《工程熱力學(xué)》PPT課件

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1、1 第 七 章 氣 體 和 蒸 汽 的 流 動Gas and Steam Flow7-1 穩(wěn) 定 流 動 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7-5 絕 熱 節(jié) 流 2 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(kuò) 壓 管 (diffuser)及 節(jié) 流 閥(throttle valve)內(nèi) 流 動 過 程 的 能 量 轉(zhuǎn) 換 情 況 。 3 71 穩(wěn)定流動的基本方程式一、簡 化穩(wěn) 定 絕 熱一 維可 逆 參 數(shù) 取

2、平 均 值 4 二、穩(wěn)定流動基本方程 1. 質(zhì) 量 守 恒 方 程 （ 連 續(xù) 性 方 程 ） (continuity equation) 1 f1 2 f 21 21 2m mAc Acq qv v ffdd d cv Av A c p1T1qm1cf1 p2T2qm2cf2 ffdd d 0cAA c fm Acq v 5 2.過 程 方 程 pvvpvp 2211注 意 ， 若 水 蒸 氣 ， 則 122111 vTvTccVp且3.穩(wěn) 定 流 動 能 量 方 程 (steady-flow energy equation) 2f12 sq h c g z w d d 0p vp v 0

3、0sg z q w 忽略2 2 2 1 f1 2 f2 f1 12 2h c h c h c f fd d 0h c c 6 絕 熱 滯 止 (stagnation) 2f max 1 f1 010, 2c h h h c h 理 想 氣 體： 定 比 熱 容 2f10 1 2 pcT T c 變 比 熱 容 11 000 r rpT pTh 00 1 1rrpp p p 11010 TTpp g 00 0R Tv p 7 水 蒸 氣：20 1 f10 1 12h h cs s 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

4、空 以 Ma = 2飛 行 ， 其 t0= 182.6 。4.聲 速 方 程 ss vpvpc 2 TRg等 熵 過 程 中 d d 0p vp v sp pv v 所 以 pvc ？ 8 注 意 ： 1）聲 速 是 狀 態(tài) 參 數(shù) ， 因 此 稱 當(dāng) 地 聲 速 。 0 C 1.4 287 273.15 331.2m/sc 如 空 氣 ，2）水 蒸 氣 當(dāng) 地 聲 速 c pv3） fcMa c 馬 赫 數(shù) (Mach number) 1Ma 20 C 318.93m/sc 20 C 343m/sc （subsonic velocity）（supersonic velocity）（sonic

5、 velocity）g pVcR T and c 亞 聲 速1Ma 聲 速1Ma 超 聲 速 9 72 促使流速改變的條件一、力學(xué)條件ffd dc pc p 流 動 可 逆 絕 熱x, 0d d d dHe h T s h 能 量 方 程 f fd dh c cf fd dv p c c 力 學(xué) 條 件 d dq h v p 2f ffd dcp v p cp c 2f ffdd c cpp pv c 2f f2 fdd c cpp c c 2 ffdd cp Map c vdp 10 討 論 ： 20 0Ma 噴 管擴(kuò) 壓 管 fc p fp c 2）fd dfc c v p是 壓 降 ，

6、是 焓 （ 即 技 術(shù) 功 ） 轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 械 能 。的 能 量 來 源 2 ffdd cp Map c 1）f fd dc pc p 異 號 2f f12c c 11 二、幾何條件ffd dc Ac A 力 學(xué) 條 件過 程 方 程 2 ffdd cp Map c d dp vp v 2 ffd dc vMa c v 連 續(xù) 性 方 程 ffdd dcA vA c v 2 ffd d1 c AMa c A 幾 何 條 件 12 討 論 ：1） cf與 A的 關(guān) 系 還 與 Ma有 關(guān) ， 對 于 噴 管 f f f) 1 d da Ma c c c A c A 與異號，即 2 2 ffd

7、 d1 1, c vMa Ma Ma c v 據(jù)ffdd d d, 0ffdc cv A vc v A v c 而漸 縮 噴 管 （ convergent nozzle） 2 ffd d1 c AMa c A 13 f f f) 1 d d ,b Ma c c c A c A 與同號 f f) 1 d 0c Ma c c c A 截 面 上 Ma=1、 cf=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) 地 音 速 (velocity of sound) f cr cr g

8、 crc c p v R T cr cr crp T v 稱 臨 界 壓 力 (critical pressure)、 臨 界 溫 度及 臨 界 比 體 積 。11 2 MaMa f ff fd dd d 0c cv A dvc v A v c 2 ffd dc vMa c v據(jù) 2 ffd d1 c AMa c A 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 噴 管 (convergent nozzle)出 口 截 面 上 流 速 cf2,max=c2（ 出 口 截 面 上 音 速 ） b） 以 低 于 當(dāng) 地 音 速 流 入

9、 漸 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 。 15 3） 背 壓 (back pressure)pb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 p2等 于 背 壓 pb， 但 非 設(shè) 計(jì) 工 況 下 p2未 必 等 于 pb。4） 對 擴(kuò) 壓 管

10、(diffuser)， 目 的 是 p上 升 ， 通 過 cf下 降 使 動 能 轉(zhuǎn) 變 成 壓 力 勢 能 ， 情 況 與 噴 管 相 反 。 2 f2 f) 1 1 0 d 0 d 0) 1 1 0 d 0 d 0a Ma Ma c Ab Ma Ma c A 當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí) 16 歸 納 ： 1） 壓 差 是 使 氣 流 加 速 的 基 本 條 件 ， 幾 何 形 狀 是 使 流 動 可 逆 必不 可 少 的 條 件 ； fcr cr cr g crc p v R T 5） 背 壓 pb未 必 等 于 p2。 2） 氣 流 的 焓 火 用 差 （ 即 技 術(shù) 功 ） 為 氣 流 加 速 提 供

11、能 量 ；3） 收 縮 噴 管 的 出 口 截 面 上 流 速 小 于 等 于 當(dāng) 地 音 速 ；4） 拉 伐 爾 噴 管 喉 部 截 面 為 臨 界 截 面 ， 截 面 上 流 速 達(dá) 當(dāng) 地 音 速 17 73 噴管計(jì)算一 、 流 速 計(jì) 算 及 分 析1. 計(jì) 算 式 2f 0 1 f12 2c h h h h c 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， cf， m/s， 但 一 般 資 料 提 供 h， kJ/kg。2. 初 態(tài) 參 數(shù) 對 流 速 的 影 響： 為 分 析 方 便 ， 取 理 想 氣

12、 體 、 定 比 熱 ， 但 結(jié) 論 也 定 性 適 用 于 實(shí) 際 氣 體 。 18 f 2 0 22c h h 分 析 ： f 1 0 0 2 0 0 0 1 1 1, , , , ,c f p v p p p v p v T而取決于，所以 0 22 pc T T g 0 22 1R T T 10200 112 ppvpgp Rc 1 10 0g T ppv R T T p f 02c h h f 2 1 1 2 11 1 f 2 2 0 2 1, , ,c f p v p pp v c p p p p 。所以對于確定的氣體（確定），確定的初參數(shù)（，確定），取決于或。 普 適理 想 氣 體

13、 、 定 比 熱 容 19 2 0 2 0) / 1a p p p p 即cf，max不 可 能 達(dá) 到 摩 擦 2 22 0A vp)c 02pp 從 1下 降 到 0的 過 程 中 某 點(diǎn) 10 0f f 02 11 crcr p v pc c p f 20 0p c 2 0 f 2 f,max) / 0 ,b p p c c 時(shí)f,max 0 0 g 02 21 1c p v R T 20 為 臨 界 點(diǎn) ， 此 點(diǎn) 上 壓 力 pcr與 p0之 比 稱 為 臨 界 壓 力 比 ， cr(critical pressure ratio; throat-to-stagnation of p

14、ressure)1crcr 0 2 1pp 討 論 ： 1） 1cr 2 1 理 想 氣 體水 蒸 氣 m m/ /p V m p Vc c or C C /p Vc c cr f 隨 工 質(zhì) 而 變 理 想 氣 體 定 比 熱 雙 原 子過 熱 水 蒸 氣濕 蒸 汽 cr 0.528 cr 0.546 cr 0.577 21 cr cr 0p p3）幾 何 條 件 2 ffd d1 c AMa c A 約 束 ， 臨 界 截 面 只 可 能發(fā) 生 在 dA= 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：cr g crc R T 與 上

15、 式 是 否 矛 盾 ？1f,cr 0 0 cr2 1 ( )1c p v 1100 12112 vp 0 0 g 02 21 1p v R T 2）4） 22 3.背 壓 pb對 流 速 的 影 響 a.收 縮 噴 管 crbp p b.縮 放 噴 管 crbp p crbp p crbp p 2 bp p f 2 2c c 2 1Ma 2 1Ma 2 crp p f 2 2c c不 屬 本 課 程 范 圍2 crbp p p p 喉cr f 2 2f, 21 1c c c cMa Ma 喉喉 23 二 、 流 量 計(jì) 算 及 分 析1. 計(jì) 算 式 f fm Acq Acv 通常收 縮 噴

16、 管 出 口 截 面縮 放 噴 管 喉 部 截 面出 口 截 面 2 3fkg/s; m ; m/s; m /kgmq A c v 24 2. 初 參 數(shù) 對 流 量 的 影 響2 f 22m A cq v 12f 2 0 0 12 11 pc p v p 2002 ppvv 102102002 12 ppppvpAqm分 析 ： a） 2 0 0 2 0, , , , /mq f A p v p p 25 2 1 1, , ,A p v 2 0/ 1p p cr 2 0/ 1p p 2 0 cr/p p 2 0 cr/p p 2 0/mq f p p 2 0 0 2 0, , , , /mq

17、 f A p v p p 確 定 102102002 12 ppppvpAqm f 2 0, 0mc q 2 0 f 2/ , , mp p c q 2 cr f 2 2 2 ,max, , m mp p c c q q f 2 2 2 ,max, m mc c q q 26 b）結(jié) 合 幾 何 條 件 和 質(zhì) 量 守 恒 方 程 ：圖 中 abbc 收 縮 噴 管縮 放 噴 管且 噴 管 初 參 數(shù) 及 p2確 定 后 ，噴 管 各 截 面 上 qm 相 同 ， 并不 隨 截 面 改 變 而 改 變 。 27 三 、 噴 管 設(shè) 計(jì)據(jù) p1，v1，T1背 壓 pb功 率 P 噴 管 形 狀幾

18、 何 尺 寸首 先 確 定 p cr與 pb關(guān) 系 ， 然 后 選 取 恰 當(dāng) 的 形 狀初 參 數(shù)1. 外 形 選 擇 28 29 2. 幾 何 尺 寸 計(jì) 算A1往 往 已 由 其 他 因 素 確 定22 f 2mq vA c fm crcrq vA c喉22 min2 tgddl太 長 摩 阻 大 fd / dc l 過 大 ， 產(chǎn) 生 渦 流 (eddy)太 短 30 四 、 工 作 條 件 變 化 時(shí) 噴 管 內(nèi) 流 動 過 程 簡 析 噴 管 在 非 設(shè) 計(jì) 工 況 下 運(yùn) 行 ， 尤 其 是 背 壓 變 化 較 大 最 終 是 造 成 動能 損 失 。1.收 縮 噴 管 背 壓

19、pb出 口 截 面 壓 力 p2 2 bbb pppp bb pp cr2 b bp pp p cr2 crbp pp p運(yùn) 行 工 況 31 2. 縮 放 噴 管1） 若 pbpb過 度 膨 脹(over expansion)，產(chǎn) 生 激 波 (shock wave) 32 例 A4511661例 A451266例 A451377 33 74 有 摩 擦 的 絕 熱 流 動一 、 摩 阻 對 流 速 的 影 響 f 2 0 2 0 2 f 22 2 s Sc h h h h c 定 義 ： 噴 管 速 度 系 數(shù) (velocity coefficient of nozzle)f 2f 2S

20、cc 一般在0.920.98 34 二 、 摩 阻 對 能 量 的 影 響定 義 ： 能 量 損 失 系 數(shù)2 2 2f 2 f 22f 2 1s sc cc 噴 管 效 率 2 20 2f 22f 2 0 2 1N Ns sh hcc h h 注 意 ： 2 2f2 f212 sI c c ？ 35 三 、 摩 阻 對 流 量 的 影 響若 p2、 A2不 變f 2 f 2 2 2 2 2s s sc c T T v v 據(jù) fn m msAcq q qv 例 A4512871 36 75 絕熱節(jié)流一 、 絕 熱 節(jié) 流 (adiabatic throttling)定 義 ： 由 于 局 部

21、 阻 力 ， 使 流 體 壓 力 降 低 的 現(xiàn) 象 。節(jié) 流 現(xiàn) 象 特 點(diǎn) ： 1) p 2s1,I=T0sg 3) h1=h2， 但 節(jié) 流 過 程 并 非 等 焓 過 程 ； 4) T2可 能 大 于 等 于 或 小 于 T1 理 想 氣 體 T2= T1。 37 二 、 節(jié) 流 后 的 溫 度 變 化 1. 焦 耳 -湯 姆 遜 系 數(shù) （ Joule-Thomson coefficient）據(jù) d d dp pvh c T T v pT 令 d 0 pJ ph vT vTTh p c 焦 耳 -湯 姆 遜 系 數(shù) （ 也 稱 節(jié) 流 微 分 效 應(yīng) ）d 0 d pvp T T v

22、T 節(jié)流取決于 38 0 0,d 0JpvT v TT 如 理 想 氣 體 2 1d d d 0p pp v T v v vT vp v T T T TT T 0 0,d 0JpvT v TT 0 0,d 0JpvT v TT 降 溫升 溫不 變 39 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 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

23、； 實(shí) 際 氣 體 ， 如 用 范 氏 方 程 g2ap v b R Tv 代 入 J可 得 g2 1i a bT R b v 或 g g2 1 3 12 2i iR Tb R Tbap b a a 40 若 令 p=0， 得 ,max ,ming g2 29i ia aT TR b R b 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) 在 致 溫 區(qū) 則 T上 升 或 下 降 取 決 于 p的 大 小 當(dāng) 氣 體 溫 度 TTi,max或 TT12N ,max,min0 630K100K40MPaiiTTp 常 溫 常 壓 下 節(jié) 流 T下 降 41 三 、 水 蒸 氣 節(jié) 流 過 程 1） 節(jié) 流 后 溫 度 稍 有 下 降11 hh 2） 但 少 作 功 222121 hhhhhh 作 功 能 力 損 失 22 hhI ？ 0 g 0 1 1I T s T s s 四 、 節(jié) 流 現(xiàn) 象 的 工 程 應(yīng) 用氣 體 液 化發(fā) 動 機(jī) 功 率 調(diào) 節(jié)孔 板 流 量 計(jì) ， 干 度 計(jì) 利 用 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 42 例 A652266例 題 A452177下 一 章