高等工程热力学——第六章 .docVIP

第六章 管内气体流动的热力学 工程上经常遇到的管内流动有以下三类：第一类为喷管和扩压管等管内流动；第二类为输送管内的流动；第三类为换热器管内的流动和可燃混合气在管内燃烧时的流动等。第一类流动的轴功为零，且由于管道短、流速高可看作绝热流动，因而可先略去壁面摩擦，简化成无摩擦、无能量效应的变截面等熵流，待得出流动规律后，再考虑摩擦的影响，加以修正。可以说，截面积变化是影响这类管内流动状况的主要因素。第二类流动中的输送管道都是等截面的。输送过程中，流体对外界不作轴功，外界对流体也投有加热或冷却，因而无能量效应。第三类流动中的管道也是等截面的。流动无轴功输出，外界对流体有热的作用，因而有熊量效应，但摩擦作用与能量效应相比可忽略不计。所以说，能量效应是促使第三类流动状况变化的主要因素。 1基本概念与基本方程 在与外界无轴功，无热量交换的情况下，流动的流体达到静止(c=O)时的状态称为滞止状态。该状态的参数称为滞止参数，以下角标“0”表示。流场中密度变化不能忽略的流体称为可压缩流体。多数情况下，斌体密度的变化主要由压力变化引起。 （6-1） 式中分别为压力、密度、比容和熵。对于理想气体 （6-1a） 式中k为比热比，R为气体常数。 某一点的流体流动速度c和统一点的当地声速a之比称为马赫数M，即 （6-2） 可压缩流可以分成以下几类： 亚声速流 声速流 超声速流 根据稳态稳流能量方程，滞流焓为 对于理想气体，上式为 因为 代入上式得 （6-3） 把式（6-3）代入可逆绝热过程方程，则有 （6-4） 如果压力波通过时气体参数发生突然的急剧变化，则这种波称为激波。垂直于流动方向的激波称为正激波。 可压缩流体流动的研究基于质量守恒定律、牛顿第二运动定律、热力学第一定律和热力学第二定律四个基本定律： 质量守恒定律——一维稳态稳流的连续方程 （6-5） 2.牛顿第二运动定律——动量方程 在流动方向上，作用在物体上的外力由作用于控制面内流体上所有力的x向分量的代数和组成。这些力可分为两类：作用于全部流体质量上的力和作用于边界上的力。 运动方向上的剪切力= ×湿周= ，于是，作用在运动方向上的净功力为 由此即得一维流动动量方程的一般形式： （6-6） 欧拉方程式为： （6-7） 3.热力学第一定律——稳态稳定流动能量方程式 （6-8） 式中，等号左边各项表示某瞬间加给控制体的能量，或由控制体传出的能量。 4.热力学第二定律——不可逆性 由第四章已知，单位质量的热力过程的熵变为 而 （6-9） 为通过系统边界随同热量转移的熵，称为熵流；是由于系统内的不可逆性所产生的熵，称为熵产，。值得指出的是，热量在传递过程中数量守恒，但随同热量转移的熵却不守恒。系统无效能的变化为 为环境温度。则有 （6-10） 定质量绝热系或孤立系的无效能增量必定是由有效能退化而成的，它的大小说明不可逆性的大小。以表示不可逆性，则有 （6-11） 摩擦热与绝对温度之比等于熵产，则有 （6-12） 式中右方的分子为单位质量的摩擦热。 三、一般流动的热力学规律 根据热力学第一定律、热力学第二定律、连续方程以及一些热力学关系式，分析气体与外界之间有热量和动量交换、流道截面积有变化、气流有高度变化而且存在摩擦的一般流动过程，就得到流动的通用方程式——伍里斯方程，方程式为： （6-12） 式子反映了流动过程的一般规律，也可称为通用流动方程。 2理想气体的定常等熵流 一、无轴功定常等熵流的