气体的一维定常流动.ppt

工程流体力学基础 第六章 气体的一维定常流动 主要内容 基本概念 微弱扰动在气体中的传播 气体一维定常流动基本方程 气体的三种状态和速度系数 气流参数与通道截面之间的关系 喷管流动的计算和分析 气体的一维定常流动 气体与液体的本质差别在于其密度很容易改变，特别是当气体的流速接近或超过声速时，气体的可压缩性对其动力学和热力学特性的影响是显著的，因此，对于气体流动，通常都将其处理成可压缩流体，即需要考虑气体密度的变化。 气体的一维定常流动 一维流动：管道（流道）横截面不沿流动方向变化，或变化很缓慢；流道曲率很小。 定常流动：流场中任何一点的所有流动参数均不随时间发生变化。 在工程实际中，一些管道截面有一定的连续变化、气流流动参数变化相对缓慢的情况，近似作为气体的一维定常流动来处理。 第六章气体的一维定常流动 第一节 气体一维流动的基本概念 气体的状态方程 气体的状态可以用3个基本状态参数来描述：压强p 、密度ρ、热力学温度T。 热状态方程：气体的基本状态参数之间的函数关系，简称状态方程。 完全气体：忽略分子间的相互作用和分子体积的气体，也称为理想气体。 完全气体的状态方程为： 气体的比热容 比热容：单位质量物质温度升高1K或1℃时所吸收的热量。 单位质量气体升高1K或1℃时所吸收的热量与热力学过程有关，故气体的比热容不唯一。 定容比热容cV：容积不变条件下的比热容。 定压比热容cp：压强不变条件下的比热容。 比热比γ：定压比热与定容比热的比值。 热力学过程 热力学过程：气体从一个状态变化到另一个状态，中间所经历的过程。 典型的热力学过程： 等温过程：温度保持不变的热力学过程。 热力学过程 热力学过程：气体从一个状态变化到另一个状态，中间所经历的过程。 典型的热力学过程： 声速 声速：微弱扰动波在弹性介质中的传播速度。 声速 取虚线所围控制体。 声速 取虚线所围控制体。 声速 等熵关系式： 马赫数 马赫数：气流速度与当地声速的比值。 第六章气体的一维定常流动 第二节 微弱扰动在气体中的传播 微弱扰动的传播 微弱扰动在各向同性的气体空间中，是以球面波的形式向四面八方传播的，传播的速度为声速c。 当扰动源与气体具有不同的相对速度时，扰动波的传播规律是不同的。 以扰动源固定、气体运动的情况为例。 气体静止不动 扰动波是球形波，向所有方向传遍全部空间。 气流亚声速流动 扰动波可以逆流传播，向所有方向传遍全部空间。 气流以声速流动 扰动波不能逆流传播，传播限制在下游半个空间。 气流超声速流动 扰动波不能逆流传播，传播限制在马赫锥空间内。 微弱扰动的传播 若气体静止，而扰动源以亚声速、声速、超声速运动，则扰动波的传播规律仍是类似的。 微弱扰动在亚声速流动中可以传遍全流场，而在超声速流中只能向下游传播，并被限制在马赫锥之内，这是两者的最重要区别。 第六章气体的一维定常流动 第三节 气体一维定常流动 的基本方程 连续方程 一维定常流的连续方程 动量方程 在管道中取一微元段控制体，应用定常流动动量方程，可得 能量方程 热力学第一定律 能量方程 得以下关系式 能量方程 得以下关系式 能量方程 完全气体一维定常绝热流动的能量方程为 第六章气体的一维定常流动 第四节 气体流动的三种状态 和速度系数 气流的状态变化 由完全气体一维定常绝热流动的能量方程 滞止状态 气流速度减到零时的状态称为滞止状态，对应的流动参数称为滞止参数或总参数。 能量方程可以写为 滞止状态 由等熵关系和状态方程，可得 极限状态 流体等熵膨胀时，v↑，T↓。当T→0时，v→vmax，焓全部转化为气体宏观动能，该状态称为极限状态，也称为最大等熵膨胀状态。 临界状态 流体等熵膨胀时，当v=c时，Ma=1，该状态称为临界状态。 临界状态 临界参数与滞止参数的比值 速度系数 马赫数Ma是重要的无量纲速度。马赫数的不便之处在于： 马赫数与流动速度不是线性正比关系； 马赫数的极限是无穷大。 利用临界声速ccr也可以定义一个无量纲速度。 速度系数 速度系数的优点在于： 速度系数 马赫数与速度系数的关系 速度系数 用速度系数表示的无量纲化能量方程 第六章气体的一维定常流动 第五节 气流参数与通道截面 之间的关系 变截面一维定常等熵流动模型 基本假设： 控制方程 连续方程： 控制方程 运动方程： 控制方程 能量方程： 控制方程 状态方程： 控制方程 马赫数定义： 面积变化对参数的影响 面积变化对参数的影响 面积变化对参数的影响 几点说明： 面积变化对参数的影响 几点说明： 第六章气体的一维定常流动 第六节 喷管流动的计算和分析 喷管 喷管是使流动发生膨胀加速变化的管道，常应用于动力装置，如航空发动机、火箭发动机等，通过膨胀加速将流体的压强势能转化为动能，高速喷出产生推力——喷气发动机； 喷管有