第5章__气体与蒸汽流动

1、第五章第五章 气体与蒸汽的流动气体与蒸汽的流动主要研究内容：主要研究内容：气体和蒸汽在流动过程中的能量传气体和蒸汽在流动过程中的能量传递与转换规律。递与转换规律。工程应用举例：工程应用举例：1、喷管、喷管（重点）（重点） 涡轮机械：高温高压气体流经喷管后流速升高，涡轮机械：高温高压气体流经喷管后流速升高，然后进入涡轮机冲击叶轮旋转，输出机械功；然后进入涡轮机冲击叶轮旋转，输出机械功； 喷气式飞行器：利用尾部喷管高速气流的反作用喷气式飞行器：利用尾部喷管高速气流的反作用力推进飞行器；力推进飞行器； 射流设备：消防设备、射流风机等。射流设备：消防设备、射流风机等。2、扩压管、扩压管 叶轮式压气机：

2、涡轮机流出的高速气流经扩压管叶轮式压气机：涡轮机流出的高速气流经扩压管将动能转换为压能。将动能转换为压能。 冲压式喷气推进机：前方扩压管、尾部喷管（气冲压式喷气推进机：前方扩压管、尾部喷管（气流经扩压管进入燃烧室，燃气进入尾部喷管）速度流经扩压管进入燃烧室，燃气进入尾部喷管）速度足够高时不需燃料，但不能自行起飞。足够高时不需燃料，但不能自行起飞。3、绝热节流、绝热节流 制冷装置：节流阀制冷装置：节流阀 管路中的减压阀、调节阀或流道截面突然变化等管路中的减压阀、调节阀或流道截面突然变化等情况。情况。重点研究内容：研究气体在喷管中的流动规律。重点研究内容：研究气体在喷管中的流动规律。两种常用喷管的

3、形状：两种常用喷管的形状：一、一、 连续性方程（对流道中任意截面）连续性方程（对流道中任意截面）简化模型简化模型: 一维、定熵一维、定熵(可逆、绝热可逆、绝热)、稳定流动、稳定流动（1）constvcAqm51 一维稳定流动基本方程一维稳定流动基本方程二、二、(定熵定熵) )过程方程过程方程pvconst微分整理微分整理, 得得:（2）对液体：对液体：dv = 0，其喷管只能是渐缩喷管，其喷管只能是渐缩喷管，c当地音速当地音速注：理想气体注：理想气体为绝热指数（为绝热指数（cp/cV）, 蒸气蒸气为经验值为经验值vdvpdpcdcvdvAdA微分得微分得:三、稳流能量方程三、稳流能量方程简化条

4、件：简化条件：gz = 0；ws0；（；（wt= -h00）将简化条件代入式（将简化条件代入式（3 3）得：）得： q = 0swzgchq221（普遍适用）（普遍适用）（3） 2 1 dphq（可逆）（可逆） （4） twhc221（5） (任意工质和过程任意工质和过程)由（由（5 5）式还可推得在喷管任意截面处，有：）式还可推得在喷管任意截面处，有： 动能的增量动能的增量 = 焓降焓降=技术功技术功constTchhchcp*2221212121h* 为气体绝热滞止时的焓，滞止时的温度和压力用为气体绝热滞止时的焓，滞止时的温度和压力用 T* 和和 p* 表示。表示。T* 和和 p*的计算式

5、见的计算式见 75 式（式（5.24）和（）和（5.25）理想气体实际滞止与定熵滞止温度相同（焓相同），理想气体实际滞止与定熵滞止温度相同（焓相同），但压力小于定熵滞止压力（有熵产）。但压力小于定熵滞止压力（有熵产）。滞止过程（滞止过程（c0、T、p）：）：cT，p, ,式（式（5 5）的微分表达式）的微分表达式为为：由由( (6）得：）得：p c（喷管喷管），反之），反之 p c（扩压管扩压管）)6(22vdpcd（思考：式（思考：式（6）的使用条件）的使用条件）因因 过程为过程为s（能量转换）（能量转换）2cvdpcdc理想气体的音速：理想气体的音速：1. 当地当地音速：音速： 流体处于某

6、一状态下的音速。流体处于某一状态下的音速。四、音速方程四、音速方程TRpvcga 马赫数马赫数 Ma=c /ca气体音速气体音速 ca (a) ：pvca不同截面不同截面(状态状态)ca不同不同.Ma 1：超音速；：超音速；Ma1：音速；：音速；Ma 0，根据截面方程，根据截面方程在在 Ma 1 区间，区间，dA 1 区间（较少），区间（较少），dA 0；扩压管与喷管正好相反。扩压管与喷管正好相反。 在在 Ma1 处，处，dA0，即在，即在 cc ca 处，处，dA0。液体例外：喷管渐缩；扩压管渐扩。液体例外：喷管渐缩；扩压管渐扩。cdcMaAdA) 1(2一、出口流速一、出口流速53 3 喷

7、管中流速及流量的计算喷管中流速及流量的计算（以上公式使用条件：任意工质、任意过程）（以上公式使用条件：任意工质、任意过程）212122)(21hhcc21212)(2chhc通常通常c1 c2，当，当c1 50 m/s 时时, c1可忽略不计可忽略不计, 则则 m/s)(2212hhcc2 与工质性质、进口处的状态参数及压力比有关。与工质性质、进口处的状态参数及压力比有关。 对于水蒸气，可查水蒸气表或图得对于水蒸气，可查水蒸气表或图得 h1、h2。 在定熵条件下，若工质为理想气体，可进一步化为在定熵条件下，若工质为理想气体，可进一步化为2122()pcc TT对于理想气体对于理想气体21212

8、112()121 ()1ggcR TTpR Tp二、二、 临界流速、临界压力比临界流速、临界压力比1. 定义：定义：临界压力比：临界压力比：1crcrpp（当（当 c1 较大时，较大时，*,crcrppp滞止压力。）滞止压力。）或crcr,(当当 c1 50 m/s 时，不能忽略时，不能忽略 c1 的影响，此时的影响，此时前面计算流速公式中前面计算流速公式中用用 h0 代替代替 h1 。 临界流速：临界流速： ccr= ca （当地音速）（当地音速） 由由111111211crcrgcragcrgcrapcR TppcR TR Tpcc1112121crcrcrgppcR T可推得可推得2.

9、临界压力比临界压力比的取值的取值（仅取决于气体的热力性质）（仅取决于气体的热力性质）单原子气：单原子气：1.67，= 0.487双原子气：双原子气：=1.4，= 0.528多原子气：多原子气：=1.3，= 0.546对于蒸汽，对于蒸汽，仅是一经验数据，有仅是一经验数据，有过热蒸气：过热蒸气：=1.3 ，= 0.546 ；干饱和蒸气：干饱和蒸气：=1.135 ，= 0.577 ；湿蒸气：湿蒸气：=1.035 + 0.1x理想气体：理想气体：在喷管设计中，在喷管设计中，是选择喷管外形的重是选择喷管外形的重要依据。要依据。时，选渐缩形喷管；时，选渐缩形喷管；1ppb三、三、 喷管的选型原则喷管的选型

10、原则（气体）（气体）节能：节能：喷管的喷管的设计工况：设计工况：bpp 2设设 c1 ca 时，时，式中式中 pb喷管出口处外界压力（背压）喷管出口处外界压力（背压） p2出口截面上压力。出口截面上压力。时，选缩放形喷管。时，选缩放形喷管。1ppb四、四、 流量流量 的计算的计算对渐缩喷管对渐缩喷管, 将将 c2、v2 (理想气体理想气体)计算式代入得计算式代入得:（缩放喷管）或crcrcrmvcAq （渐缩喷管）222vcAvAcqm 结论：采用渐缩形喷管只能获得亚音速和音速气结论：采用渐缩形喷管只能获得亚音速和音速气流，要想获得超音速气流，必须采用缩放形喷管。流，要想获得超音速气流，必须采

11、用缩放形喷管。kg/s12112212112pppppAqm流量随压比的变化曲线见流量随压比的变化曲线见P.75 图图5-5当当最大流量最大流量以压比为自变量求极值，求得：以压比为自变量求极值，求得：11212pp11122max, 12 12pAqmcrcrmcAq2max,或或分析：分析：对渐缩喷管对渐缩喷管 当当 pbpcr 时时: :上述两种情况上述两种情况, 无论无论 pb 如何降低如何降低, 流速和流量均不再流速和流量均不再变化。变化。当当 pbpcr 时时: max,22,mmacrbqqcccppmax,22,mmacrcrbqqcccpppmax,22,mmacrbcrqqc

12、ccpppcrbpp 当当时时:对缩放喷管对缩放喷管max,2,mmbqqpp质量流量与压比的关系见质量流量与压比的关系见P.75 图图5-5其中右边抛物线实线段是渐缩喷管的流量变化规其中右边抛物线实线段是渐缩喷管的流量变化规律律, 左边水平实线段是缩放喷管的流量左边水平实线段是缩放喷管的流量, 恒等于最恒等于最大流量。大流量。此时，此时，pb 降低降低, 流速和流量均增大。流速和流量均增大。五、蒸气的流动特点（小结）五、蒸气的流动特点（小结）1、过程方程中、过程方程中值不同，值不同，为经验值，不具有为经验值，不具有比热比的含义比热比的含义；2、临界压力比计算公式同理想气体，只需代、临界压力比计算公式同理想气体，只需代入入蒸汽的蒸汽的值即可；值即可； 3、能量方程（计算流速）中、能量方程（计算流速）中h值应查蒸气表值应查蒸气表或图。或图。二、二、 能量方程能量方程节流前后焓相等。节流前后焓相等。54 4 绝热节流绝热节流一、绝热节流现象一、绝热节流现象swzgchq2212s1q 0,c0,