第八章 气体与蒸汽的流动2009.ppt

第八章　气体与蒸汽的流动 基本要求: 1、掌握定熵稳定流动的基本方程； 2、理解促使流速改变的力学条件和几何条件的基本涵义； 3、掌握喷管中气体流速、流量的计算，会进行喷管外形的选择和尺寸的计算； 4、掌握滞止焓、临界参数等基本概念和相关计算。 1、沿流动方向上的一维问题：取同一截面上某参数的平均值作为该截面上各点该参数的值。 2、可逆绝热过程：流体流过管道的时间很短，与外界换热很小，可视为绝热，另外，不计管道摩擦。 8－1　稳定流动的基本方程式 在稳定流动过程中，若： 1）任一截面上的参数不随时间而变化； 2）与外界没有热量交换； 3）流经相邻两截面时各参数是连续变化； 4）不计摩擦和扰动； Ma＜1 　亚声速 Ma＝1 　气流速度等于当地声速 Ma＞1 　超声速 8-2 促使流速改变的条件 喷管：流速升高的管道； 扩压管：流速降低、压力升高的管道。 Ma1时，dv/vdcf /cf Ma1时，dv/vdcf /cf 　 8－3　喷管的计算 假设：　1）理想气体； 　　　　2）定值比热容； 　　　　3）流动可逆； 　　　　4）满足几何条件。 临界压力比是分析管内流动的一个重要数值，截面上工质的压力与滞止压力之比等于临界压力比是气流速度从亚声速到超声速的转折点； 以上分析在理论上只适用于定比容理想气体的可逆绝热流动，对于水蒸气的可逆绝热流动，k 为一经验值，不是比热比。 8-4 背压变化时喷管内流动过程简析 例题 2、一渐缩喷管，其进口速度接近零，进口截面积A1=40cm2，出口截面积A2=25cm2。进口水蒸气参数为p1=9MPa，温度t1=500°C的空气，背压pb=7MPa，试求： （1）出口流速及流过喷管的流量。 （2）由于工况的改变，背压变为pb=4MPa，这时的出口流速和流量又为多少？ 8-5 有摩阻的绝热流动 8－6 绝热节流 例题 例题 3、临界压力比 　在临界截面上： 定义临界压比： 双原子气体： k=1.4 　γcr=0.528 过热蒸汽： k=1.3 γcr=0.546 干饱和蒸汽： k=1.135 γcr=0.577 结论： 临界速度： 二、流量计算 收缩喷管： 缩放喷管： 　　根据连续方程，喷管各截面的质量流量相等。但各种形式喷管的流量大小都受最小截面控制，因而通常按最小截面（收缩喷管的出口截面、缩放喷管的喉部截面）来计算流量，即： 代入速度公式可得： 结论： 当A2及进口截面参数保持不变时： 对于收缩喷管： ？ 对于缩放喷管： 　　尽管在喉道后气流速度达到超音速，喷管截面面积扩大，但据质量守恒原理其截面上的质量流量与喉道处相等，因此流量保持不变，如图中曲线bc。 　　但如果出口截面面积A2保持不变，则随着p2下降，将使实际所需的喉道面积减小，则会出现流量减小，如图中虚线所示。 在正常工作条件下： 在喉道处： 三、喷管外形和尺寸计算 设计目的：1、确定喷管几何形状； 　　　　　2、保证气流充分膨胀。 1、外形选择： 渐缩喷管 缩放喷管 2、尺寸计算 渐缩喷管： 缩放喷管： 一、渐缩喷管 二、渐缩渐放喷管 　　在设计工况下：喉道处为临界状态，收缩段为亚音速，扩张段为超音速；图中ABC。 在E处产生正激波，气流速度下降为亚音速 1、a图为渐缩喷管，b图为缩放喷管，设P1＝10Bar，Pb＝1Bar，若沿截面3－3切去一段，将可能产生哪些后果？出口截面上的压力、流速和流量将起什么变化？ 思考题 对于渐缩喷管： 1）当Pb=Pcr, P2=Pb,若沿3－3截面截去一段，出口截面增加，但是出口截面处的背压不变，因此仍然有P2=Pb,由此可得v2不变，Cf2也不变，流量则因为出口面积增加而变大。 2）当PbPcr, P2=Pcr,若沿3－3截面截去一段，出口截面增加，但是出口截面处的背压不变，因此仍然有P2=Pcr,由此可得v2不变，Cf2也不变，流量则因为出口面积增加而变大。 对缩放喷管： 由于喉部截面不变，前段渐缩喷管也没有变化，则气体的流动情况不随扩张段的变化而变化。故此当截去一段之后，在3－3截面上，P3Pb（原来的设计情况P2＝Pb），流速Cf3Cf2，流量不变，比体积减小。 思考题 由一个稳定的气源提供温度为27oC，压力为1.5Mpa的空气，经过一个喷管后进入压力保持在0.6Mpa的某个大空腔中。如果要保证流过喷管中的空气的流量为3kg/s，并且假设来流空气的运动速度可以忽略，该如何设计该喷管？如果来流速度为100m/s，其它条件不变，喷管的出口速度和截面面积是多少？ 这是一个典型的喷管设计问题 1、首先求滞止参数： 由于不考虑进口速度： 2、判断喷管类型： 为了保证空气充分膨胀，需要采用缩放喷管 3、求临界截