第九章气体和蒸汽的流动

1、第九章第九章 气体和蒸汽的流气体和蒸汽的流动动zgcwwst221工质流动所具有的宏观动能在工程上占有非常重要工质流动所具有的宏观动能在工程上占有非常重要的地位。的地位。如航空喷气发动机、火箭发动机就是利用喷管产生如航空喷气发动机、火箭发动机就是利用喷管产生的强大动能推动飞机和火箭运动的，的强大动能推动飞机和火箭运动的，叶轮式压气机中，外界输入的功先使工质的动能提叶轮式压气机中，外界输入的功先使工质的动能提高，然后再依靠扩压管的作用把动能转化成压力。高，然后再依靠扩压管的作用把动能转化成压力。本章研究以速度为主要状态参数的喷管和扩压管的本章研究以速度为主要状态参数的喷管和扩压管的能量转换规律。

2、能量转换规律。本章主要内容本章主要内容1、研究气体流动基本方程、研究气体流动基本方程2、 研究气体在管内流动的研究气体在管内流动的基本特性基本特性气流速度变化气流速度变化能量转换能量转换状态参数变化状态参数变化的规律的规律能量守恒方程能量守恒方程过程方程过程方程质量守恒方程质量守恒方程3 、 喷管设计计算喷管设计计算喷管选型、临界压力、喷管选型、临界压力、临界流速、出口流速、临界流速、出口流速、质量流量等质量流量等9.1 一维绝热稳定流动的基本方程一维绝热稳定流动的基本方程1 1、稳态稳流概念、稳态稳流概念2 2、几个基本方程、几个基本方程(1) 连续性方程连续性方程(2) 绝热稳定流动能量方

3、程绝热稳定流动能量方程 022cddh0vdvkpdpacM (3) 定熵过程方程式定熵过程方程式3、音速与马赫数、音速与马赫数(1) (1) 音速音速(2) 马赫数马赫数 = const= const kpv常数22222211chch理想气体定理想气体定熵流动：熵流动：9.2 定熵流动的基本特性定熵流动的基本特性1、气体流速变化与状态参数间的关系、气体流速变化与状态参数间的关系vdpcdc9.3 喷管中流速及流量计算喷管中流速及流量计算 1 1、定熵滞止参数、定熵滞止参数2 2、喷管的出口流速、喷管的出口流速 3、临界压力比及临界流速、临界压力比及临界流速4 4、流量与临界流量、流量与临界

4、流量5 5、喷管的设计计算、喷管的设计计算1 1、稳态稳流概念、稳态稳流概念稳态稳流稳态稳流( (稳定流动稳定流动) )2 2、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能量绝热稳定流动能量方程方程定熵过程方程定熵过程方程9.1 一维绝热流动的基本方程一维绝热流动的基本方程状态不随时状态不随时间变化间变化恒定的流量恒定的流量(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0,00)()(02vdvfdfcdccfvcfdvvcdfvfdcvdvfcfcvdvfcdvfcddm得方程两边同除以即：此式表明的物理意义：此式表明的物理意义：连续性方程：适用于：适用于：任何工质

5、的可逆与不可逆的一任何工质的可逆与不可逆的一一维稳定流动过程。一维稳定流动过程。(2) 绝热稳定流动能量方程绝热稳定流动能量方程 swzzgcchhq)(2)(12212212022cddh)(2212122hhcc适用于：适用于：任何任何工质工质的的可逆可逆和和不可逆绝热稳定流动不可逆绝热稳定流动过程。过程。2221212222ccchhh=常数表明：表明：工质在绝热不作外功的稳定流动中，任一截面上工质的工质在绝热不作外功的稳定流动中，任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，气体动能的增加等于气流的焓降。焓与其动能之和保持定值，气体动能的增加等于气流的焓降。0vdvkpdp可逆绝热过程方程式

6、可逆绝热过程方程式适用条件适用条件: :u理想气体理想气体u定比热定比热u可逆可逆微分微分变比热变比热时时k k取取过程范围内的平均值过程范围内的平均值得：两边同除以kkkpvdvpkvdpv01(3) 定熵过程方程式定熵过程方程式音速音速是微弱扰动在连续介质中所产生的压力波是微弱扰动在连续介质中所产生的压力波传播的速度。传播的速度。在气体介质中，压力波的传播过程可作在气体介质中，压力波的传播过程可作定熵定熵过程处理过程处理(1)(1) 音速音速0vdvkpdp拉普拉斯音速方程为拉普拉斯音速方程为: :定熵过程定熵过程适用于：适用于：理想气体定熵流动理想气体定熵流动只随只随绝对温度绝对温度而变

7、而变3、 音速与马赫数音速与马赫数(2) 马赫数马赫数acM 气体流速气体流速当地音速当地音速 定义式定义式M1 超音速超音速M=1 临界音速临界音速M0dp0导致dc 0导致喷管中的喷管中的流动特性流动特性扩压管中扩压管中的流动特性的流动特性1、气体流速变化与状态参数间的关系、气体流速变化与状态参数间的关系dhcd229.2 定熵流动的基本特性定熵流动的基本特性小结小结)(vdpdhq绝热稳定流动绝热稳定流动能量方程：能量方程：可见气体在管道内作定熵流动时：可见气体在管道内作定熵流动时：vdvcdcM2连续性方程：亚音速流动时：亚音速流动时：超音速流动时：超音速流动时：渐扩喷管渐扩喷管先然后

8、增大到则：则：渐缩渐扩喷管，渐缩渐扩喷管，喉部，临界截面喉部，临界截面2 2 1、设计：根据已给的流动条件，设计：根据已给的流动条件，(初态和终压初态和终压)。 求求出口流速和流量出口流速和流量并选择喷管的并选择喷管的外形尺寸。外形尺寸。喷管的计算喷管的计算 2、校核：根据喷管的、校核：根据喷管的外形尺寸外形尺寸， 求工况变求工况变 化时的化时的流量和流速流量和流速。这一节的主要目的：这一节的主要目的： 根据稳定流动的基本方程来确定它们的计算公式根据稳定流动的基本方程来确定它们的计算公式及使用条件。及使用条件。9.3 喷管中流速及流量计算喷管中流速及流量计算 1 1、定熵滞止过程及、定熵滞止过

9、程及定熵滞止定熵滞止参数、参数、 （1 1）定义：）定义： （2 2）参数表达式）参数表达式下角标为下角标为0的是定熵滞止参数的是定熵滞止参数下角标为下角标为1的是进口参数的是进口参数气体在定熵流动过程中，因受到某种物体气体在定熵流动过程中，因受到某种物体的阻碍流速降低为零的过程。的阻碍流速降低为零的过程。2221212222ccchhh=常数滞止状态是工程上常见的一种真实状态。例如：当滞止状态是工程上常见的一种真实状态。例如：当气体绕流钝体表面时，在钝体迎风面上正对气流的气体绕流钝体表面时，在钝体迎风面上正对气流的点上，气流速度将阻滞为零。这点称为点上，气流速度将阻滞为零。这点称为“滞止点滞

10、止点”或或“驻点驻点”。在大气飞行器的头部、机翼的迎风面上就属于这种情况。在大气飞行器的头部、机翼的迎风面上就属于这种情况。特别是特别是当航天飞行器返回大气时，由于当航天飞行器返回大气时，由于Ma数很高，其数很高，其迎风面上将承受很高的温度，能达到数千乃至上万摄迎风面上将承受很高的温度，能达到数千乃至上万摄氏度的高温。所以要使航天飞行器成功返回地面，必氏度的高温。所以要使航天飞行器成功返回地面，必须进行热防护。须进行热防护。不必不必作精确计算时，作精确计算时，2 2、喷管的出口流速、喷管的出口流速 )(202121hhcc 时当2121202)(2)(2chhhhc 适用稳流，绝热、一切工质、

11、可逆与不可逆过程。适用稳流，绝热、一切工质、可逆与不可逆过程。理想气体理想气体 水蒸汽：查水蒸汽：查h-sh-s图确定图确定12,h h21272.44hhc3、临界压力比及临界流速、临界压力比及临界流速 cccvkpa 理想气体的定熵流动，在亚音速到超音速的转变过程理想气体的定熵流动，在亚音速到超音速的转变过程中，在渐缩渐扩喷管的喉部中，在渐缩渐扩喷管的喉部M=1,喉部压力为临界压力喉部压力为临界压力pc,kkccppvpkkc1111112渐缩渐扩喷管的喉部压力为临界压力，渐缩渐扩喷管的喉部压力为临界压力，故其故其临界流速临界流速为为：（9-16）3、临界压力比及临界流速、临界压力比及临界

12、流速 cccaM1cccvkpa kkccppvpkkc11111123、临界压力比及临界流速、临界压力比及临界流速 亦可：亦可：3、临界压力比及临界流速、临界压力比及临界流速（适用于理想气体（适用于理想气体定熵流动）定熵流动）对于定比热容理想气体的定熵过程：对于定比热容理想气体的定熵过程：kkppTT112123、临界压力比及临界流速、临界压力比及临界流速故在临界截面处：故在临界截面处：1111111212TkkTppTTkkkkkkcc4 4、流量与临界流量、流量与临界流量kkvpvp2211一般通过计算一般通过计算最小截面最小截面或或出口截面出口截面的质量流量的质量流量由由连续性方程连续

13、性方程知，各个截面的质量流量相等知，各个截面的质量流量相等（1）渐缩喷管的质量流量计算）渐缩喷管的质量流量计算12 c2注意注意 的取值的取值2pcbpp bpp 2cbpp cpp 2背压背压：喷管出口处的环境压力。：喷管出口处的环境压力。12气流在喷管内可气流在喷管内可以充分膨胀。以充分膨胀。Pc到到pb的过程在喷管外进行。的过程在喷管外进行。，和，和背压背压有关。有关。（2）渐缩渐扩喷管的流量计算）渐缩渐扩喷管的流量计算)/()12(1211122maxskgvpkkkfmk11)12(kkckpp正常工作时正常工作时5 5、喷管的设计计算、喷管的设计计算,cbpp ,cbpp 已知设计

14、计算：mbpp 2出发点：出发点：喷管形式选择喷管形式选择渐缩喷管渐缩喷管渐缩渐扩喷管渐缩渐扩喷管喷管尺寸计算喷管尺寸计算222cvmf渐缩渐扩喷管的最小截面积（喉部）为渐缩渐扩喷管的最小截面积（喉部）为cccvmfmin根据经验，渐扩段长度根据经验，渐扩段长度l为为:)(tan2min2mddl扩部分的顶锥角圆台形渐缩渐扩喷管渐6、 9.4 扩压管扩压管定熵流动的定熵流动的基本关系式基本关系式和和管道截面变化规律管道截面变化规律的的关系式相同关系式相同扩压管是在已知扩压管是在已知进口参进口参数数进口速度进口速度和和出口速度出口速度的情况下计算的情况下计算出口压力出口压力扩压管与喷管的扩压管与

15、喷管的区别区别与与联系联系注注:动能损失得越多压力增加得越多动能损失得越多压力增加得越多扩压管的扩压比概念扩压管的扩压比概念定义式定义式12pp22222211cTccTcpp122211221TcccTTp11222111212)21 ()(kkpkkTcccTTpp进口压力出口压力由能量由能量方程得方程得则定熵过程则定熵过程 9.5 具有摩擦的流动具有摩擦的流动 22cc定义式定义式实际出口速度实际出口速度定熵过程出口速度定熵过程出口速度大致在大致在0.940.94至至0.980.98之间之间速度系数速度系数喷管效率喷管效率消耗一部分动能消耗一部分动能一般在一般在0.9至至0.95之间之间

16、喷管和扩压管的应用：喷管和扩压管的应用：蒸气引射器（p176页图9-9）。 引射式压缩器是以较少的高压蒸汽，引射低压蒸汽，引射式压缩器是以较少的高压蒸汽，引射低压蒸汽，混合而得较多的中压蒸汽以供应用。其有点是机构简单，混合而得较多的中压蒸汽以供应用。其有点是机构简单，没有运动部件，虽然其效率不佳，但仍有实用价值，在没有运动部件，虽然其效率不佳，但仍有实用价值，在制冷装置、凝汽器的抽气设备、小型锅炉中的给水设备制冷装置、凝汽器的抽气设备、小型锅炉中的给水设备等中均有应用。等中均有应用。 图图9-9所示为一引射式压缩器的结构简图。压力为所示为一引射式压缩器的结构简图。压力为p1的高压蒸汽经过喷管流

17、入，在喷管中膨胀加速，动能的高压蒸汽经过喷管流入，在喷管中膨胀加速，动能增加，压力降低。在喷管出口，当压力降低到被引射流增加，压力降低。在喷管出口，当压力降低到被引射流体压力体压力p2之下时，将被引射流体引入混合室进行混合，之下时，将被引射流体引入混合室进行混合，以某一平均流速流向扩压管，降速而增压至以某一平均流速流向扩压管，降速而增压至p3流出。流出。u定义：气体在管道中流过突然缩小的截面，定义：气体在管道中流过突然缩小的截面， 而又而又未及与外界进行热量交换的过程未及与外界进行热量交换的过程u特点：绝热节流过程特点：绝热节流过程前后前后的焓相等，但的焓相等，但整个整个过程过程绝不是等焓过程

18、。绝不是等焓过程。 流体在通过缩孔时流体在通过缩孔时动能动能增加增加，压力压力下降下降并产生强并产生强烈烈扰动和摩擦。扰动和摩擦。扰动和摩擦的扰动和摩擦的不可逆性不可逆性，导致整个，导致整个过程的不可逆性。过程的不可逆性。在缩孔附近，流速 ，焓u不可逆性：不可逆性： 9.6 绝热节流绝热节流u绝热节流前后参数的变化绝热节流前后参数的变化(1) 对理想气体对理想气体温度温度不变不变压力压力下降下降比容比容增加增加熵熵增加增加焓焓不变不变注注:理想气体的理想气体的焓焓是是温度温度的的单值函数单值函数(2) 对实际气体对实际气体节流前后节流前后焓焓不变不变,温度温度不一定不变不一定不变绝热节流温度效应绝热节流温度效应温度效应与流体的种类，节流前所处的状态及节流前后温度效应与流体的种类，节流前所处的状态及节流前后压力降低的大小有关。绝热节流温度效应可用绝热节流系数压力降低的大小有关。绝热节流温度效应可用绝热节流系数热热效应效应零零效应效应冷冷效应效应温度温度降低降低温度温度不变不变温度温度升高升高j表示。hjpT)(定