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1、气体和蒸汽的流动1本讲稿第一页，共四十一页 工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管特别是喷管(nozzle,jet)、扩压管、扩压管(diffuser)及节流阀及节流阀(throttle valve)内流动过程的能量转换情况。内流动过程的能量转换情况。2 2本讲稿第二页，共四十一页71 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式一、简化一、简化稳定稳定绝热绝热一维一维可逆可逆参数取平均值参数取平均值3 3本讲稿第三页，共四十一页 二、稳定流动基本方程二、稳定流动基本方程 1.质量守恒方程（连续性方程）质量守恒方程（连续性方程）(contin
2、uity equation)p1T1qm1cf1p2T2qm2cf24 4本讲稿第四页，共四十一页2.过程方程式过程方程式注意，若水蒸气，则注意，若水蒸气，则3.稳定流动能量方程稳定流动能量方程(steady-flow energy equation)忽略忽略5 5本讲稿第五页，共四十一页绝热滞止绝热滞止(stagnation)：绝热流动：绝热流动过程中，因受到物体阻碍，流速降过程中，因受到物体阻碍，流速降低为零的过程，称为低为零的过程，称为。理想气体，定比热容：理想气体，定比热容：变比热容：变比热容：6 6本讲稿第六页，共四十一页水蒸气水蒸气：其他状态参数其他状态参数注意：高速飞行体需注意滞
3、止后果，如飞机在注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在20 的高空以的高空以 Ma=2飞行，其飞行，其t0=182.6。4.声速方程声速方程等熵过程中等熵过程中所以所以理想气体理想气体7 7本讲稿第七页，共四十一页注意：注意：1）声速是状态参数，因此称当地声速。声速是状态参数，因此称当地声速。如空气，如空气，2）水蒸气当地声速水蒸气当地声速3）马赫数马赫数(Mach number)（subsonic velocity）（supersonic velocity）（sonic velocity）亚声速亚声速声速声速超声速超声速8 8本讲稿第八页，共四十一页72 促使流速改变的条件促使流速改变的条
4、件一、力学条件一、力学条件流动绝热不做功，能量方程：流动绝热不做功，能量方程：力学条件力学条件热力学第一定律：热力学第一定律：因而因而微分形式微分形式9 9本讲稿第九页，共四十一页讨论讨论：喷管喷管扩压管扩压管2）是压降，是焓是压降，是焓（即技术功）转换成机械能。（即技术功）转换成机械能。的能量来源的能量来源1）异号异号1010本讲稿第十页，共四十一页二、几何条件二、几何条件力学条件力学条件过程方程过程方程连续性方程连续性方程几何条件几何条件1111本讲稿第十一页，共四十一页讨论讨论：1）cf与与A的关系还与的关系还与Ma有关，有关，渐缩喷管渐缩喷管（convergent nozzle）连续性
5、方程连续性方程1212本讲稿第十二页，共四十一页 截面上截面上Ma=1、cf=c，称，称临界截面临界截面(minimum cross-sectional area)也称也称喉喉部部(throat)截面截面，临界截面上速度达当地音速临界截面上速度达当地音速(velocity of sound)称称临界压力临界压力(critical pressure)、临界温度临界温度及及临界比体积。临界比体积。渐扩喷管渐扩喷管dA01313本讲稿第十三页，共四十一页2）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：a）收缩喷管收缩喷管(convergent nozzle)出
6、口截面上流速出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上出口截面上音速音速）b）以低于当地音速流入渐扩喷管以低于当地音速流入渐扩喷管(divergent nozzle)不可能使气流可逆不可能使气流可逆加速加速。c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩渐缩渐扩喷管喷管(convergent-divergent nozzle)拉伐尔拉伐尔(Laval nozzle)喷管喷管。Ma11414本讲稿第十四页，共四十一页3）背压背压(back pressure)pb是指喷管是指喷管出口截面外工作环境的压力出口截面外工作环境的压力。正确设计的喷管其出口截面上压
7、力正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于背压等于背压pb，但非设计，但非设计工况下工况下p2未必等于未必等于 pb。4）对扩压管）对扩压管(diffuser)，目的是，目的是 p上升，通过上升，通过cf下降使动下降使动 能转变成压力势能，情况与喷管相反。能转变成压力势能，情况与喷管相反。1515本讲稿第十五页，共四十一页归纳归纳：1）压差压差是使气流加速的基本条件，是使气流加速的基本条件，几何形状几何形状是使流动可逆必不是使流动可逆必不可少的条件；可少的条件；5）背压）背压pb未必等于未必等于p2。2）气流的）气流的焓焓Exergy差差（即技术功）为气流加速提供能量；（即技术功）为气流加速提供
8、能量；3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速1616本讲稿第十六页，共四十一页73 喷管的计算喷管的计算一、流速计算及分析一、流速计算及分析1.计算式计算式注意：注意：a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质；b）式中）式中h，J/kg，cf，m/s，但一般资料提供，但一般资料提供h，kJ/kg。2.初态参数对流速的影响初态参数对流速的影响：为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体
9、。为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。1717本讲稿第十七页，共四十一页分析：分析：1818本讲稿第十八页，共四十一页cf，max不可能达到不可能达到摩擦存在摩擦存在从从1下降到下降到0的过程中某点的过程中某点1919本讲稿第十九页，共四十一页为临界点为临界点，此点上压力，此点上压力pcr与与p0之比称为之比称为临界压力比，临界压力比，cr(critical pressure ratio;throat-to-stagnation of pressure)临界截面上：临界截面上：2020本讲稿第二十页，共四十一页讨论：讨论：1）理想气体理想气体水蒸气水蒸气随工质而变随工质
10、而变理想气体定比热双原子理想气体定比热双原子过热水蒸气过热水蒸气湿蒸汽湿蒸汽2121本讲稿第二十一页，共四十一页3）几何条件几何条件约束，临界截面只可能约束，临界截面只可能发生在发生在dA=0处，考虑到工程实际处，考虑到工程实际收缩喷管收缩喷管出口截面出口截面缩放喷管缩放喷管喉部截面喉部截面2）4）2222本讲稿第二十二页，共四十一页3.背压背压pb对流速的影响对流速的影响 a.收缩喷管收缩喷管 b.缩放喷管缩放喷管不属本课程范围不属本课程范围2323本讲稿第二十三页，共四十一页二、流量计算及分析二、流量计算及分析1.计算式计算式通常通常收缩喷管收缩喷管出口截面出口截面缩放喷管缩放喷管喉部截面
11、喉部截面出口截面出口截面2424本讲稿第二十四页，共四十一页2.初参数对流量的影响初参数对流量的影响分析：分析：a）2525本讲稿第二十五页，共四十一页确定确定2626本讲稿第二十六页，共四十一页 b）结合几何条件和质量守恒方程：结合几何条件和质量守恒方程：图中图中收缩喷管收缩喷管缩放喷管缩放喷管且喷管初参数及且喷管初参数及p2确定后，确定后，喷管各截面上喷管各截面上qm相同，并相同，并不随截面改变而改变。不随截面改变而改变。2727本讲稿第二十七页，共四十一页三、喷管设计三、喷管设计据据p1，v1，T1背压背压 pb功率功率喷管形状喷管形状几何尺寸几何尺寸首先确定首先确定pcr与与pb关系，
12、然后选取恰当的形状关系，然后选取恰当的形状初参数初参数1.外形选择外形选择2828本讲稿第二十八页，共四十一页2929本讲稿第二十九页，共四十一页2.几何尺寸计算几何尺寸计算A1往往已由其他因素确定往往已由其他因素确定太长太长摩阻大摩阻大过大，产生涡流过大，产生涡流(eddy)太短太短l3030本讲稿第三十页，共四十一页 四、工作条件变化时喷管内流动过程简析四、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。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.收缩喷管收缩喷管背压背压pb出口截面压力出口截面压力p2运行工况运行工况3
13、131本讲稿第三十一页，共四十一页2.缩放喷管缩放喷管1）若）若pb pb过度膨胀过度膨胀(over expansion)，产生激波产生激波(shock wave)3232本讲稿第三十二页，共四十一页74 有摩擦的绝热流动有摩擦的绝热流动一、摩阻对流速的影响一、摩阻对流速的影响定义：喷管速度系数定义：喷管速度系数(velocity coefficient of nozzle)一般在0.920.983333本讲稿第三十三页，共四十一页二、摩阻对能量的影响二、摩阻对能量的影响定义：能量损失系数定义：能量损失系数喷管效率喷管效率3434本讲稿第三十四页，共四十一页三、摩阻对流量的影响三、摩阻对流量的
14、影响若若p2、A2不变不变据据3535本讲稿第三十五页，共四十一页75 绝热节流绝热节流一、绝热节流一、绝热节流(adiabatic throttling)定义：由于局部阻力，使流体定义：由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。压力降低的现象。节流现象特点：节流现象特点：1)p2s1,I=T0sg 3)h1=h2，但节流过程并非，但节流过程并非 等焓过程；等焓过程；4)T2可能大于等于或小于可能大于等于或小于T1 理想气体理想气体T2=T1。3636本讲稿第三十六页，共四十一页二、节流后的温度变化二、节流后的温度变化 1.焦耳焦耳-汤姆逊系数（汤姆逊系数（Joule-Thomson coeffi
15、cient）据据令令焦耳焦耳-汤姆逊系数（也称节流微分效应）汤姆逊系数（也称节流微分效应）3737本讲稿第三十七页，共四十一页如理想气体如理想气体降温降温升温升温不变不变3838本讲稿第三十八页，共四十一页2.转回温度转回温度(inversion temperature)节流后温度不变节流后温度不变的状态的温度，用的状态的温度，用Ti表示。表示。把气体的状态方程代入把气体的状态方程代入J表达式即可求表达式即可求得不同压力下的转回温度曲线，转回曲得不同压力下的转回温度曲线，转回曲线线(inversion curve)。例如例如 理想气体转回温度为一直线；理想气体转回温度为一直线；实际气体，如用范
16、氏方程实际气体，如用范氏方程代入代入J可得可得或或3939本讲稿第三十九页，共四十一页若令若令p=0，得，得 3.节流的积分效应节流的积分效应 节流时状态在致冷区则节流时状态在致冷区则T下降，下降，节流时状态在致热区则节流时状态在致热区则T上升或下降取决于上升或下降取决于p的大小的大小 当气体温度当气体温度TTi,max或或TT1常温常压下节流常温常压下节流T下降下降冷效应区冷效应区J0热效应区热效应区J04040本讲稿第四十页，共四十一页三、水蒸气节流过程三、水蒸气节流过程1）节流后温度稍有下降）节流后温度稍有下降2）但少作功但少作功四、节流现象的工程应用四、节流现象的工程应用气体液化气体液化发动机功率调节发动机功率调节孔板流量计，干度计孔板流量计，干度计 利用利用J，结合实验，建立实际气体微分方程，结合实验，建立实际气体微分方程热网中蒸汽降压热网中蒸汽降压4141本讲稿第四十一页，共四十一页