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1、工程热力学第7章第1页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动7-1 7-1 稳定流动的基本方程稳定流动的基本方程一、连续性方程一、连续性方程 主要研究理想气体稳定可逆绝热流动，然后通过主要研究理想气体稳定可逆绝热流动，然后通过修正应用到水蒸气和不可逆流动修正应用到水蒸气和不可逆流动 12x1x2第2页，共50页，编辑于2022年，星期六二、能量方程二、能量方程根据开口系能量方程根据开口系能量方程 约等于零约等于零等于零等于零微分上式微分上式等于零等于零第七章第七章 气体流动气体流动第3页，共50页，编辑于2022年，星期六所有截面上的焓加动能之和都相等所有截面上的焓
2、加动能之和都相等动能变小，焓将变大；动能为零，焓达最大动能变小，焓将变大；动能为零，焓达最大定义：流体速度为零的截面称为滞止截面；定义：流体速度为零的截面称为滞止截面；此时流体的状态称为滞止状态。相应的参数称为滞止此时流体的状态称为滞止状态。相应的参数称为滞止参数。如滞止压力，参数。如滞止压力，滞止温度，滞止焓。滞止温度，滞止焓。所有截面上的滞止焓均相同理想气体：第七章第七章 气体流动气体流动第4页，共50页，编辑于2022年，星期六如果是可逆绝热滞止，无异于可逆绝热压缩 水蒸气可在焓熵图上求滞止温度和压力。过0点的定线，定温线的压力和温度即为滞止压力和滞止温度。第七章第七章 气体流动气体流动
3、第5页，共50页，编辑于2022年，星期六绝热滞止绝热滞止理想气体理想气体水蒸气水蒸气第七章第七章 气体流动气体流动第6页，共50页，编辑于2022年，星期六三、过程方程三、过程方程四、声速方程四、声速方程1 1、声速、声速第七章第七章 气体流动气体流动第7页，共50页，编辑于2022年，星期六2 2、马赫数、马赫数某截面的流速某截面的流速同一截面的声速同一截面的声速亚音速亚音速音速音速临界截面临界截面超音速超音速声速是状态参数声速是状态参数超声速一定大于亚声速吗？为什么？超声速一定大于亚声速吗？为什么？第七章第七章 气体流动气体流动第8页，共50页，编辑于2022年，星期六7-2 7-2 促
4、使流速改变的条件促使流速改变的条件一、力学条件第七章第七章 气体流动气体流动绝热能量方程绝热能量方程技术功技术功0第9页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动压力下降，速度增加压力下降，速度增加速度下降，压力增加速度下降，压力增加喷 管扩压管第10页，共50页，编辑于2022年，星期六二、几何条件第七章第七章 气体流动气体流动通流截面的面积影响速度通流截面的面积影响速度第11页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动截面变小，速度增加截面变小，速度增加截面变大，速度增加截面变大，速度增加喷管喷管扩压管扩压管只有缩放管只有缩放管才能将亚音才能
5、将亚音速流加速到速流加速到超音速流超音速流第12页，共50页，编辑于2022年，星期六三、外部条件第七章第七章 气体流动气体流动（1 1）渐缩喷管）渐缩喷管1122如果如果则则如果如果则则背压背压渐缩喷管出口压力最低渐缩喷管出口压力最低只能降至临界压力只能降至临界压力工质离开出口后工质离开出口后将要进入的空间将要进入的空间的压力的压力第13页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动（2 2）缩放喷管）缩放喷管1122如果如果则不能用缩放喷管则不能用缩放喷管 如果如果则则背压背压在渐扩段的哪个截面开始达到背压，取决于截面积的大在渐扩段的哪个截面开始达到背压，取决于截面积
6、的大小，往后维持背压不变其管段是无效的。小，往后维持背压不变其管段是无效的。使用使用缩放喷管缩放喷管的目的一定是要将气流从亚音速加速到的目的一定是要将气流从亚音速加速到超音速。那么背压一定是小于临界压力的。超音速。那么背压一定是小于临界压力的。第14页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动（3 3）临界压力）临界压力第15页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动临界压力比临界压力比双原子气体双原子气体k=1.4k=1.4过热蒸汽过热蒸汽干饱和蒸汽干饱和蒸汽经验数据经验数据只与物性有关只与物性有关第16页，共50页，编辑于2022年，星期六
7、例7.1 喷管选型问题第七章第七章 气体流动气体流动临界压力只与工质的物性和滞止状态有关临界压力只与工质的物性和滞止状态有关（1 1）欲使压力为欲使压力为0.5MPa0.5MPa，温度为，温度为600K600K，速度为，速度为100m/s100m/s的空气经喷管尽可能加速后流入压力为的空气经喷管尽可能加速后流入压力为0.1MPa0.1MPa的空间，的空间，试选择喷管形式。试选择喷管形式。解：滞止温度解：滞止温度第17页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动滞止压力滞止压力临界压力临界压力应选用缩放喷管应选用缩放喷管（2 2）欲使滞止参数为压力欲使滞止参数为压力0.5
8、MPa0.5MPa，温度为，温度为600K600K，的空，的空气经喷管加速到气经喷管加速到400m/s400m/s。试选择喷管形式。试选择喷管形式。第18页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动解：临界温度解：临界温度临界速度临界速度应选用渐缩喷管应选用渐缩喷管第19页，共50页，编辑于2022年，星期六 7-3 7-3 喷管计算喷管计算一、流速一、流速第七章第七章 气体流动气体流动普遍适用普遍适用理想气体理想气体可逆过程可逆过程第20页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动二、流量二、流量第21页，共50页，编辑于2022年，星期六三、
9、喷管尺寸第七章第七章 气体流动气体流动（1）渐缩管关键尺寸是出口截面积（2）缩放管关键尺寸是最小截面积、出口截面积、渐扩段长度l第22页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动例例7-2 7-2 由稳定气源流来的压缩空气压力等于由稳定气源流来的压缩空气压力等于0.3MPa0.3MPa，温度等于温度等于500K500K，流量等于，流量等于5kg/s5kg/s。用渐缩喷管加速后。用渐缩喷管加速后流入背压为流入背压为0.1MPa0.1MPa的空间，试计算出口速度和面积。的空间，试计算出口速度和面积。第23页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动决
10、定出口压力第24页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动例例7-3 7-3 水蒸气初速水蒸气初速100m/s100m/s、压力等于、压力等于2MPa2MPa、温度等于、温度等于300C300C，经缩放喷管流入背压为，经缩放喷管流入背压为0.1MPa0.1MPa的空间，喷管最的空间，喷管最小截面积小截面积 ，试计算出口速度、面积和流量。，试计算出口速度、面积和流量。第25页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动第26页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动例例7-4 7-4 空气进入喷管时流速为空气进入喷管时流速
11、为300 m/s，压力为，压力为0.5 MPa，温度，温度450 K，喷管背压，喷管背压pb=0.28 MPa，求：喷管的形状，最小截面积及出口流速。，求：喷管的形状，最小截面积及出口流速。已知：空气已知：空气cp=1 004 J/(kgK)，Rg=287 J/(kgK)解：解：滞止过程绝热滞止过程绝热由于由于cf1=300 m/s，所以应采用滞止参数，所以应采用滞止参数第27页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动所以采用所以采用缩放缩放喷管喷管第28页，共50页，编辑于2022年，星期六或或第七章第七章 气体流动气体流动第29页，共50页，编辑于2022年，星期
12、六例例7-5 7-5 滞止压力为滞止压力为0.65 MPa，滞止温度为，滞止温度为350 K的空气，可逆绝的空气，可逆绝热流经一收缩喷管，在喷管截面积为热流经一收缩喷管，在喷管截面积为2.610-3 m2处，气流马赫数为处，气流马赫数为0.6。若喷管背压为。若喷管背压为0.30 MPa，试求喷管出口截面积，试求喷管出口截面积A2。解：解：在截面在截面A处：处：第七章第七章 气体流动气体流动第30页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动第31页，共50页，编辑于2022年，星期六出口截面：出口截面：据喷管各截面质量流量相等据喷管各截面质量流量相等第七章第七章 气体流动
13、气体流动第32页，共50页，编辑于2022年，星期六例例7-6 7-6 大储气柜内有初温大储气柜内有初温t1=100，压力为，压力为p1=4.90 MPa的的氢气。氢气经渐缩喷管流入背压氢气。氢气经渐缩喷管流入背压pb=3.9MPa的外界，设喷管的外界，设喷管的出口截面积的出口截面积A2=20 mm2，试求：，试求：1）氢气外射的速度及流量；）氢气外射的速度及流量；2）若初始条件不变，喷管不变，）若初始条件不变，喷管不变，氢外射入大气，求外射时的流速及氢外射入大气，求外射时的流速及流量。流量。已知氢气已知氢气Rg=4.12 kJ/(kgK)，cp=14.32 kJ/(kgK）第七章第七章 气体
14、流动气体流动第33页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动解：解：1）首先确定）首先确定p2第34页，共50页，编辑于2022年，星期六确定确定p2，由于，由于pb=0.1 MPa pcr2）第七章第七章 气体流动气体流动第35页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动第七章第一次习题第七章第一次习题习题习题 8-2 8-2、8-38-3、8-58-5、8-7 8-118-7 8-11第36页，共50页，编辑于2022年，星期六7-4 7-4 背压影响简介背压影响简介第七章第七章 气体流动气体流动一、渐缩喷管都不变气流离开出口后，自由膨胀，
15、压力陡降且出现波动第37页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动二、缩放喷管按 设计都不变气流离开出口后，压力陡降且出现波动不变出现激波压力跃升的冲击波激波出现在渐扩的某个截面上，背压越高，离临界面越近。压力升高后，按扩压管工作。第38页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动7-5 7-5 有摩阻的绝热流动有摩阻的绝热流动一、流动分析不可逆绝热12动能损失摩擦动能变成热能加热工质温度升高第39页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动二、影响系数（1）速度系数（2）能量损失系数第40页，共50页，编辑于2022年
16、，星期六第七章第七章 气体流动气体流动 在实际工程问题中，会到的流动都是不可逆流动。根据经验和实验数据，将各种不同摩擦情况下的速度系数编制在相关的设计手册中待查。喷管的速度系数取值范围约是三、有摩阻的计算问题 先当作可逆流动计算出口速度，然后再用速度系数修正得到实际速度，最后推算出口焓、温度、比容和截面积等。第41页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动例7-2 有摩阻的流动问题 某种气体流入绝热渐缩喷管，压力和温度分别为0.6MPa和800C，速度为100m/s。若速度系数等于0.92，流量1.7kg/s，求出口截面积和做功能力损失。环境温度300K第42页，共5
17、0页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动解：先求滞止参数第43页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动再求可逆出口参数修正到实际情况第44页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动第45页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动7-6 7-6 绝热节流绝热节流一、绝热节流的特点1221紧挨节流孔板两侧由于摩擦出现涡流，消耗动能，是典型的不可逆过程。宏观上表现在沿流向压力降低，熵增大。0第46页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动二、绝热节流的工程应用1.制冷工程节流
18、微分效应+冷效应0零效应-热效应节流积分效应节流后温度可能升高、不变、降低。既与节流前工质的状态有关，又与节流深度有关。第47页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动大大容容器器转回曲线定焓线（1）如果初态落在转回区域内，节流后温度一定降低，节流越深，温降越大。第48页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动（2）初态温度大于 或小于 无论怎样节流温度都不会下降。（3）在转回区域外，且 ，微节流导致温度上升，只有节流到一定深度，温度才下降。2.调节功率12少做功量对于燃气轮机，蒸汽轮机，节流后，每kg工质做功量变小。还可以利用节流测量流量、建立状态方程第49页，共50页，编辑于2022年，星期六第七章第七章 气体流动气体流动第七章第七章 气体流动气体流动第七章第二次习题第七章第二次习题1.1.思考题思考题3 32.2.习题习题8-88-8、8-128-12、8-138-13第50页，共50页，编辑于2022年，星期六