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1、关于气体和蒸汽的流动和压缩第1页，讲稿共39张，创作于星期二绝热流动的基本方程绝热流动的基本方程一一 概念概念稳态稳态稳流稳流(稳定流动稳定流动)状态不随时间变化状态不随时间变化恒定的流量恒定的流量二二 几个基本方程几个基本方程连续性方程连续性方程绝热稳定流动绝热稳定流动能量方程能量方程定熵过程方定熵过程方程程第2页，讲稿共39张，创作于星期二(1)(1)连续性方程连续性方程 由由稳态稳流稳态稳流特点特点,各截面质量流量相等各截面质量流量相等适用于适用于任何任何工质工质可逆可逆和和不可逆不可逆过程过程第3页，讲稿共39张，创作于星期二连续性方程的说明连续性方程的说明对于不可压流体（对于不可压流
2、体（dv=0），如液体等，流体），如液体等，流体速度的改变取决于截面的改变，截面积速度的改变取决于截面的改变，截面积A与与流速流速cf成反比；成反比；对于气体等可压流，流速的变化取决于截对于气体等可压流，流速的变化取决于截面和比体积的综合变化。面和比体积的综合变化。第4页，讲稿共39张，创作于星期二(2)(2)绝热稳定流动能量方程绝热稳定流动能量方程 微分形式微分形式第5页，讲稿共39张，创作于星期二绝热稳定流动能量方程说明绝热稳定流动能量方程说明 1.任何工质，可逆和不可逆过程均成立任何工质，可逆和不可逆过程均成立2.气体动能的增加等于气流的焓降气体动能的增加等于气流的焓降3.任一截面上工质
3、的焓与其动能之和保持定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：值，把两者之和定义为一个参数：总焓总焓或或滞滞止焓止焓h0第6页，讲稿共39张，创作于星期二(3)定熵过程方程式定熵过程方程式在稳定流动过程中，若：在稳定流动过程中，若：任一截面上的参数不随时间而变化任一截面上的参数不随时间而变化与外界没有热量交换与外界没有热量交换流经相邻两截面时各参数是连续变化流经相邻两截面时各参数是连续变化不计摩擦和扰动不计摩擦和扰动则过程是可逆绝热过程。任意两截面上气体的状态参数可用则过程是可逆绝热过程。任意两截面上气体的状态参数可用可逆绝热过程方程式描述，对理想气体（定比热容）有：
4、可逆绝热过程方程式描述，对理想气体（定比热容）有：微分上式，得：微分上式，得：第7页，讲稿共39张，创作于星期二定熵过程方程式说明定熵过程方程式说明(2)用于水蒸气，用于水蒸气，值为一纯经验数值，且是一个变数值为一纯经验数值，且是一个变数:过热蒸汽过热蒸汽：=1.30干饱和蒸汽干饱和蒸汽：=1.135湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽：=1.035+0.1x(1)用于比热容为定值或平均值的理想气体时用于比热容为定值或平均值的理想气体时第8页，讲稿共39张，创作于星期二三三 音速与马赫数音速与马赫数微小微小扰动在流体中的扰动在流体中的传播速度传播速度压力波的传播过程可作压力波的传播过程可作定熵定熵过程处理原因
5、过程处理原因(1)(1)音速音速定义音速：定义音速：理气定熵理气定熵只随只随绝对温度绝对温度而变而变1.1.声波导致的气体声波导致的气体微弱压缩微弱压缩发生迅速：近似发生迅速：近似绝热。绝热。2.2.微弱压缩微弱压缩内部的摩擦可以忽略：近似内部的摩擦可以忽略：近似可逆。可逆。第9页，讲稿共39张，创作于星期二音速的说明音速的说明都反映的是气体的都反映的是气体的可压缩性可压缩性气体的可压缩性越强，则声音在其中的传播速度越小气体的可压缩性越强，则声音在其中的传播速度越小空气中空气中的传播速度：的传播速度：343.2m/s海水中海水中的传播速度：的传播速度：1531m/s钢铁中钢铁中的传播速度：的传
6、播速度：5200m/s第10页，讲稿共39张，创作于星期二(2)(2)马赫数马赫数流速流速当地音速当地音速 定义式定义式Ma1 超音速超音速Ma=1 临界音速临界音速Ma1 亚音速亚音速312三种音速三种音速“当地音速当地音速”:是指是指所研究的截面上所研究的截面上的音速的音速“嫦娥嫦娥”一号绕月飞行马赫数？一号绕月飞行马赫数？第11页，讲稿共39张，创作于星期二促使流速改变的条件促使流速改变的条件喷喷 管：管：压力降低、流速升高的管道；压力降低、流速升高的管道；扩压管：流速降低、压力升高的管道。扩压管：流速降低、压力升高的管道。由流体力学的观点可知，要使工质的流速改变，可通过以由流体力学的观
7、点可知，要使工质的流速改变，可通过以下两种方法达到：下两种方法达到：1）截面积不变，改变进出口的压差）截面积不变，改变进出口的压差-力学条件力学条件2）固定压差，改变进出口截面面积）固定压差，改变进出口截面面积-几何条件几何条件第12页，讲稿共39张，创作于星期二1.力学条件力学条件联立联立能量方程式能量方程式和和热力学第一定律热力学第一定律表达式：表达式：可得：可得：第13页，讲稿共39张，创作于星期二上上式式微分形式：微分形式：表明表明dcf、dp的符号始终相反的符号始终相反，即：气，即：气体在流动过程中流速增加，则压力下降；体在流动过程中流速增加，则压力下降；如压力升高，则流速必降低如压
8、力升高，则流速必降低。第14页，讲稿共39张，创作于星期二 Ma1时，时，dv/v1时，时，dv/vdcf/cf2.几何条件几何条件该式揭示了定熵流动中气体该式揭示了定熵流动中气体比体积变化率比体积变化率和和流速变化率流速变化率之间的关系：之间的关系：第15页，讲稿共39张，创作于星期二流速变化时，气流截面积的变化规律不但与流速变化时，气流截面积的变化规律不但与流流速的变化速的变化有关，还与有关，还与当地马赫数当地马赫数有关。有关。2.几何条件几何条件第16页，讲稿共39张，创作于星期二Ma1,亚声速流动亚声速流动,dA0,截面扩张；截面扩张；对于对于喷管喷管（dcf 0，dp 0)情形，截情
9、形，截面形状与流速间的关系：面形状与流速间的关系：第17页，讲稿共39张，创作于星期二缩放喷管（拉伐尔喷管）缩放喷管（拉伐尔喷管）缩放喷管可实现气流从亚声速变为超声缩放喷管可实现气流从亚声速变为超声速，在喷管最小截面（喉部截面或临界速，在喷管最小截面（喉部截面或临界截面）处截面）处Ma=1，在临界截面处的参数称，在临界截面处的参数称为临界参数（以下标为临界参数（以下标cr表示），如：表示），如：第18页，讲稿共39张，创作于星期二喷喷管管内内参参数数变变化化示示意意图图流速流速cf比体积比体积v压力压力p声速声速ccrcr喉部喉部第19页，讲稿共39张，创作于星期二Ma1,超声速流动超声速流动
10、,dA0,截面扩张；截面扩张；对于对于扩压管扩压管（dcf 0，dv 0)情形：情形：喷管和扩压管是从功能上定义，不能从外形判断喷管和扩压管是从功能上定义，不能从外形判断第20页，讲稿共39张，创作于星期二气体的滞止状态气体的滞止状态绝热流动的能量方程滞止过程与绝热气体被压缩一样滞止过程与绝热气体被压缩一样,气体的压力和温气体的压力和温度也随着升高。定熵滞止过程度也随着升高。定熵滞止过程,最后可以得到最高最后可以得到最高的压力和温度的压力和温度,这个压力和温度称作这个压力和温度称作滞止压力滞止压力和和滞止滞止温度温度。具有一定速度的气流，在绝热定熵条件下被阻具有一定速度的气流，在绝热定熵条件下
11、被阻滞，滞，气流速度为零气流速度为零的状态称为的状态称为滞止状态滞止状态。第21页，讲稿共39张，创作于星期二理想气体定熵滞止参数理想气体定熵滞止参数若比热容为定值：若比热容为定值：静焓静焓+动焓动焓静温静温+动温动温第22页，讲稿共39张，创作于星期二思考：思考：1.航天器、飞机迎风面的温度？航天器、飞机迎风面的温度？2.温度测量应注意什么？温度测量应注意什么？第23页，讲稿共39张，创作于星期二气体的临界状态气体的临界状态气流速度气流速度等于等于当地声速当地声速时的状态为时的状态为临界状态临界状态。理想气体定比热容式理想气体定比热容式+绝热流动能量方程式绝热流动能量方程式a0称为称为滞止声
12、速滞止声速第24页，讲稿共39张，创作于星期二表明气体在绝热流动中，速度和声速的变化方向刚好表明气体在绝热流动中，速度和声速的变化方向刚好相反。速度增加，声速将减小。当达到滞止状态，声相反。速度增加，声速将减小。当达到滞止状态，声速达到最大值（滞止声速）速达到最大值（滞止声速）总能总能 =热能热能（声速）（声速）+动能动能（流速）（流速）此消彼涨此消彼涨的关系表明只有一个截面上二者相等，的关系表明只有一个截面上二者相等，此即此即临界截面临界截面。临界截面对应的参数就是。临界截面对应的参数就是临界临界参数参数。气体的临界状态气体的临界状态第25页，讲稿共39张，创作于星期二临界温度比临界温度比临
13、界状态下临界状态下Ma=1称为称为临界温度比。临界温度比。临界参数临界参数与与总参数总参数之比之比第26页，讲稿共39张，创作于星期二临界压力比临界压力比 临界比容比临界比容比临界温度比临界温度比由绝热定熵过程方程，由绝热定熵过程方程，临界比容比临界比容比临界参数比常用临界参数比常用于判定气体是否于判定气体是否达到临界状态达到临界状态第27页，讲稿共39张，创作于星期二设计计算：设计计算：据给定条件（气流初参数、流量及背压）选择喷据给定条件（气流初参数、流量及背压）选择喷管的外形及确定几何尺寸。管的外形及确定几何尺寸。校核计算：校核计算：已知喷管的形状和尺寸及不同的工作条件，已知喷管的形状和尺
14、寸及不同的工作条件，确定出口流速和通过喷管的流量。确定出口流速和通过喷管的流量。喷管的热力计算喷管的热力计算第28页，讲稿共39张，创作于星期二喷管流速计算及其分析喷管流速计算及其分析任意截面流速：任意截面流速：出口截面流速：出口截面流速：不计不计cf1，则：，则：注意单位注意单位第29页，讲稿共39张，创作于星期二对于定比热容理想气体对于定比热容理想气体第30页，讲稿共39张，创作于星期二状态参数对流速的影响状态参数对流速的影响初态一定，出口速度只与出口截面压力有关初态一定，出口速度只与出口截面压力有关第31页，讲稿共39张，创作于星期二当当p20时，出口速度达最大，即：时，出口速度达最大，
15、即：此速度实际上是达不到的，因为压力趋于零时此速度实际上是达不到的，因为压力趋于零时比体积趋于无穷大，出口截面无穷大。比体积趋于无穷大，出口截面无穷大。第32页，讲稿共39张，创作于星期二临界速度临界速度临界速度仅与气体的性质和入口状态有关临界速度仅与气体的性质和入口状态有关第33页，讲稿共39张，创作于星期二流量计算及分析流量计算及分析收缩喷管：收缩喷管：由连续方程，喷管各截面的质量流量相等。通由连续方程，喷管各截面的质量流量相等。通常按最小截面（收缩喷管的常按最小截面（收缩喷管的出口截面出口截面、缩放喷、缩放喷管的管的喉部截面喉部截面）计算流量）计算流量缩放喷管：缩放喷管：第34页，讲稿共
16、39张，创作于星期二代入速度公式：代入速度公式：流量仅是流量仅是压力比压力比的函数的函数令令由由第35页，讲稿共39张，创作于星期二b-0段没有意义，为什么？段没有意义，为什么？q0cba1.0渐缩喷管流量渐缩喷管流量第36页，讲稿共39张，创作于星期二出口截面的压力可降低至临界压力以下，出口截面的压力可降低至临界压力以下，因此可进一步降压增速至超音速，但由连续因此可进一步降压增速至超音速，但由连续性方程，流量仍可按下式计算：性方程，流量仍可按下式计算：缩放喷管流量缩放喷管流量第37页，讲稿共39张，创作于星期二讨论讨论1.1.某管道是喷管还是扩压管不取决于某管道是喷管还是扩压管不取决于 ，而
17、取决于，而取决于 ：A A 流体速度变化，形状；流体速度变化，形状；B B 流体压力变化，形状；流体压力变化，形状；C C 流体速度与压力变化，形状；流体速度与压力变化，形状；D D 管道形状，流体速度与压力变化管道形状，流体速度与压力变化2.2.为使入口为亚音速的蒸汽增速，应采用为使入口为亚音速的蒸汽增速，应采用 型喷管：型喷管：A A 渐扩或缩放；渐扩或缩放；B B 渐扩或渐缩；渐扩或渐缩；C C 渐缩或缩放；渐缩或缩放；D D 渐缩或直管渐缩或直管3.3.渐缩喷管入口参数不变，则出口截面压力与喷管背压渐缩喷管入口参数不变，则出口截面压力与喷管背压 ：A A 有关；有关；B B 关系不大；关系不大；C C 有一定关系；有一定关系；D D 完全无关完全无关思考题：思考题：P.263 7-1 7-2 7-3 7-4 7-8P.263 7-1 7-2 7-3 7-4 7-8作业作业 p264:7-1 7-4 p264:7-1 7-4 第38页，讲稿共39张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第39页，讲稿共39张，创作于星期二