气体流动过程PPT课件.ppt
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1、气体流动过程气体流动过程涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机2024/5/24 周五2喷气发动机是由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和喷管五大部件组成。工作原理:足够量的空气,通过进气道以最小的流动损失顺利地引入压气机;压气机以高速旋转的叶片对空气作功压缩空气,提高空气的压力;高压空气在燃烧室内和燃油混合,燃烧,将化学能转变为热能,形成高温高压的燃气;高温高压的燃气首先在涡轮内膨胀,推动涡轮旋转,去带动压气机;然后燃气在喷管内继续膨胀,加速燃气,提高燃气的速度,使燃气以较高的速度喷出,产生推力。2024/5/24 周五3喷管及加速燃烧室喷管及加速燃烧室 喷管(nozzle,或称喷嘴)的形状结构决定了最终排
2、除的气流的状态,早期的低速发动机采用单纯收敛型喷管,以达到增速的目的。根据牛顿第三定律,燃气喷出速度越大,飞机将获得越大的反作用力。但是这种方式增速是有限的,因为最终气流速度会达到音速,这时出现激波阻止气体速度的增加。而采用收敛扩张喷管(也称为拉瓦尔喷管)能获得超音速的喷气流。飞机的机动性来主要源于翼面提供的空气动力,而当机动性要求很高时可直接利用喷气流的推力。在喷管口加装燃气舵面或直接采用可偏转喷管(也称为推力矢量喷管,或向量推力喷嘴)是历史上两种方案,其中后者已经进入实际应用阶段。著名的俄罗斯Su-30、Su-37战机的高超机动性就得益于留里卡设计局的AL-31推力矢量发动机。燃气舵面的代
3、表是美国的X31技术验证机。2024/5/24 周五4气体的流动过程气体的流动过程(thermodynamics of one-dimensional steady flow of Gas)2024/5/24 周五5 流流体体在在管管道道中中流流动动时时与与外外界界的的热热交交换换往往往往可可以以忽忽略略,也也不不对对外外输输出出轴轴功功,而而且且常常可可视视为为稳稳态态稳稳流流装装置置。以以下下本本章章将将主主要要讨讨论论定定比比热热容容理理想想气气体体在在管管道道中中作作绝绝热热稳稳态态稳稳流流时时的的热热力力学学状状态态变变化化与与宏观流动状况(流速、流量)变化之间的关系。宏观流动状况(
4、流速、流量)变化之间的关系。2024/5/24 周五61 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动的基本方程 连续性方程连续性方程 稳态稳流时,任何一段管道内流进和流出的流体流量相等稳态稳流时,任何一段管道内流进和流出的流体流量相等 管道中的一维稳定流动管道中的一维稳定流动A1A2c1c21212由于由于 式中式中 A管道的截面积管道的截面积 c 流体的流速;流体的流速;v 流体比体积流体比体积 考虑到稳态稳流的特性,对管道的任一截面考虑到稳态稳流的特性,对管道的任一截面 连续性方程连续性方程微分形式微分形式2024/5/24 周五7能量方程能量方程 根据稳态稳流的能量方程根据稳态稳流的能量方程对于
5、绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况可见,相对管道中的任意两个截面而言可见,相对管道中的任意两个截面而言若气流的焓若气流的焓 h,则流速,则流速c;反之,若气流的焓反之,若气流的焓h,则流速,则流速c 2024/5/24 周五8过程方程过程方程 对于状态连续变化的定比热容理想气体可逆绝热流动过程对于状态连续变化的定比热容理想气体可逆绝热流动过程 水蒸气也借用该式作近似计算水蒸气也借用该式作近似计算 但但k不再具有热容比不再具有热容比(cp/cv)的含义,为经验值:的含义,为经验值:过热水蒸气过热水蒸气 k=1.3 干饱和水蒸气干饱和水蒸气 k
6、=1.135 干度为干度为x的湿蒸汽的湿蒸汽 k=1.035+0.1x 2024/5/24 周五9过程方程过程方程 连续性方程连续性方程能量方程能量方程 小结小结稳态稳流、绝热、不作轴功、不计重力位能的管道流动稳态稳流、绝热、不作轴功、不计重力位能的管道流动对水蒸气对水蒸气k为经验值为经验值2024/5/24 周五102 音速和马赫数音速和马赫数 音速音速 通常所说的音速指声波在空气中的传播速度通常所说的音速指声波在空气中的传播速度 音速不是固定的,与传播介质的音速不是固定的,与传播介质的物性物性、热力状态热力状态有关有关对理想气体,音速只与温度有关对理想气体,音速只与温度有关对对实实际际气气
7、体体音音速速a不不仅仅与与温温度度T 有有关关,还还与与气气体体的的压压力力P或或比比体体积积v有关有关 水蒸气水蒸气中的音速也借用上式计算,其中的中的音速也借用上式计算,其中的k值按前述值按前述经验值经验值选取选取 流流道道中中气气体体热热力力学学状状态态不不断断变变化化,沿沿程程不不同同截截面面上上音音速速各各不不相相同,对特定截面一般都强调为同,对特定截面一般都强调为“当地音速当地音速”。2024/5/24 周五11等熵过程中等熵过程中所以所以2024/5/24 周五12注意:注意:1)声速是状态参数,因此称当地声速。声速是状态参数,因此称当地声速。如空气,如空气,2)马赫数马赫数(Ma
8、ch number)(subsonic velocity)(supersonic velocity)(sonic velocity)亚声速亚声速声速声速超声速超声速0 =331.2m/s-20 =318.93m/s20 =343m/s2024/5/24 周五13 流速改变与压力变化的关系流速改变与压力变化的关系 对于流体可逆流动,过程的技术功可表达为对于流体可逆流动,过程的技术功可表达为3 促使流速改变的条件促使流速改变的条件 工程上常有将气流加速或加压的要求。例如:工程上常有将气流加速或加压的要求。例如:利用利用喷管喷管将蒸汽流加速,冲动汽轮机的叶轮作功;将蒸汽流加速,冲动汽轮机的叶轮作功;
9、喷喷气气式式发发动动机机则则利利用用喷喷管管将将气气流流加加速速后后喷喷出出,产产生生巨巨大大的的反反作作用力来推动装置运动用力来推动装置运动 通过通过扩压管扩压管利用气流的宏观运动动能令气流升压利用气流的宏观运动动能令气流升压 气气流流的的这这种种加加速速或或扩扩压压过过程程可可以以仅仅利利用用气气流流的的热热力力学学状状态态或或运运动状态变化来实现,无需借助其它机械设备动状态变化来实现,无需借助其它机械设备 2024/5/24 周五14 管道中流动气流不作轴功,忽略重力位能变化管道中流动气流不作轴功,忽略重力位能变化 讨论中的流体流速讨论中的流体流速c一般应为正值,一般应为正值,k、M2
10、也是正值也是正值式中式中dc与与dP反号反号气体的流速变化与其压力的变化方向相反气体的流速变化与其压力的变化方向相反气流加速气流加速c00压力压力P反之亦然反之亦然2024/5/24 周五15喷管喷管 喷管和扩压管喷管和扩压管气流通过后能令气流气流通过后能令气流P,c的流道的流道扩压管扩压管气流通过后能令气流气流通过后能令气流P ,c 的流道的流道 流速改变与流道截面积变化的关系流速改变与流道截面积变化的关系 气气流流速速度度与与压压力力的的反反方方向向变变化化需需通通过过管管道道截截面面积积有有规规律律地地变变化化来促成来促成。根据气体流动的连续性方程及绝热过程方程根据气体流动的连续性方程及
11、绝热过程方程 2024/5/24 周五16对于亚音速流(对于亚音速流(M1)气体的流速将随流道截面积反向变化气体的流速将随流道截面积反向变化 喷管喷管渐缩状渐缩状扩压管扩压管渐扩状渐扩状 0喷管喷管(P,c)亚音速流亚音速流(M1)扩压管扩压管(P,c)亚音速流亚音速流(M1)0气体的流速将随流道截面积同向变化气体的流速将随流道截面积同向变化 喷管喷管渐扩状渐扩状扩压管扩压管渐缩状渐缩状 根据以上讨论,显然渐缩喷管只能将气流加速至音速。根据以上讨论,显然渐缩喷管只能将气流加速至音速。喷管喷管(P,c)超音速流超音速流(M1)扩压管扩压管(P,c)超音速流超音速流(M1)气流在渐缩喷管出口截面上
12、达到当地音速时,对应有一极限出气流在渐缩喷管出口截面上达到当地音速时,对应有一极限出口压力口压力P2,此后,任由喷管出口外的介质压力,此后,任由喷管出口外的介质压力Pb下降,喷管出口下降,喷管出口截面上的气流压力仍维持为截面上的气流压力仍维持为P2。2024/5/24 周五18 气流在缩放喷管的喉部处达到当地音速气流在缩放喷管的喉部处达到当地音速 拉伐尔喷管拉伐尔喷管c=a 若想令气流从亚音速加速至超音速若想令气流从亚音速加速至超音速喷管截面积应喷管截面积应先收缩,后扩大先收缩,后扩大缩放喷管,亦称拉伐尔喷管缩放喷管,亦称拉伐尔喷管2024/5/24 周五194 喷管喷管(nozzle)计算计
13、算 通通常常依依据据喷喷管管进进口口处处的的工工质质参参数数(P1、t1)和和背背压压(Pb),并并在在给给定定流流率的条件下进行喷管的设计计算率的条件下进行喷管的设计计算 设计计算设计计算的目的在于确定喷管的形状和尺寸的目的在于确定喷管的形状和尺寸 校校核核计计算算的的目目的的则则在在于于预预测测各各种种条条件件下下的的喷喷管管工工作作情情况况,即即确确定不同情况下喷管的流量和出口流速定不同情况下喷管的流量和出口流速 流速计算流速计算 2024/5/24 周五20喷管出口速度喷管出口速度 对喷管,由能量方程对喷管,由能量方程一般喷管进口处的气流速度远小于出口速度一般喷管进口处的气流速度远小于
14、出口速度(c1 c2)(任何工质,不论可逆与否)(任何工质,不论可逆与否)对于定比热容理想气体对于定比热容理想气体 h0、h1、h2分别取决于喷管进、出口处气流的热力状态分别取决于喷管进、出口处气流的热力状态2024/5/24 周五21初、终状态与流速的关系初、终状态与流速的关系 对于对于定比热容理想气体、定比热容理想气体、可逆绝热可逆绝热流动过程流动过程 或或喷管出口流速喷管出口流速c2取决于气流的初态及气流在出口截取决于气流的初态及气流在出口截面上的压力面上的压力P2对滞止压力对滞止压力P0之比之比当初态一定时,当初态一定时,c c2则仅取决于则仅取决于(P2/P0)式中式中T0、P0、v
15、0为滞止参数,取决于气流的初态为滞止参数,取决于气流的初态c1较小时,可用喷管进口压力较小时,可用喷管进口压力P1代替代替P02024/5/24 周五22 c2随随(P2/P0)的变化关系如图示的变化关系如图示(P2/P0)=1时,时,c2=0(P2/P0)从从1逐渐减小时,逐渐减小时,c2增大增大气体不会流动气体不会流动初期增加较快,以后则逐渐减缓初期增加较快,以后则逐渐减缓 理论上当理论上当 P2=0时,时,c2将达到将达到 c2,max 实际上,实际上,P20时,比体积时,比体积v2要求喷管出口截面无穷大要求喷管出口截面无穷大c2随随(P2/P0)的变化关系的变化关系此流速此流速不可能达
16、到不可能达到 2024/5/24 周五23临界流速和临界压力比临界流速和临界压力比 气流在喉部截面处达到当地音速气流在喉部截面处达到当地音速该该截截面面称称为为临临界界截截面面,截截面面上上的的气气流流参参数数相相应应称称为为:临临界界压压力力Pcr、临界比体积临界比体积vcr 临界流速临界流速(ccr)ccr=a 临界流速临界流速ccr与临界压力与临界压力Pcr应有以下关系:应有以下关系:Ccr等于当地音速等于当地音速a 缩放喷管的最小截面处称为喷管的喉部缩放喷管的最小截面处称为喷管的喉部缩放喷管缩放喷管两式合并两式合并2024/5/24 周五24由过程方程由过程方程 定义定义 临界压力比临
17、界压力比气流速度达到当地音速时的压力与滞止压力之比气流速度达到当地音速时的压力与滞止压力之比 以上为以上为定比热容定比热容理想气体理想气体可逆绝热流动可逆绝热流动过程的分析结论过程的分析结论 上式整理,得上式整理,得2024/5/24 周五25临界压力比临界压力比cr仅与气体的热容比仅与气体的热容比k有关有关 仅取决于气体的性质;仅取决于气体的性质;对变比热容理想气体对变比热容理想气体k值应按平均比热容确定;值应按平均比热容确定;对水蒸气对水蒸气k为经验数值而非热容比为经验数值而非热容比 对双原子气体对双原子气体k=1.4,临界压力比,临界压力比cr=0.528 如取如取:过热汽的过热汽的k=
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