓h0,10,理想气体：,定比热容,变比热容（P116 throat-to-stagnation of pressure),,31,讨论： 1）,,理想气体,水蒸气,随工质而变,,理想气体定比热双原子k=1.4,过热水蒸气k=1.3,干饱和蒸汽k=1.135,,,,,,2）,32,3）几何条件,约束，临界截面只可能,发生在dA= 0处，考虑到工程实际,,收缩喷管出口截面,缩放喷管喉部截面,另：,与上式是否矛盾？,,,4）,,,,,h0=ccr2/2+hcr,cpT0=kRgTcr/2+cpTcr,2T0=(k+1) Tcr,33,3.背压pb对流速的影响,a.收缩喷管,b.缩放喷管,不属本课程范围,,,,,34,二、流量计算及分析,1. 计算式,通常,,收缩喷管出口截面,缩放喷管,,喉部截面,出口截面,,,,,35,2. 初参数对流量的影响,,分析： a）,,,,,36,,,确定,,,,,,,,,,37,b）结合几何条件和质量守恒方程：,图中,,,,收缩喷管,缩放喷管,且喷管初参数及p2确定后，喷管各截面上qm相同，并不随截面改变而改变。
38,三、喷管外形选择和尺寸计算,据,,p1，v1，T1,背压 pb,功率,,喷管形状 几何尺寸,首先确定pcr与pb关系，然后选取恰当的形状,初参数,1. 外形选择,,,,,渐缩喷管,,缩放喷管,,39,,,,,40,2. 几何尺寸计算,A1往往已由其他因素确定,太长摩阻大,过大，产生涡流(eddy),太短,,,,,: 10 12,四、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,计算压比,,,42,四、工作条件变化时喷管内流动过程简析 喷管在非设计工况下运行，尤其是背压变化较大最终是造成动能损失1.收缩喷管,背压pb 出口截面压力p2,,,,,运行工况,,,,,43,2. 缩放喷管,1）若pb
已知氢气Rg=4.12 kJ/(kgK)，cp=14.32 kJ/(kgK）,解：,A4511661,1）首先确定p2,,,45,？,,=822 m/s,,,,,46,确定p2，由于pb= 0.1 MPa < pcr,,2）,,,返回,47,空气进入喷管时流速为300 m/s，压力为0.5 MPa，温度450 K，喷管背压pb=0.28 MPa，求：喷管的形状，最小截面及出口流速已知：空气cp= 1 004 J/(kgK)，Rg= 287 J/(kgK),解：,滞止过程绝热,A451266,由于cf1=300 m/s，所以应采用滞止参数,,,48,所以采用缩放喷管,注意：若不考虑 cf1，则 pcr= cr p1= 0.5280.5 MPa= 0.264 MPa< pb 应采用收缩喷管，p2=pb=0.28 MPa,,,,,49,或,,,返回,50,滞止压力为0.65 MPa，滞止温度为350 K的空气，可逆绝热流经一收缩喷管，在喷管截面积为2.610-3 m2处，气流马赫数为0.6若喷管背压为0.30 MPa，试求喷管出口截面积A2解：,A451377,在截面A处：,,,51,,,,,52,出口截面：,据喷管各截面质量流量相等，即,,,返回,53,75 有摩阻的绝热流动,一、摩阻对流速的影响,,定义：喷管速度系数(velocity coefficient of nozzle),一般在0.920.98,,,,,,54,二、摩阻对能量的影响,,定义：能量损失系数,喷管效率,,注意：,？,,,,,焓的增加量等于动能的减小量,,由能量方程式得：,由于存在摩擦，实际流动是不可逆过程，过程中存在耗散，部分动能转化成热能，并被气流吸收。
气体在喷管内的可逆与不可逆绝热过程的区别,,,,,,,,1,2,,,,,,T0,,T1,T,s1,s2,p1,p2,,,,,,,,,,,,1,2,,h2,h1,h,s1,s2,p1,p2,,s,s,,,,作功能力损失,,,,,,,,,,,,,h,s,2,1,,,s2,s1,h1h2,p1,p2,,,h1h2,,,,x=1,水蒸气的不可逆绝热流动,,,定熵流动,,实际流动,,动能损失,,58,三、摩阻对流量的影响,若p2、A2不变,据,,,,,59,解：,某种气体Rg= 0.318 3 kJ/(kgK)，cp=1.159 kJ/(kgK)以800 ，以0.6 MPa及100 m/s的参数流入一绝热收缩喷管，若喷管背压pb = 0.2 MPa，速度系数 = 0.92，喷管出口截面积为2 400 mm2，求：喷管流量及摩擦引起的作功能力损失T0=300K）,A4512871,,,60,若可逆：,,,,,61,过程不可逆：,,,,,62,绝热熵流为零，熵产等于熵变,,,,,火用损,63,,,返回,附：利用火用方程校核 流入火用-流出火用-火用损=系统火用增,因稳流，火用增 Ex,H = 0 ，所以,火用损=流入火用-流出火用,64,76 绝热节流,一、绝热节流(adiabatic throttling),定义：由于局部阻力，使流体压力降低的现象。
节流现象特点： 1) p2s1, I=T0sg； 3) h1=h2，但节流过程并非 等焓过程； 4) T2可能、=或
求：1）蒸汽出口流速； 2）每公斤蒸汽动能损失；3）每公斤蒸汽的作功能力损失,解：,查图,A452177,设 1为节流前截面； 2为喷管进口截面； 3为喷管出口截面75,节流前后焓不变，由,若在喷管内等熵膨胀，则从点2作垂线交p=600 kPa线于3s,,,查图表,,,,,76,据p3和h3 ，由h-s图,,,,,77,因为绝热，稳流，所以系统（蒸汽） 进出口截面上熵变即为熵产78,1）本题中节流作功能力损失（ ） 远大于不可逆绝热流动损失（ ） 注意：,2）喷管中不可逆流动损失动能20.199kJ，而蒸汽在喷管中 不可逆作功能力损失仅6.09kJ，其原因为损失之动能使蒸汽 焓值增大，从而损失之动能并非作功能力损失返回,79,思考题7-8： 如图渐缩喷管，设p1=1.0MPa, pb= 0.1MPa假如沿截面2-2切去一段，将产生哪些后果？出口截面上的压力，流速和流量将起什么变化？,若为缩放喷管呢？,从下列几点出发考虑： 渐缩喷管流动特征 渐缩喷管出口截面压力 与背压关系 质量流量与截面积关系,参照渐缩喷管，但注意 喉部截面的特征,返回,。