氣體和蒸汽的流動(dòng)

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 and Steam Flow,管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程在工程上的應(yīng)用,火力發(fā)電,蒸汽輪機(jī)靜葉,核電,噴管,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī),輪船發(fā)動(dòng)機(jī),移動(dòng)電站,壓氣機(jī)靜葉,擴(kuò)壓管,制冷,空調(diào),膨脹閥、毛細(xì)管,管道閥門,工程中，常要處理氣體和蒸汽在管路設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程；,火力發(fā)電裝置,鍋,爐,汽輪機(jī),發(fā)電機(jī),給水泵,凝汽器,過(guò)熱器,燃?xì)廨啓C(jī)裝置,活塞,壓氣機(jī),燃?xì)廨啓C(jī),在汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中，,熱能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,實(shí)際上是在,噴管,中實(shí)現(xiàn)的，,在噴管中工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,，然后推動(dòng)轉(zhuǎn)子上的葉片，通過(guò)軸向外輸出；,在葉輪式壓氣機(jī)中，外界輸入的功量使工質(zhì)得到動(dòng)能，然后,在擴(kuò)壓管中工質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能使氣體的壓力升高,；,本章主要研究氣體在噴管的流動(dòng)過(guò)程,噴管與擴(kuò)壓管,節(jié)流閥,噴管作用：,壓力降低，速度提高,擴(kuò)壓,管作用：,速度降低，壓力升高,主要解決問(wèn)題：,1.,解決氣體和蒸汽在流動(dòng)過(guò)程中參數(shù)變化,（包括,P,、,T,、,、,c,f,等）與流道（主要是,噴管,）截 面積的關(guān)系；,2.,流動(dòng)過(guò)程中氣體能量傳遞和轉(zhuǎn)化問(wèn)題；,3.,絕熱節(jié)流過(guò)程；,71,穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式,一、,實(shí)際流動(dòng)問(wèn)題的簡(jiǎn)化,穩(wěn)定,絕熱,一維,可逆,參數(shù)取平均值,二、穩(wěn)定流動(dòng)基本方程,p,1,T,1,q,m1,c,f1,p,2,T,2,q,m2,c,f2,1.,質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）,注：連續(xù)性方程說(shuō)明了流經(jīng)管道的氣流速度、比容與噴管橫截面積之間的關(guān)系。,適用于作穩(wěn)定流動(dòng)的任何工質(zhì)，任何過(guò)程；,2.,過(guò)程方程,注意，若為水蒸氣，則,3.,穩(wěn)定流動(dòng)能量方程,注：適用于作穩(wěn)定絕熱流動(dòng)的任何工質(zhì)，可逆或不可逆過(guò)程；,注：適用于理想氣體定比熱容的可逆絕熱過(guò)程；,絕熱滯止,理想氣體,：,定比熱容,定義：,氣體在絕熱流動(dòng)中遇到障礙物時(shí)，由于粘性力的作用，在物體表面處氣體速度會(huì)降至零，這一過(guò)程稱為絕熱滯止。,滯止參數(shù)計(jì)算：,滯止焓,絕熱過(guò)程方程式,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為焓而使氣流,產(chǎn)生的溫升,工程上設(shè)計(jì)大氣中作高速運(yùn)動(dòng)的飛行體時(shí)，都必須考慮,氣流滯止后果,。,例如：飛機(jī)在,20,的高空以,Ma,= 2,飛行，其,t,0,= 182.6 ,。,絕熱滯止等價(jià)于絕熱壓縮,4.,聲速方程,理想氣體等熵過(guò)程,所以,拉普拉斯聲速方程,：,壓力波的傳播過(guò)程近似為定熵過(guò)程,說(shuō)明：,聲速不是常數(shù)，與氣體的性質(zhì)和狀態(tài)有關(guān)；聲速是,狀態(tài)參數(shù),；因此有,“當(dāng)?shù)芈曀佟?概念。,例如空氣，,馬赫數(shù)定義：,亞聲速,聲速,超聲速,氣體流速,當(dāng)?shù)芈曀?72,促使流速改變的條件,力學(xué)條件,研究氣體在噴管中流動(dòng)的主要目的：,將,熱能,轉(zhuǎn)化為,動(dòng)能,，因此促進(jìn),流速增加,是研究重點(diǎn),如何促使,流速增加？,1.,要有動(dòng)力,;,2.,要?jiǎng)?chuàng)造條件,充分利用動(dòng)力,;,幾何條件,流道形狀要能配合流動(dòng)過(guò)程需要,使流動(dòng)過(guò)程不產(chǎn)生能量損失,一、促使流速改變的,力學(xué)條件,流動(dòng)可逆絕熱,能量方程,力學(xué)條件,討論,：,異號(hào),要使氣體流速增加,氣體壓力必下降,;,氣體通過(guò)噴管要想得到加速,必須創(chuàng)造噴管中,氣流壓力不斷下將,的力學(xué)條件,;,因?yàn)?二、促使流速改變的,幾何條件,力學(xué)條件,過(guò)程方程,連續(xù)性方程,幾何條件,建立噴管的截面積變化與速度變化之間的關(guān)系即,:,討論,：,上式表明,:,dA,與,d,c,f,的之間關(guān)系還與,Ma,有關(guān),;,即,:,要使氣流加速,噴管的截面積必須不斷縮小,;,用,漸縮噴管,即,:,要使氣流加速,噴管的截面積必須不斷擴(kuò)大,;,用,漸擴(kuò)噴管,漸縮噴管,漸擴(kuò)噴管,要使氣流從亞聲速加速到超聲速,?,應(yīng)采用先縮后放的,縮放噴管,即,:,拉伐爾噴管,Why?,dA,與,dc,f,之間有上述關(guān)系,連續(xù)性方程,且有,:,噴管中氣流壓力下降將同時(shí)導(dǎo)致,噴管的截面究竟如何變化取決于,因?yàn)?:,稱,臨界壓力,、,臨界溫度,及,臨界比體積。,臨界截面,縮放噴管,(,拉伐爾噴管,),的最小截面稱為,喉部截面,它是氣流從亞聲速向超聲速的轉(zhuǎn)折點(diǎn),該面上的流速恰好等于當(dāng)?shù)芈曀?;,通常把該截面又稱為,臨界截面,.,臨界狀態(tài)參數(shù)：,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；,2,）收縮噴管的出口截面上流速小于等于當(dāng)?shù)匾羲伲?3,）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?對(duì)擴(kuò)壓管,(diffuser),，,目的是,p,上升，通過(guò),c,f,下降使動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力勢(shì)能，情況與噴管相反。,噴管計(jì)算分,設(shè)計(jì)計(jì)算,和,校核計(jì)算,兩種,.,73,噴管計(jì)算,設(shè)計(jì)計(jì)算,:,已知條件為噴管入口條件,如,:,和背壓,P,b,以及質(zhì)流量,確定,噴管形狀和尺寸,校核計(jì)算,已知噴管形狀和尺寸,確定,不同工作條件下,通過(guò)噴管的,質(zhì)流量,及,噴管的出口速度,噴管出口的環(huán)境壓力,噴管設(shè)計(jì)計(jì)算,一、流速計(jì)算及分析,1.,流速計(jì)算式,要確定噴管采尺寸,判斷工質(zhì)流動(dòng)速度所處的區(qū)域,要確定流速,“,絕熱焓降,”,或可用焓差,普適,:,絕熱、不作功、任意工質(zhì),理想氣體、定比熱容,分析：,2.,流速與狀態(tài)參數(shù)關(guān)系：,c,f,，,max,不可能達(dá)到,摩擦,定義,:,p,cr,與,p,0,之比稱,為,臨界壓力比，用,cr,表示,討論：,理想氣體,水蒸氣,隨,工質(zhì)而變,理想氣體定比熱雙原子,過(guò)熱水蒸氣,濕蒸汽,3.,臨界流速與臨界壓力比,臨界流速,又因?yàn)?:,臨界壓力比的意義在于：,可方便判斷氣體流速由,亞音速向超音速的轉(zhuǎn)折點(diǎn),二、流量計(jì)算及分析,1.,計(jì)算式,即,收縮噴管,出口截面,縮放噴管,喉部截面,由于噴管的流量通常受其最小截面制約，故常按,最小截面來(lái)計(jì)算流量；,流量計(jì)算,分析,自學(xué),確定,自學(xué),利用初參數(shù)、質(zhì)流量、背壓,p,b,及臨界壓力比,如何確定噴管形狀,？,選縮放噴管,選收縮噴管,噴管幾何尺寸計(jì)算,A,1,往往已由其他因素確定,太長(zhǎng),摩阻大,過(guò)大，產(chǎn)生渦流,(eddy),太短,對(duì),收縮噴管,需確定出口截面,A,2,：,對(duì),縮放噴管,需確定出口截面,A,2,，,喉部截面,A,喉,及擴(kuò)展長(zhǎng)度,75,絕熱節(jié)流,一、絕熱節(jié)流,定義：由于局部阻力，使流體壓力降低的現(xiàn)象，稱為節(jié)流。若與外界沒(méi)有熱量交換則稱為絕熱節(jié)流；,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(guò)程并非,等焓過(guò)程；,4),T,2,可能大于等于或小于,T,1,理想氣體,T,2,=,T,1,。,分析：在節(jié)流較遠(yuǎn)處引用絕熱流動(dòng)的能量方程式。,節(jié)流過(guò)程并非等焓過(guò)程,二、水蒸氣節(jié)流過(guò)程,1,）節(jié)流后溫度稍有下降,2,）,但少,作功,技術(shù)的損失,三、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),··· ···,熱網(wǎng)中蒸汽降壓,作業(yè)：,7-1,7-3,7-6,7-25,