工程热力学 第九章 图文

工程热力学讲义第9章[1].doc第9章气体和蒸汽的流动基本要求：1．深入理解喷管和扩压管流动中的基本关系式和滞止参数的物理意义，熟练运用热力学理论分析亚音速、超音速和临界流动的特点。

2．对于工质无论是理想气体或蒸汽，都要熟练掌握渐缩、渐缩渐扩喷管的选型和出口参数、流量等的计算。

理解扩压管的流动特点，会进行热力参数的计算。

3．能应用有摩擦流动计算公式，进行喷管的热力计算。

4．熟练掌握绝热节流的特性，参数的变化规律。

基本知识点：9．1 绝热流动的基本方程一、稳态稳流工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化。

二、连续性方程由稳态稳流特点， ====m m m .......21const而 vfc m =得：0=-+vdv fdf cdc 该式适用于任何工质可逆与不可逆过程三、绝热稳定流动能量方程sw gdz dcq dh δδ---=221对绝热、不作功、忽略位能的稳定流动过程得：dh cd-=22说明：增速以降低本身储能为代价。

四、定熵过程方程由可逆绝热过程方程 k pv =const得：0=+vdv kpdp五、音速与马赫数音速：微小扰动在流体中的传播速度。

定义式： sp a )(ρ=注意：压力波的传播过程作定熵过程处理。

特别的，对理想气体：kRTa = 只随绝对温度而变马赫数（无因次量）：流速与当地音速的比值ac M =M>1，超音速M=1 临界音速 M<1 亚音速9．2 定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系对定熵过程，由dh=vdp ，得到：vdpcdc -= 适用于定熵流动过程。

分析：1。

气流速度增加(dc>0)，必导致气体的压力下降(dp<0)。

2。

气体速度下降(dc<0)，则将导致气体压力的升高(dp>0)。

二、管道截面变化的规律联立vdp cdc -=、连续性方程、可逆绝热过程方程得到：cdc Mfdf )1(2-=分析：对喷管：当M<1，因为dc>0，则喷管截面缩小df<0，称渐缩喷管。

第九章气体和蒸汽的流动1．基本概念稳态稳流：稳态稳流是指开口系统内每一点的热力学和力学参数都不随时间而变化的流动，但在系统内不同点上，参数值可以不同。

为了简化起见，可认为管道内垂直于轴向的任一截面上的各种参数都均匀一致，流体参数只沿管道轴向或流动方向发生变化。

音速：音速是微小扰动在物体中的传播速度。

定熵滞止参数：将具有一定速度的流体在定熵条件下扩压，使其流速降低为零，这时气体的参数称为定熵滞止参数。

减缩喷管：当进入喷管的气体是M < 1的亚音速气流时，这种沿着气体流动方向喷管截面积逐渐缩小的喷管称为渐缩喷管。

渐扩喷管：当进入喷管的气体是M > 1的超音速气流时，这种沿气流方向喷管截面积逐渐扩大的喷管称为渐扩喷管。

缩放喷管：如需要将M < 1的亚音速气流增大到M > 1的超音速气流，则喷管截面积应由d f < 0逐渐转变为d f > 0，即喷管截面积应由逐渐缩小转变为逐渐扩大，这种喷管称为渐缩渐扩喷管，或简称缩放喷管，也称拉伐尔（Laval）喷管。

临界参数：在渐缩渐扩喷管中，收缩部分为亚音速范围，而扩张部分为超音速范围。

收缩与扩张之间的最小截面处称为喉部，此处M＝1，d f = 0。

该截面称为临界截面，具有最小截面积f min，相应的各种参数都称为临界值，如临界压力p c、临界温度T c、临界比体积v c、临界流速c c等。

应予注意，临界流速c c为临界截面处的当地音速。

节流：节流过程是指流体（液体、气体）在管道中流经阀门、孔板或多孔堵塞物等设备时，由于局部阻力，使流体压力降低的一种特殊流动过程。

这些阀门、孔板或多孔堵塞物称为节流元件。

若节流过程中流体与外界没有热量交换，称为绝热节流，常常简称为节流。

在热力设备中，压力调节、流量调节或测量流量以及获得低温流体等领域经常利用节流过程，而且由于流体与节流元件换热极少，可以认为是绝热节流。

冷效应区：在转回曲线与温度纵轴围成的区域内所有等焓线上的点恒有μj > 0，发生在这个区域内的绝热节流过程总是使流体温度降低，称为冷效应区。

9-6 燃气轮机装置循环用途：航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船燃气轮机装置燃气轮机的利用燃气轮机装置简介燃气轮机示意图和理想化(布雷顿循环)23燃烧室工质：数量不变，定比热理想气体2）闭口⇒3）布雷顿循环（Brayton Cycle )图示s12341234布雷顿循环的计算Ts1234吸热量：()1p 32q c T T =−放热量：()2p 41q c T T =−热效率：12241t 1113211w q q q T T q q q T T η−−===−=−−布雷顿循环热效率的计算s1234热效率：t 12111k kp p η−=−⎛⎞⎜⎟⎝⎠循环增压比21p p π=111k kπ−=−πtηktη布雷顿循环净功的计算s1234循环增温比31T T τ=()()324134211111p p p w c T T c T T T T T c T T T T =−−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净1111k k k kp c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠对净功的影响s123431T T τ=1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净3’4’当不变π不变τw 净但T 3 受材料耐热限制111t k kηπ−=−τ对净功的影响s31T T τ=1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净当不变τ太大πw 净π3T 太小πt ηt ηw 净存在最佳，使最大πw 净111t k kηπ−=−1T最佳增压比（w 净）的求解s1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净令opt π3T 2(1)opt ()k k w πτ−=净1T 0w π∂=∂净最大循环净功()211opt p w c T τ=−9-7 燃气轮机装置的定压加热实际循环s1234压气机：绝热压缩燃气轮机：绝热膨胀2’4’'21c 12h h h h η−=−定义：'34oi 34h h h h η−=−燃气轮机的实际循环的净功Ts12342’4’()()'''314221oi 34cw h h h h h h h h ηη=−−−−=−−净净功吸热量''2113312ch h q h h h h η−=−=−−'21c 12h h h h η−=−'34oi 34h h h h η−=−'21c 12h h h h η−=−燃气轮机的实际循环的热效率s12342’4’1'''111111oik ckk c kw q τηηπητηπ−−−==−−−净t 热效率影响燃气机实际循环热效率的因素1'''111111oik ckk c kw q τηηπητηπ−−−==−−−净t·oi ηc η'tη·π一定，τ't η·τ一定，有最佳()'opt t πη·τ()'opt t πη右移和的关系()'opt tπη()'optw π净()'optw π净()'opt tπη()'opt wπ净tητπ受材料耐热限制取最佳()'opttπη有无其它途径2T 4T 4 500o C 1344p T 4>T 2回热一、回热9-8 提高燃气轮机装置循环热效率的措施布雷顿循环回热示意图234压气机燃气轮机燃烧室回热器4R2A回热在Ts 图上的表示21344R2R2A回热度2222A R h h h h σ−=−0.6~0.9t t 1w q ηη=>净回简2R 4R 2A压气机间冷的图示23燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’压气机间冷在Ts 图上的表示21342’65AB t 1w q η=净间1234162’256联合工作？压气机间冷热效率的推导A B tA 1A tB 1B t 1A 1B 1A 1B 1A 1B tA tB 1A 1B 1A 1Bw w q q q q q q q q q q q q ηηηηη++==++=+++净净间tA tBηη>tA tBt ηηη>>间tA tB ηη<tA tB t ηηη<<间tA tBηη=tA tBt ηηη==间间冷＋回热示意图3燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’回热器4R 2R间冷＋回热在Ts 图上的表示21342’65t t 1w q ηη=>净间+回简4R2R再热示意图23压气机燃气轮机燃烧室1燃烧室23’5再热在Ts 图上的表示2133’4’4t t ηη<再简w w >再简5结论：再热＋回热示意图123压气机燃气轮机燃烧室2回热器燃烧室14R2R53’再热＋回热在Ts图上的表示2 133’4’454R2R2t+t11qqηη=−>再回回w w>再+回回再热+间冷+回热示意图1234压气机燃气轮机燃烧室2回热器间冷器燃烧室12R4R结论：再热+间冷+回热在Ts 图上的表示3T s 214t t +1w q ηη=>净再+间+回再回t t t t ηηηη>>>再+间＋回再+回回简w w w w >>=再+间＋回再+回回简+w w >再+间+回再回2R4R无穷多级的极限情况2 13 4两个等温过程两个等压过程+回热概括性卡诺循环2~3第9章小结活塞式内燃机循环：燃气轮机循环：提高热效率的手段：t ηη=简124w 净1’2’0 w=净动力循环的一般规律:热能代价以作功为目的升压是前提加热是手段作功是目的放热是必须顺序不可变步骤不可缺。

第九章 气体与蒸汽的流动第一节 绝热流动基本方程第二节 定熵流动的基本特征第三节 喷管计算第六节 绝热节流本章主要研究流体流过边界面短管（喷管和扩 压管）时，其热力状态、流速与截面积之间的变化 规律。

方法是由于流动管道短、流速快、流动过程轴 功为0，因此先假设管壁无摩擦，简化为可逆绝热 流动，从流动过程遵循的基本方程入手，找出流动 的特性和规律。

然后对于实际过程，在考虑摩擦等 不可逆因素的影响，加以修正。

二、连续性方程流量： 其中：f ：面积 c ： 速度；v ：比体积求导三、稳流能量方程对于喷管 q= 0 ,Δz= 0 ,w s= 0 第一节 稳定流动基本方程const m= & vfc m= & vdv c dc f df = + sw z g c h q + D + D + D = 221 221 ch D - = D \ )21( 2c d dh = - cdcdh = - 一、稳态稳流——一维流动 适用条件适用条件四、定熵过程方程pv k = const五、音速及马赫数由代入音速计算公式有：0 = + vdvk p dp 音速是微小扰动在流体中的传播速度。

其传播速度a 为：sp a ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ = r s v p v ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ - = 2 0 = + v dv k p dp v dv k p dp - = Þ vpk v p - = ¶ ¶ Þ kRT kpv a = = 马赫数M 定义为：kpvca c M == M<1 亚音速M=1 音速 M>1 超音速一、气体流速变化与状态参数间的关系由热一律有： dq= dh ­vdp 由绝热可知： dh=vdp 由稳定流动方程： ­dh=cdc 得：­vdp= c dc 喷管：流动特性dc > 0 dp < 0扩压管：流动特性 dc < 0 dp > 0第二节 定熵流动的基本特征二、管道截面变化规律0 = + vdv k p dp 由vdpcdc - = 及kp dp v dv - = 得： kpv vdp - = kpv cdc = c dc kpv c 2= c dc a c 22= cdc M 2 = 又根据连续方程：vdvc dc f df = + c dc v dv f df - = c dc c dc M - = 2 cdc M ) 1 ( 2- = cdc M f df ) 1 ( 2- = \1.对于喷管：dc > 0， c 增加；① 若入口为亚音速 M < 1，出口也为亚音速 M < 1，则为渐缩喷管： df < 0 ②若入口为亚音速 M < 1，出口为超音 速 M > 1，则对于df ：先是 df < 0，然后df > 0，为缩放喷管——拉法尔喷管 ③若入口为超音速 M > 1，则 df > 0， 为渐扩喷管。