第九章 气体和蒸汽的流动.ppt

1、第九章 气体和蒸汽的流动,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。 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， 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。 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。,本章主要内容,1、研究气体流动基本方程,2、 研究气体在管内流动的基本特性,气流速度变化,能量转换,状态参数变化,的规律,能量守恒方程,过程方程,质量守恒方程,3 、 喷管设计计算,喷管选型、临界压力、临界流速、出口流速、质量流量等,9.1 一维绝热稳定流动的基本方程,1、稳态稳流概念,2、

2、几个基本方程,(1) 连续性方程,(2) 绝热稳定流动能量方程,(3) 定熵过程方程式,3、音速与马赫数,(1) 音速,(2) 马赫数,= const,理想气体定熵流动：,9.2 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,2、管道截面变化的规律,9.3 喷管中流速及流量计算,1、定熵滞止参数,2、喷管的出口流速,3、临界压力比及临界流速,4、流量与临界流量,5、喷管的设计计算,1、稳态稳流概念,稳态稳流(稳定流动),2、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,9.1 一维绝热流动的基本方程,状态不随时间变化,恒定的流量,(1) 连续性方程,由稳态稳流特点,连

3、续性方程：,适用于：任何工质的可逆与不可逆的一一维稳定流动过程。,(2) 绝热稳定流动能量方程,适用于：任何工质,的可逆和不可逆绝热稳定流动过程。,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。,可逆绝热过程方程式,适用条件: 理想气体 定比热 可逆,微分,(3) 定熵过程方程式,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,适用于：理想气体定熵流动,只随绝对温度而变,3、 音速与马赫数,(2) 马赫数,M1 超音速,M=1 临界音速,M1 亚音速,subsonic velocit

4、y,sonic velocity,supersonic velocity,在10000m高,9.2 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,2、管道截面变化的规律,dc0,dp0,dc 0,dp 0,1、气体流速变化与状态参数间的关系,9.2 定熵流动的基本特性,绝热稳定流动能量方程：,可见气体在管道内作定熵流动时：,2、管道截面变化的规律,连续性方程：,亚音速流动时：,超音速流动时：,渐扩喷管,先,然后增大到,则：,渐缩渐扩喷管，,喉部，临界截面,2,1、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，

5、 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,1、定熵滞止过程及定熵滞止参数、,下角标为0的是定熵滞止参数,下角标为1的是进口参数,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。,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点上，气流速度将阻滞为零。这点称为“滞止点”或“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。,特别是当航天飞行器返回大气时，由于Ma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氏度的高温。所以要使航

6、天飞行器成功返回地面，必须进行热防护。,不必,作精确计算时，,2、喷管的出口流速,适用稳流，绝热、一切工质、可逆与不可逆过程。理想气体,水蒸汽：查h-s图确定,3、临界压力比及临界流速,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M=1, 喉部压力为临界压力pc,渐缩渐扩喷管的喉部压力为临界压力，,故其临界流速为：,（9-16）,3、临界压力比及临界流速,3、临界压力比及临界流速,亦可：,3、临界压力比及临界流速,（适用于理想气体定熵流动）,对于定比热容理想气体的定熵过程：,3、临界压力比及临界流速,故在临界截面处：,4、流量与临界流量,一般通过计算最小截面或出口截面

7、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,c2,注意 的取值,背压：喷管出口处的环境压力。,气流在喷管内可以充分膨胀。,Pc到pb的过程在喷管外进行。,，和背压有关。,（2）渐缩渐扩喷管的流量计算,正常工作时,5、喷管的设计计算,出发点：,喷管形式选择,渐缩喷管,渐缩渐扩喷管,喷管尺寸计算,渐缩渐扩喷管的最小截面积（喉部）为,根据经验，渐扩段长度l为:,6、, 9.4 扩压管,注:动能损失得越多压力增加得越多,扩压管的扩压比概念,定义式,由能量 方程得,则定熵过程, 9.5 具有摩擦的流动,定义式,消耗一部分动能,一般在0.9至0.95之间,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。,不可逆性：, 9.6 绝热节流,绝热节流前后参数的变化,(1) 对理想气体,(2) 对实际气体,节流前后焓不变,温度不一定不变,绝热节流温度效应,温度效应只与气体的性质有关,与其状态无关,定义式,物性参数 反映与理想气体的偏差,绝热节流系数（焦尔汤姆逊系数）,本章作业,P182：9-1、9-3、9-4,