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第九章气体和蒸汽的流动zgcwwst221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、几个基本方程(1)连续性方程(2)绝热稳定流动能量方程022cddh0vdvkpdpacM(3)定熵过程方程式3、音速与马赫数(1)音速(2)马赫数=constkpv常数22222211chch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vdpcdc2、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0,00)()(02vdvfdfcdccfvcfdvvcdfvfdcvdvfcfcvdvfcdvfcddm得方程两边同除以即:连续性方程: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swzzgcchhq)(2)(12212212022cddh)(2212122hhcc适用于:任何工质的可逆和不可逆绝热稳定流动过程。常数22222211chch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。0vdvkpdp可逆绝热过程方程式适用条件:理想气体定比热可逆微分变比热时k取过程范围内的平均值得:两边同除以kkkpvdvpkvdpv01(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0vdvkpdp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acM气体流速当地音速定义式M1超音速M=1临界音速M1亚音速三种音速subsonicvelocitysonicvelocitysupersonicvelocity.,,)下的音速当地音速:在某状态(Tvp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vdpcdc2、管道截面变化的规律vdpcdcdc0dp0导致dc0dp0导致喷管中的流动特性扩压管中的流动特性1、气体流速变化与状态参数间的关系dhcd22§9.2定熵流动的基本特性)(vdpdhq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vdvcdcM2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21、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1、定熵滞止过程及定熵滞止参数、(1)定义:(2)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。常数22222211chch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)(202121hhcc时当2121202)(2)(2chhhhc⑴适用稳流,绝热、一切工质、可逆与不可逆过程。⑵理想气体⑶水蒸汽:查h-s图确定12,hh21272.44hhc3、临界压力比及临界流速cccvkpa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,kkccppvpkkc1111112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cccaM1cccvkpakkccppvpkkc11111123、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:kkppTT112123、临界压力比及临界流速故在临界截面处:1111111212TkkTppTTkkkkkkcc4、流量与临界流量kkvpvp2211一般通过计算最小截面或出口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12c2注意的取值2pcbppbpp2cbppcpp2背压:喷管出口处的环境压力。12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)/()12(1211122maxskgvpkkkfmk11)12(kkckpp正常工作时5、喷管的设计计算,cbpp,cbpp已知设计计算:mbpp2出发点:⑴喷管形式选择渐缩喷管渐缩渐扩喷管⑵喷管尺寸计算222cvmf渐缩渐扩喷管的最小截面积(喉部)为cccvmfmin根据经验,渐扩段长度l为:)(tan2min2mddl扩部分的顶锥角圆台形渐缩渐扩喷管渐§9.5具有摩擦的流动2'2cc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。在缩孔附近,流速,焓不可逆性:§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(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,与其状态无关热效应零效应冷效应温度降低温度不变温度升高本章作业P182:9-1、9-3、9-4
本文标题:第九章气体和蒸汽的流动
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