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1、第八章 气体与蒸汽的流动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。研究内容：主要研究流体流过变截面短管（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。基本要求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。稳定流动：流体在流经空间任何一点时，其全
2、部参数都不随时间而变化的流动过程。简化假设：8－1稳定流动的基本方程式一、连续性方程稳定流动中，任一截面的所有参数均不随时间而变，故流经一定截面的质量流量应为定值，不随时间而变。如图取截面1－1和2－2，两截面的质量流量分别为qm1、qm2，流速cf1、cf2，比体积为v1和v2，截面积A1、A2根据质量守恒定律：微分：以上两式为稳定流动的连续方程式。它描述了流道内的流速、比体积和截面积之间的关系。普遍适用于稳定流动过程。1）对于不可压流体（dv=0），如液体等，流体速度的改变取决于截面的改变，截面积A与流速cf成反比；2）对于气体等
3、可压流，流速的变化取决于截面和比体积的综合变化。结论：二、稳定流动能量方程式由流动能量方程：不计位能，无轴功，绝热，则：微分上式：喷管内流动的能量变化基本关系式。1、气体动能的增加等于气流的焓降2、任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，把两者之和定义为一个参数：总焓或滞止焓h0结论：气体在绝热流动过程中，因受到某种阻碍流速降为零的过程。在绝热滞止时的温度和压力称为滞止温度T0和滞止压力p0。若过程为定熵滞止过程：绝热滞止过程：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
4、是连续变化；4）不计摩擦和扰动；三、过程方程式则过程是可逆绝热过程。任意两截面上气体的状态参数可用可逆绝热过程方程式描述，对理想气体（定比热容）有：微分上式，得：Ma＜1亚声速Ma＝1气流速度等于当地声速Ma＞1超声速四、音速方程对于理想气体得：马赫数：气体的流速与当地声速的比值。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。由流体力学的观点可知，要使工质的流速改变，可通过以下两种方法达到：1）截面积不变，改变进出口的压差－力学条件；2）固定压差，改变进出口截面面积－几何条件。－、力学条件联立流动能量
5、方程式和热力学第一定律表达式：可得：微分式：结论：dcf、dp的符号始终相反，即：气体在流动过程中流速增加，则压力下降；如压力升高，则流速必降低。Ma<1时，dv/v1时，dv/v>dcf/cf二、几何条件该式揭示了定熵流动中气体比体积变化率和流速变化率之间的关系：结论：当流速变化时，气流截面积的变化规律不但与流速的变化有关，还与当地马赫数有关。Ma<1,亚声速流动,dA<0,截面收缩；Ma=1,声速流动,dA=0,截面缩至最小；Ma＞1,超声速流动,dA>0,截面扩张；对于喷管（dcf>0)时，截面形状与流速间的
6、关系：缩放喷管（拉伐尔喷管）：缩放喷管可实现气流从亚声速变为超声速，在喷管最小截面（喉部截面或临界截面）处Ma=1，在临界截面处的参数称为临界参数（以下标cr表示），如：喷管内参数变化示意图Ma＞1,超声速流动,dA<0,截面收缩；Ma=1,声速流动,dA=0,截面缩至最小；Ma＜1,亚声速流动,dA>0,截面扩张；对于扩压管管（dcf＜0)：8－3喷管的计算喷管的计算：喷管的设计计算：据给定条件（气流初参数、流量及背压），选择喷管的外形及确定几何尺寸。喷管的校核计算：已知喷管的形状和尺寸及不同的工作条件，确定出口流速和通过喷管的流量
7、。一、流速计算及其分析1、计算流速的公式：出口流速：不计cf1，则假设：1）理想气体；2）定值比热容；3）流动可逆；4）满足几何条件。2、状态参数对流速的影响在初态确定的条件下：当p2＝0时，出口速度达最大，即：此速度实际上是达不到的，因为压力趋于零时比体积趋于无穷大。3、临界压力比在临界截面上：定义临界压比：双原子气体：k=1.4γcr=0.528过热蒸汽：k=1.3γcr=0.546干饱和蒸汽：k=1.135γcr=0.577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
8、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。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
