工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)第7章課件

《工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)第7章課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工程熱力學(xué)工程熱力學(xué)第7章課件（42頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),,,*,第七章 氣體和蒸汽的流動(dòng),Gas

2、and Steam Flow,,,7-1 穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式,7-2 促使流速改變的條件,7-3 噴管計(jì)算,7-4 有摩擦的絕熱流動(dòng),7-5 絕熱節(jié)流,,1,,第七章 氣體和蒸汽的流動(dòng)Gas and Steam Flow,,工程中有許多流動(dòng)問題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，,特別是噴管(nozzle, jet)、擴(kuò)壓管(diffuser)及節(jié)流閥,(throttle valve)內(nèi)流動(dòng)過程的能量轉(zhuǎn)換情況。,,,,,,2,,工程中有許多流動(dòng)問題需考慮宏觀動(dòng)能和位能，2,7–1 穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式,一、,簡(jiǎn)化,穩(wěn)定,,,,,,,絕熱,一維,可逆,參數(shù)取平均值,,,,,,3,,7–1 穩(wěn)定流動(dòng)的基本

3、方程式一、簡(jiǎn)化穩(wěn)定絕熱一維可逆參數(shù)取,二、穩(wěn)定流動(dòng)基本方程,,1. 質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）(,continuity equation,),,,,,,p,1,T,1,q,m1,c,f1,p,2,T,2,q,m2,c,f2,,,,,,4,,二、穩(wěn)定流動(dòng)基本方程p1p24,2.過程方程,注意，若水蒸氣，則,3.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程(steady-flow energy equation,),,,,,,,5,,2.過程方程注意，若水蒸氣，則3.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程(stea,絕熱滯止,(stagnation),理想氣體,：,定比熱容,變比熱容,,,,,,,6,,絕熱滯止(stagnation)理想氣體：

4、 定比熱容變,水蒸氣,：,,其他狀態(tài)參數(shù),注意：高速飛行體需注意滯止后果，如飛機(jī)在–20℃ 的高空以,,Ma,= 2飛行，其,t,0,= 182.6 ℃。,4.聲速方程,等熵過程中,所以,？,,,,,,7,,水蒸氣：其他狀態(tài)參數(shù)注意：高速飛行體需注意滯止后果，如飛機(jī)在,注意：,1）,聲速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當(dāng)?shù)芈曀佟?,如空氣，,2）,水蒸氣當(dāng)?shù)芈曀?3）,,馬赫數(shù),(Mach number),,（subsonic velocity）,（supersonic velocity）,（sonic velocity）,亞聲速,聲速,超聲速,,,,,,8,,注意：1）聲速是狀態(tài)參數(shù)，因此稱當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

5、,,7–2 促使流速改變的條件,一、力學(xué)條件,流動(dòng)可逆絕熱,能量方程,力學(xué)條件,,,,,,,9,,7–2 促使流速改變的條件一、力學(xué)條件流動(dòng)可逆絕熱能量方程,討論,：,,噴管,擴(kuò)壓管,2）,是壓降，是焓?。醇夹g(shù)功）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。,的能量來源,1）,異號(hào),,,,,,,10,,討論：噴管擴(kuò)壓管2）是壓降，是焓?。醇夹g(shù)功）轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。,二、幾何條件,力學(xué)條件,過程方程,,連續(xù)性方程,,幾何條件,,,,,,11,,二、幾何條件力學(xué)條件過程方程連續(xù)性方程幾何條件11,討論,：,1）,c,f,與A的關(guān)系還與,Ma,有關(guān)，對(duì)于噴管,,漸縮噴管,（convergent nozzle）,,,,,,12

6、,,討論：1）cf與A的關(guān)系還與Ma有關(guān)，對(duì)于噴管漸縮噴管（co,截面上,Ma,=1、,c,f,=,c,，稱,臨界截面,(minimum cross-sectional area) [,也稱,喉部,(,throat,)截面]，,臨界截面上速度達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?(velocity of sound),稱,臨界壓力,(critical pressure),、,臨界溫度,及,臨界比體積。,,,,,,,,13,,截面上Ma=1、cf=c，稱臨界截面(minimum,2）當(dāng)促使流速改變的壓力條件得到滿足的前提下,：,a）,收縮噴管(,convergent nozzle,)出口截面上流速,,c,f2,max,=

7、,c,2,（,出口截面上音速,）,b）,以低于當(dāng)?shù)匾羲倭魅霛u擴(kuò)噴管(,divergent nozzle),,不可能使氣流可逆加速,。,c）,使氣流從亞音速加速到超音速，必須采用,漸縮,漸擴(kuò),噴管(,convergent- divergent nozzle,)—,拉伐爾,,(Laval nozzle,)噴管,。,,,,,,,14,,2）當(dāng)促使流速改變的壓力條件得到滿足的前提下： a）收縮,3）,背壓,(back pressure),p,b,是指噴管,出口截面外工作環(huán)境,的壓力,。正確設(shè)計(jì)的噴管其出口截面上壓力,p,2,等于,背壓,p,b,，但非設(shè)計(jì)工況下,p,2,未必等于,,p,b,。,4

8、）對(duì)擴(kuò)壓管(diffuser)，目的是,p,上升，通過,c,f,下降使動(dòng),能轉(zhuǎn)變成壓力勢(shì)能，情況與噴管相反。,,,,,,15,,3）背壓(back pressure)pb是指噴管出口截面外,歸納,：,,1）,壓差,是使氣流加速的基本條件，,幾何形狀,是使流動(dòng)可逆必不可少的條件；,5）背壓,p,b,未必等于,p,2,。,2）氣流的,焓火用,,差,（即技術(shù)功）為氣流加速提供能量；,3）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?4）拉伐爾噴管喉部截面為臨界截面，截面上流速達(dá)當(dāng)?shù)匾羲?,,,,,16,,歸納：5）背壓pb未必等于p2。2）氣流的焓火用差（即技術(shù),7–3 噴管計(jì)算,一、流速計(jì)算

9、及分析,1. 計(jì)算式,注意：,,a）公式適用范圍：絕熱、不作功、任意工質(zhì)；,b）式中,h，,J/kg，,c,f,，m/s，但一般資料提供,h，,kJ/kg。,2.,初態(tài)參數(shù)對(duì)流速的影響,：,,為分析方便，取理想氣體、定比熱，但結(jié)論也定性適用于實(shí)際氣體。,,,,,,17,,7–3 噴管計(jì)算一、流速計(jì)算及分析1. 計(jì)算式注意：2.,分析：,普適,理想氣體、定比熱容,,,,,,18,,分析：普適理想氣體、定比熱容18,c,f，max,不可能達(dá)到,,摩擦,從1下降到0的過程中某點(diǎn),,,,,,19,,cf，max不可能達(dá)到摩擦從1下降到0的過程中某點(diǎn)19,為臨界點(diǎn),，此點(diǎn)上壓力,p,cr,與,p,0

10、,之比稱為,臨界壓力比，,ν,cr,(critical pressure ratio; throat-to-stagnation of pressure),討論：,,1）,,理想氣體,水蒸氣,隨工質(zhì)而變,,理想氣體定比熱雙原子,過熱水蒸氣,濕蒸汽,,,,,,20,,為臨界點(diǎn)，此點(diǎn)上壓力pcr與p0之比稱為臨界壓力比，νcr討,3）,幾何條件,約束，臨界截面只可能,發(fā)生在d,A,= 0處，考慮到工程實(shí)際,,收縮噴管—出口截面,縮放噴管—喉部截面,另,：,與上式是否矛盾,？,,,2）,4）,,,,,,21,,3）幾何條件約束，臨界截面只可能發(fā)生在dA= 0處，考慮到工,3.背壓,p,b,對(duì)流速的影

11、響,,a.收縮噴管,,b.縮放噴管,不屬本課程范圍,,,,,,22,,3.背壓pb對(duì)流速的影響 a.收縮噴管 b.縮放噴管不屬,二、流量計(jì)算及分析,1. 計(jì)算式,通常,,收縮噴管—出口截面,縮放噴管,,喉部截面,出口截面,,,,,,23,,二、流量計(jì)算及分析1. 計(jì)算式通常收縮噴管—出口截面縮放噴管,2.,初參數(shù)對(duì)流量的影響,,分析：,a）,,,,,,24,,2. 初參數(shù)對(duì)流量的影響分析：24,,,確定,,,,,,,,,25,,確定25,,b）,結(jié)合幾何條件和質(zhì)量守恒方程：,圖中,,收縮噴管,縮放噴管,且噴管初參數(shù)及,p,2,確定后，,噴管各截面上,q,m,相同，并,不隨截面改變而改變。,

12、,,,,,26,,b）結(jié)合幾何條件和質(zhì)量守恒方程：圖中收縮噴管縮放噴管且噴管,三、噴管設(shè)計(jì),據(jù),,p,1,，,v,1,，,T,1,背壓,,p,b,功率,,噴管形狀,,幾何尺寸,首先確定,p,cr,與,p,b,關(guān)系，然后選取恰當(dāng)?shù)男螤?初參數(shù),1. 外形選擇,,,,,,27,,三、噴管設(shè)計(jì)據(jù)p1，v1，T1背壓 pb功率噴管形狀首先確定,,,,,,28,,28,2. 幾何尺寸計(jì)算,A,1,—,往往已由其他因素確定,太長(zhǎng)—摩阻大,過大，產(chǎn)生渦流(eddy),太短—,,,,,,29,,2. 幾何尺寸計(jì)算A1—往往已由其他因素確定太長(zhǎng)—摩阻大過大,四、工作條件變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過程簡(jiǎn)析,,噴管在非設(shè)計(jì)工

13、況下運(yùn)行，尤其是背壓變化較大最終是造成動(dòng)能損失。,1.收縮噴管,背壓,p,b,',,出口截面壓力,p,2,',,,,,運(yùn)行工況,,,,,,30,,四、工作條件變化時(shí)噴管內(nèi)流動(dòng)過程簡(jiǎn)析1.收縮噴管背壓,2. 縮放噴管,1）若,p,b,‘<,p,b,—,膨脹不足,(under expansion)，,離開噴管后自由膨脹,(free expasion),2）,p,b,‘>,p,b,—,過度膨脹,(over expansion)，,產(chǎn)生激波(shock wave),,,,,,,,31,,2. 縮放噴管1）若pb‘pb,例A4511661,例A451266,例A451377,,,,,,32,,例A451

14、1661例A451266例A45137732,7–4,有摩擦的絕熱流動(dòng),一、摩阻對(duì)流速的影響,定義：噴管速度系數(shù)(velocity coefficient of nozzle),一般在0.92~0.98,,,,,,33,,7–4 有摩擦的絕熱流動(dòng)一、摩阻對(duì)流速的影響定義：噴管速度系,二、摩阻對(duì)能量的影響,,定義：能量損失系數(shù),噴管效率,,注意：,？,,,,,,34,,二、摩阻對(duì)能量的影響定義：能量損失系數(shù)噴管效率注意：？34,三、摩阻對(duì)流量的影響,若,p,2,、,A,2,不變,據(jù),,例A4512871,,,,,,35,,三、摩阻對(duì)流量的影響若p2、A2不變據(jù)例A451287135,7–5 絕

15、熱節(jié)流,一、絕熱節(jié)流,(adiabatic throttling),定義：由于局部阻力，使流體,壓力降低的現(xiàn)象。,節(jié)流現(xiàn)象特點(diǎn)：,1),p,2,<,p,1；,2) 強(qiáng)烈不可逆，,s,2,>,s,1,,,I=T,0,s,g,3),h,1,=,h,2,，但節(jié)流過程并非,等焓過程；,4),T,2,可能大于等于或小于,T,1,理想氣體,T,2,=,T,1。,,,,,,,,,36,,7–5 絕熱節(jié)流一、絕熱節(jié)流(adiabatic thro,二、節(jié)流后的溫度變化,,1. 焦耳-湯姆遜系數(shù)（Joule-Thomson coefficient）,據(jù),令,焦耳-湯姆遜系數(shù)（也稱節(jié)流微分效應(yīng)）,,,,,,37

16、,,二、節(jié)流后的溫度變化 1. 焦耳-湯姆遜系數(shù)（Jou,如理想氣體,降溫,升溫,不變,,,,,,38,,如理想氣體降溫升溫不變38,,2. 轉(zhuǎn)回溫度(inversion temperature),—節(jié)流后溫度不變的狀態(tài)的溫度,把氣體的狀態(tài)方程代入,μ,J,表達(dá)式即可求得不同壓力下的轉(zhuǎn)回溫度曲線，轉(zhuǎn)回曲線(inversion curve)。,例如,理想氣體轉(zhuǎn)回溫度為一直線；,實(shí)際氣體，如用范氏方程,代入,μ,J,可得,或,,,,,,,39,,2. 轉(zhuǎn)回溫度(inversion temperature),若令,p,=0，得,3.節(jié)流的積分效應(yīng),節(jié)流時(shí)狀態(tài)在致冷區(qū)則,T,下降，,節(jié)流時(shí)狀態(tài)

17、在致溫區(qū)則,T,上升或下降取決于Δ,p,的大小,當(dāng)氣體溫度,T,>,T,i,max,或,T,<,T,i,min，,節(jié)流后,T,上升,如：,,常溫節(jié)流后,T,上升，,T,2,>,T,1,,常溫常壓下節(jié)流,T,下降,,,,,,40,,若令p=0，得 3.節(jié)流的積分效應(yīng)常溫節(jié)流后T上升，T2>T,三、水蒸氣節(jié)流過程,1）節(jié)流后溫度稍有下降,2）,但少作功,作功能力損失,,？,四、節(jié)流現(xiàn)象的工程應(yīng)用,氣體液化,發(fā)動(dòng)機(jī)功率調(diào)節(jié),孔板流量計(jì)，干度計(jì),··· ···,利用,μ,J,，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，建立實(shí)際氣體微分方程,熱網(wǎng)中蒸汽降壓,,,,,,41,,三、水蒸氣節(jié)流過程1）節(jié)流后溫度稍有下降2）但少作功作功能力,例A652266,例題A452177,,,下一章,,42,,例A652266例題A452177下一章42,