气体和蒸汽的流动(流体)

第九章

气体和蒸汽的流动

(GasandSteamFlow)2023/2/4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(nozzle;

jet)、扩压管(diffuser)及节流阀(throttlevalve)内流动过程的能量转换情况。2023/2/4第一节绝热流动的基本方程一概念稳态稳流(稳定流动)状态不随时间变化恒定的流量二几个基本方程连续性方程绝热稳定流动能量方程定熵过程方程2023/2/4(1)连续性方程

const

由稳态稳流特点适用于任何工质可逆和不可逆过程截面面积气流速度气体比容2023/2/4(2)绝热稳定流动能量方程

适用于任何工质可逆和不可逆过程注：增速以降低本身储能为代价

p1T1qm1cf1

p2T2qm2cf2

2023/2/4(3)定熵过程方程式

=const

可逆绝热过程方程式适用条件:(1)理想气体(2)定比热(3)可逆微分注意:变比热时K取过程范围内的平均值2023/2/4三音速与马赫数

微小扰动在流体中的传播速度压力波的传播过程可作定熵过程处理(1)

音速定义式:定熵过程理想气体只随绝对温度而变2023/2/4(2)

马赫数流速当地音速

定义式M>1

超音速M=1

临界音速M<1亚音速312三种音速subsonicvelocitysonicvelocitysupersonicvelocity2023/2/49-62023/2/42023/2/4第二节

定熵流动的基本特性

一、气体流速变化与状态参数间的关系由定熵过程dh=vdp得dc>0dp<0由此可见导致dc<0dp>0导致喷管中的流动特性扩压管中的流动特性2023/2/4二、管道截面变化的规律

连续性方程可逆绝热过程方程管道截面变化气流速度变化注:扩压管dc<0,故不同音速下的形状与喷管相反M<1M>1M<1M>1df<0渐缩df>0渐扩df<0df>0渐缩渐扩喷管dc>0M=1df=0临界截面2023/2/4喷管和扩压管流速变化与截面变化的关系流动状态管道种类管道形状M<1M>1dc>0dc<0喷管dp<012M<1渐缩渐扩扩喷管M<1转M>1渐缩渐扩扩压管M>1转M<112M>1M=1M<1M>1扩压管dp>012121212M=12023/2/4

1、设计：根据已给的流动条件，(初态和终压)。求出口流速和流量并选择喷管的外形尺寸。喷管的计算

2、校核：根据喷管的外形尺寸，求工况变化时的流量和流速。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及使用条件。§9-3

喷管中流速及流量计算

2023/2/4一定熵滞止参数将具有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其流速降低为零时的参数定义：参数表达式下角标为0的是定熵滞止参数下角标为1的是进口参数2023/2/4二、喷管的出口流速

由绝热稳定流动能量方程对理想气体对实际气体公式1公式22023/2/4

公式1－说明1、适用稳流，绝热、一切工质、可逆与不可逆过程。2、理想气体

3、水蒸汽：查h-s图确定2023/2/4

公式2说明只决定于的比值，即是随着的变化而相应的变化。讨论时，

时，

时但此速度实际上是不可能达到的，除非，否则不可能达到。说明：1、对渐缩喷管出口流速不可能达到（大于）音速

2、对于缩放喷管出口流速才能超过音速2023/2/4

三、临界压力比及临界流速

（1）定义：a:临界状态：出口截面达到最小时的流体状态为临界状态。此截面工质的速度等于音速，此时截面流体参数为临界参数。b：临界音速：当气流速度等于音速时，气流处于亚音速和超音速转变的临界状态，这种真空状态下的气流速度称临界速度。c：临界压力比：ⅰ、处于临界状态下的压力称临界压力。ⅱ、临界压力与初压力之比称临界压力比

2023/2/4

三、临界压力比及临界流速

(2)临界压力比计算代入出口流速方程临界流速表达式定熵过程方程式：临界压力进口压力特别的对双原子气体：

2023/2/4

三、临界压力比及临界流速

几点讨论ⅰ当选渐缩ⅱ当ⅲ当选渐放喷管（渐扩）如已有减缩喷管，当气体通过该喷管时应作如下判断。（1）当减缩喷管出口外界背压时，则喷管出口截面上的压力只能降低到临界压力即，此时喷管出口截面上流速（2）当减缩喷管出口外界背压，则喷管出口截面上的压力此时喷管流速。2023/2/4

三、临界压力比及临界流速

（3）临界流速计算2023/2/4四、流量与临界流量一般通过计算最小截面的质量流量由连续性方程知，各个截面的质量流量相等（1）渐缩喷管的质量流量计算12理想气体的定熵流动出口截面质量流量注意的取值2023/2/4（2）渐缩渐扩喷管的流量计算m0cba1.0正常工作时M=2023/2/4五、喷管的计算1

喷管的设计计算已知1)

当即

采用渐缩喷管。

2）当即采用缩扩喷管。

出发点：2023/2/4（2）渐缩喷管的校和计算已知1)

当即

2）当即

喷管的最大流量

kg/s

2023/2/49-122023/2/42023/2/42023/2/42023/2/49-212023/2/42023/2/42023/2/4§

9-4扩压管定熵流动的基本关系式和管道截面变化规律的关系式相同扩压管是在已知进口参数进口速度和出口速度的情况下计算出口压力扩压管与喷管的区别与联系注:动能损失得越多压力增加得越多2023/2/4扩压管的扩压比概念定义式进口压力出口压力由能量方程得则定熵过程2023/2/4§

9-5具有摩擦的流动

定义式实际出口速度定熵过程出口速度大致在0.94至0.98之间速度系数喷管效率消耗一部分功一般在0.9至0.95之间2023/2/4§

9-6绝热节流

定义：气体在管道中流过突然缩小的截面，

而又未及与外界进行热量交换的过程特点：绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是等焓过程。

流体在通过缩孔时动能增加，压力下降并产生强烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，导致整个过程的不可逆性。在缩孔附近，流速，焓不可逆性：2023/2/4绝热节流前后参数的变化(1)

对理想气体12chp温度不变压力下降比容增加熵增加焓不变注:理想气体的焓是温度的单值函数2023/2/4(2)

对实际气体节流前后焓不变,温度不一定不变绝热节流温度