工程热力学课件第七章

1、第七章第七章 气体和蒸汽的流动气体和蒸汽的流动Gas and Steam Flow管内流动过程在工程上的应用管内流动过程在工程上的应用 火力发电火力发电蒸汽轮机静叶蒸汽轮机静叶核电核电喷管喷管飞机发动机飞机发动机轮船发动机轮船发动机移动电站移动电站 压气机静叶压气机静叶扩压管扩压管制冷制冷空调空调膨胀阀、毛细管膨胀阀、毛细管管道阀门管道阀门工程中，常要处理气体和蒸汽在管路设备内的流动过程；工程中，常要处理气体和蒸汽在管路设备内的流动过程；火力发电装置火力发电装置锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝凝汽汽器器过热器过热器燃气轮机装置燃气轮机装置活塞活塞压气机压气机燃气轮机燃气轮机 在汽

2、轮机和燃气轮机中，在汽轮机和燃气轮机中，热能和机械热能和机械能的转换能的转换实际上是在实际上是在喷管喷管中实现的，中实现的，在在喷管中工质的热能转化为机械能喷管中工质的热能转化为机械能，然后，然后推动转子上的叶片，通过轴向外输出；推动转子上的叶片，通过轴向外输出； 在叶轮式压气机中，外界输入的功量使工在叶轮式压气机中，外界输入的功量使工质得到动能，然后质得到动能，然后在扩压管中工质的动能转在扩压管中工质的动能转化为热能使气体的压力升高化为热能使气体的压力升高；本章主要研究气体在喷管的流动过程本章主要研究气体在喷管的流动过程喷管与扩压管喷管与扩压管节流阀节流阀喷管作用：喷管作用：压力降低，速度提

3、高压力降低，速度提高扩压管作用：扩压管作用：速度降低，压力升高速度降低，压力升高主要解决问题：主要解决问题：1. 解决气体和蒸汽在流动过程中参数变化解决气体和蒸汽在流动过程中参数变化 （包括（包括P、T、cf等）与流道（主要是等）与流道（主要是喷管喷管）截）截 面积的关系；面积的关系；2. 流动过程中气体能量传递和转化问题；流动过程中气体能量传递和转化问题；3. 绝热节流过程；绝热节流过程；7 71 1 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式一、一、实际流动问题的简化实际流动问题的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 二、稳定流动基本方程二、稳定流动基本方程1 f12

4、 f21212mmAcAcqqvvffdddcvAvAcp1T1qm1cf1p2T2qm2cf2fmAcqv1. 质量守恒方程（连续性方程）质量守恒方程（连续性方程） 注：连续性方程说明了流经管道的气流速度、比容与喷注：连续性方程说明了流经管道的气流速度、比容与喷管横截面积之间的关系。管横截面积之间的关系。 适用于作稳定流动的任何工质，任何过程；适用于作稳定流动的任何工质，任何过程；2.过程方程过程方程pvvpvp2211注意，若为水蒸气，则注意，若为水蒸气，则122111vTvTccVp且3.稳定流动能量方程稳定流动能量方程2f12sqhcg zw dd0pvpv00sg zqw忽略2221

5、f12f2f1122hchchcffdd0h c c注：适用于作稳定绝热流动的任何工质，可逆或不可逆过程；注：适用于作稳定绝热流动的任何工质，可逆或不可逆过程；注：适用于理想气体定比热容的可逆绝热过程；注：适用于理想气体定比热容的可逆绝热过程；绝热滞止绝热滞止理想气体理想气体： 定比热容定比热容2f1012pcTTc11010TTpp定义：定义： 气体在绝热流动中遇到障碍物时，由于粘性力的气体在绝热流动中遇到障碍物时，由于粘性力的作用，在物体表面处气体速度会降至零，这一过程作用，在物体表面处气体速度会降至零，这一过程称为绝热滞止。称为绝热滞止。 滞止参数计算：滞止参数计算：0h0h0T0p2f

6、021chh滞止焓滞止焓绝热过程方程式绝热过程方程式 动能转化为焓而使气流动能转化为焓而使气流产生的温升产生的温升 工程上设计大气中作高速工程上设计大气中作高速运动的飞行体时，都必须运动的飞行体时，都必须考虑考虑气流滞止后果气流滞止后果。 例如：飞机在例如：飞机在20 的的高空以高空以 Ma = 2飞行，飞行，其其t0= 182.6 。绝热滞止等价于绝热压缩绝热滞止等价于绝热压缩4.声速方程声速方程ssvpvpc2TRg理想气体等熵过程理想气体等熵过程dd0pvpvsppvv 所以所以pvc拉普拉斯声速方程拉普拉斯声速方程：压力波的传播过程近似为定熵过程压力波的传播过程近似为定熵过程说明：说明

7、：声速不是常数，与气体的性质和状态有关；声速是声速不是常数，与气体的性质和状态有关；声速是状态状态参数参数；因此有；因此有“当地声速当地声速”概念。概念。 例如空气，例如空气，0 C: 331.2m/sc o20 C: 343m/sc o 马赫数定义：马赫数定义：fcMac1Ma 亚声速亚声速1Ma 声速声速1Ma 超声速超声速气体流速气体流速当地声速当地声速72 促使流速改变的条促使流速改变的条件件力学条件力学条件研究气体在喷管中流动的主要目的：研究气体在喷管中流动的主要目的：将将热能热能转化为转化为动能动能，因此促进，因此促进流速增加流速增加是研究重点是研究重点如何促使如何促使流速增加？流

8、速增加？1.要有动力要有动力;2.要创造条件要创造条件充分利用动力充分利用动力;几何条件几何条件流道形状要能配合流动过程需要流道形状要能配合流动过程需要使流动过程不产生能量损失使流动过程不产生能量损失一、促使流速改变的一、促使流速改变的力学条件力学条件ffddcpcp流动可逆绝热流动可逆绝热能量方程能量方程ffddhc c ffddv pcc力学条件力学条件ddqhv p2fffddcpv pcpc 2fffddccpppvc2ff2fddccppcc 2ffddcpMapcdhvdp讨论讨论：200Ma2ffddcpMapcffddcpcp异号异号要使气体流速增加要使气体流速增加,气体压力必

9、下降气体压力必下降; 气体通过喷管要想得到加速气体通过喷管要想得到加速,必须创造喷管中必须创造喷管中气流压力不断下将气流压力不断下将的力学条件的力学条件;因为因为二、促使流速改变的二、促使流速改变的几何条件几何条件ffddcAcA力学条件力学条件过程方程过程方程2ffddcpMapcddpvpv2ffddcvMacv连续性方程连续性方程ffdddcAvAcv2ffdd1cAMacA几何条件几何条件建立喷管的截面积变化与速度变化之间的关系即建立喷管的截面积变化与速度变化之间的关系即:讨论讨论：上式表明上式表明:dA 与与dcf的之间关系还与的之间关系还与Ma有关有关;ff)1 ddaMacAcA

10、亚声速流动与异号，即2ffdd1cAMacA即即:要使气流加速要使气流加速,喷管的截面积必须不断缩小喷管的截面积必须不断缩小; 用用渐缩喷管渐缩喷管ff)1dd,bMacAcA超声速流动与同号即即:要使气流加速要使气流加速,喷管的截面积必须不断扩大喷管的截面积必须不断扩大; 用用渐扩喷管渐扩喷管)1 d0cMaA声速流动渐缩喷管渐缩喷管渐扩喷管渐扩喷管要使气流要使气流从亚声速从亚声速加速到超加速到超声速声速?应采用先缩后放的应采用先缩后放的缩放喷管缩放喷管即即:拉伐尔喷管拉伐尔喷管2ffddcvMacvWhy? dA 与与dcf之间有上述关系之间有上述关系连续性方程连续性方程ffdddcAvA

11、vcdd,ffdcvAcvA都对产生影响且有且有:fd0,dd0vcA0, fd0,dd0cvA0, 喷管中气流压力下降将同时导致喷管中气流压力下降将同时导致fd0,dcv 0喷管的截面究竟如何变化取决于喷管的截面究竟如何变化取决于ffdd,cvcv因为因为:ffdd1,cvMacvffdd1,cvMacvffddd0cAvAvcffddd0cAvAvcfcr crgcrccp vR TcrcrcrpTv称称临界压力临界压力、临界温度临界温度及及临界比体积。临界比体积。临界截面临界截面 缩放喷管缩放喷管(拉伐尔喷管拉伐尔喷管)的最小截面称为的最小截面称为喉部截面喉部截面,它是气流从亚声速向超声

12、速的转折点它是气流从亚声速向超声速的转折点,该面上的流速该面上的流速恰好等于当地声速恰好等于当地声速;通常把该截面又称为通常把该截面又称为临界截面临界截面.临界状态参数：临界状态参数：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是使流动可逆必不可少的条件；不可少的条件；fcrcrcrgcrcp vR T2）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；3）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 对扩压管对扩压管(diffuser)，目

13、的是，目的是 p上升，通过上升，通过cf下降使下降使动能转变成压力势能，情况与喷管相反。动能转变成压力势能，情况与喷管相反。喷管计算分喷管计算分设计计算设计计算和和校核计算校核计算两种两种.73 喷管计算喷管计算设计计算设计计算:已知条件为喷管入口条件已知条件为喷管入口条件如如: 和背压和背压Pb以及质流量以及质流量11p v，确定确定喷管形状和尺寸喷管形状和尺寸校核计算校核计算已知喷管形状和尺寸已知喷管形状和尺寸确定确定不同工作条件下不同工作条件下,通过喷管的通过喷管的质流量质流量及及喷管的出口速度喷管的出口速度喷管出口喷管出口的环境压的环境压力力喷管设计计算喷管设计计算一、流速计算及分析一

14、、流速计算及分析1.流速计算式流速计算式2f01f122chhhhc要确定喷管采尺寸要确定喷管采尺寸判断工质流动速度判断工质流动速度所处的区域所处的区域要确定流速要确定流速2201f12f21122hhchc“绝热焓降绝热焓降”或可用焓差或可用焓差2212ffccf2122chh022pcTT普适普适: 绝热、不作功、任绝热、不作功、任意工质意工质理想气体、定比热容理想气体、定比热容分析：分析：f1002000111,cfp vppp vpvT而取决于 ， ， ，所以g20221fRcTT10 0220211fp vpcpgpRc11g00TppvR TTpf2112111f 22021,cf

15、p v pppvcpppp。所以对于确定的气体（ 确定），确定的初参数（ ， 确定），取决于或。2. 流速与状态参数关系：流速与状态参数关系：2022fpccTT2020)/1ap ppp即cf，max不可能达到不可能达到摩擦摩擦2220Avpf200pc 20f2f,max)/0,bp pcc时f,max0 0g 02211cp vR T定义定义: pcr与与p0之比称之比称为为临界压力比，用临界压力比，用cr表示表示讨论：讨论：1cr21理想气体理想气体水蒸气水蒸气/pVcc/pVcc crf随工质而变随工质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cr0

16、.528cr0.546cr0.5773. 临界流速与临界压力比临界流速与临界压力比10 0f0211crcrp vpcp临界流速临界流速fcrcrcrgcrccp vR T又因为又因为:1f,cr0 0cr21 ()1cp v11f,cr0 022111cp vf,cr0 0g02211cp vR T临界压力比的意义在于：临界压力比的意义在于： 可方便判断气体流速由可方便判断气体流速由亚音速向超音速的转折点亚音速向超音速的转折点二、流量计算及分析二、流量计算及分析1. 计算式计算式ffmAcqAcv即即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 由于喷管的流量通常受其最

17、小截面制约，故常按由于喷管的流量通常受其最小截面制约，故常按最小截面来计算流量；最小截面来计算流量；流量计算流量计算2 f 22mA cqv12f 20 01211pcp vp2002ppvv21022200021mpppqAvpp20020, , ,/mqf Ap v pp分析分析20mpqp随的变化关系自学自学211, ,Ap v20/1pp cr20/1pp20cr/pp20cr/pp20/mqfpp20020, ,/mqfAp vpp确定确定21022200021mpppqAvppf 20,0mcq20f 2/,mppcq2crf 222,max,mmppccqqf 222,max,m

18、mccqq自学自学 利用初参数、质流量、背压利用初参数、质流量、背压pb及临界压力比及临界压力比如何确定喷管形状如何确定喷管形状？选缩放喷管选缩放喷管选收缩喷管选收缩喷管crbpp2bppf 22cc21Ma crbpp2crbpppp喉crf 22f,211ccccMaMa喉喉11100,pvTp v由 ， ， 确定0crcrpp由及确定喷管几何尺寸计算喷管几何尺寸计算A1往往已由其他因素确定往往已由其他因素确定22f 2mq vAcfmcrcrq vAc喉22min2tgddl太长太长摩阻大摩阻大fd/ dcl过大，产生涡流过大，产生涡流(eddy)太短太短对对收缩喷管收缩喷管需确定出口截面需确定出口截面A2：对对缩放喷管缩放喷管需确定出口截面需确定出口截面A2，喉部截面喉部截面A喉 及扩展长度75 绝热节流绝热节流一、绝热节流一、绝热节流定义：由于局部阻力，使流定义：由于局部阻力，使流体压力降低的现象，称为节体压力降低的现象，称为节流。若与外界没有热量交换流。若与外界没有热量交换则称为绝热节流；则称为绝热节流；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