青島大學工程熱力學.ppt

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Chapter9GasFlowandSteamFlow氣體和蒸汽的流動,主講：張金翠Tel：8595372013515328653E-mail:zjc0404@,Chapter9GasFlowandSteamFlow氣體和蒸汽的流動,9-1概述9-2穩(wěn)定流動的基本方程9-3定熵流動的基本特性9-4氣體在噴管和擴壓管中的流動9-5噴管中氣體流動的計算9-6水蒸氣在噴管中的定熵流動9-7有摩擦的絕熱流動9-8絕熱節(jié)流,9-1Introduction概述,工程中有許多流動問題需考慮宏觀動能和位能，特別是噴管（Nozzle;jet）、擴壓管（Diffuser）及節(jié)流閥（Throttlevalve）內穩(wěn)定絕熱高速流動過程的能量轉換情況,9-1Introduction概述,本章學習內容1、研究氣體流動過程中的狀態(tài)參數(shù)變化、氣流速度變化、能量轉換的規(guī)律。2、研究影響氣體在管內流動的外部因素管道截面積的變化系統(tǒng)的外部條件,5,穩(wěn)定,,,絕熱,一維,可逆,,參數(shù)取平均值,本章分析對象,9-1Introduction概述,,,,,9-2Basicequationsofsteadyflow穩(wěn)定流動的基本方程,1、Continuityequation連續(xù)性方程,p1T1qm1cf1,p2T2qm2cf2,9-2Basicequationsofsteadyflow穩(wěn)定流動的基本方程,2、Steady-flowenergybalance穩(wěn)定流動能量方程,,,,3、Entropybalance熵方程,絕熱穩(wěn)定流動,9-2Basicequationsofsteadyflow穩(wěn)定流動的基本方程,4、stateequation狀態(tài)方程,9-3Basiccharacteristicsofisentropic-flow定熵流動的基本特性,一、Basicequationsofisentropic-flow定熵流動的基本方程二、Characteristicequation特性方程,穩(wěn)定流動過程,可逆絕熱（定熵）過程,,絕熱、絕功、無摩擦,一、Basicequationsofisentropic-flow定熵流動的基本方程,1、Continuityequation連續(xù)性方程,2、Steady-flowenergybalance穩(wěn)定流動能量方程,一、Basicequationsofisentropic-flow定熵流動的基本方程,3、Entropybalance熵方程,4、Processequation過程方程,注意，若水蒸氣，則,二、Characteristicequation特性方程,1、聲速（sonicvelocity）,等熵過程中,所以,？,空氣當?shù)芈曀?水蒸氣當?shù)芈曀?二、Characteristicequation特性方程,注意：聲速不是常數(shù)，它隨流體的狀態(tài)變化而變化某一狀態(tài)下的聲速稱為當?shù)芈曀?二、Characteristicequation特性方程,3、氣體流動分類亞聲速流動（subsonic）：Ma1，cf>c臨界流動（sonic/criticalflow）:Ma=1，cf=c高超聲速流動（hypersonic）:Ma1,2、馬赫數(shù)（Machnumber）,二、Characteristicequation特性方程,4、Derivation特性方程的推導,例題9-1,9-4Gasflowthroughnozzlesanddiffusers氣體在噴管和擴壓管中的流動,一、velocitychangeandpropertyrelations速度變化與狀態(tài)參數(shù)間的關系,,動能的增加由技術功轉換而來,二、Variationoffluidvelocitywithflowarea管道截面變化規(guī)律,噴管（nozzle）：降壓增速，dp0擴壓管（diffuser）：降速增壓，dcf0,dA的變化與Ma的大小相關,,1、噴管和擴壓管流速變化與截面變化的關系,流動狀態(tài),管道種類,管道形狀,Ma1,dcf>0,dcf<0,噴管,dp<0,1,2,Ma1轉Ma1,Ma=1,Ma1,擴壓管,dp>0,,,,,,,,,,1,2,1,2,1,2,1,2,Ma=1,dA>0,dA>0,dA>0,dA>0,2,2,2,2,Ma1,漸縮噴管convergingnozzle,漸擴噴管divergingnozzle,漸縮漸擴噴管converginganddivergingnozzle,漸擴擴壓管divergingdifusser,漸縮擴壓管convergingnozzle,漸縮漸擴擴壓管converginganddivergingdifusser,喉部（throat）:Ma=1,cf=c,這一點稱為流動臨界狀況，此點對應的參數(shù)稱為臨界參數(shù)（criticalproperties），pcr，Tcr，vcr，Acr，cf,cr，ccr,9-5Calculationofgasflowthroughnozzles噴管中氣體流動的計算,Designcalculation設計計算給定：噴管進、出口參數(shù)，流量求解：噴管出口流速cf2，噴管尺寸（流體完全膨脹）Checkcalculation校核計算給定：噴管尺寸及形狀，進出口參數(shù)求解：判斷能否實現(xiàn)完全膨脹實際流速及流量,Designcalculation設計計算,一、定熵滯止參數(shù)（isentropicstagnationproperties）,1、定義將具有一定速度的氣流在定熵條件下擴壓，使其流速降低為零時流體的參數(shù)，p*,T*,v*,h*等,2、定熵滯止參數(shù)的確定,3、為何采用定熵滯止參數(shù),2、定熵滯止參數(shù)的確定,h*（滯止焓Stagnationenthalpy）,,2、定熵滯止參數(shù)的確定,T*（滯止溫度Stagnationtemperature）,p*（滯止壓力Stagnationpressure）,2、定熵滯止參數(shù)的確定,v*（滯止比容Stagnationspecificvolume）,,3、為何采用定熵滯止參數(shù),若cf1較小（cf1pcr時，p2=pb，此時流體充分膨脹,pb≤pcr時，p2=pcr，此時qm=qm,max,Designcalculation設計計算,四、氣體的流量計算2、漸縮漸擴噴管的流量計算,對縮放噴管而言，氣流流經喉部后，qm不變一直以qm,max在流動,Designcalculation設計計算,五、管形選擇,設計型計算，通常已知p1，t1，cf1，pb，以實現(xiàn)充分膨脹為目的，如何選擇噴管？,小結---噴管的設計計算和校核計算,噴管的設計計算,已知,1)當即采用漸縮噴管。,2）當即采用縮擴噴管。,噴管的設計計算例題,由不變的其原來的壓力p1=1.5MPa，溫度為t1=27℃的空氣，流經一噴管進入壓力保持在pb=0.6MPa的某裝置中。若流過噴管的流量為3kg/s，來流速度可忽略不計，試設計噴管。,1、求p*、T*2、選型3、求參數(shù)（臨界點、出口點）4、求面積,小結---噴管的設計計算和校核計算,漸縮噴管的校核計算,已知：,1)當即,2）當即,噴管的最大流量,kg/s,漸縮噴管的校核計算例題,一漸縮噴管，其進口速度接近為零進口處A1=40cm2，A2=25cm2。進口水蒸氣參數(shù)為p1=9MPa，t1=500℃，pb=7MPa。試求出口流速及流過噴管的流量。,,1、求滯止參數(shù)2、確定出口截面上的壓力3、臨界點和出口截面上的狀態(tài)參數(shù)4、求cf,cr、cf25、求qm,9-6水蒸氣在噴管中的定熵流動,水蒸氣不是理想氣體，凡是利用理想氣體性質推出的公式均不適用,1、定熵滯止參數(shù),2、臨界壓力比,水蒸氣在噴管中的定熵流動,3、流速計算,4、噴管截面面積計算,Application----水蒸氣的定熵流動,1、p1=0.5MPa的干飽和蒸汽進入噴管，外界pb=0.1MPa。若要實現(xiàn)完全膨脹，應采用什么類型的噴管？,2、壓力為2MPa，溫度為490℃的蒸汽流經漸縮噴管，可逆絕熱膨脹進入外界pb=0.1MPa的空間。求該噴管出口截面上的壓力流速？,9-7有摩擦的絕熱流動,1、引入幾個新概念,s,9-7有摩擦的絕熱流動,2、cf2’、h2’的計算,9-8絕熱節(jié)流,定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面，而又未及與外界進行熱量交換的過程。,p,1、過程特點,絕熱節(jié)流過程前后的焓相等，但整個過程絕不是等焓過程,2、狀態(tài)參數(shù)變化,3、絕熱節(jié)流效應,,0,=0,產生熱效應,產生冷效應,產生零效應,9-8絕熱節(jié)流,2、狀態(tài)參數(shù)變化,理想氣體,壓力下降,比容增加,熵增加,焓不變,溫度降低,壓力下降,比容增加,熵增加,焓不變,溫度不變,水蒸汽,,Application,壓力為p1=2MPa、溫度t1=400℃的水蒸汽，經節(jié)流閥后，壓力降為p1’=1.6MPa，再經噴管射入壓力為pb=1.2MPa的大容器中，若噴管出口截面積A2=200mm2。求（1）節(jié)流過程熵增（2）應采用何種噴管？其出口截面上的流速及噴管質量流量是多少？（3）蒸汽作功能力的損失（環(huán)境介質溫度T0=300K）,