第九章 气体和蒸汽的流动 工质流动所具有的宏观动能在工程上占有非常重要的地位。

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1 第九章 气体和蒸汽的流动 工质流动所具有的宏观动能在工程上占有非常重要的地位。
如航空喷气发动机、火箭发动机就是利用喷管产生的强大动能推动飞机和火箭运动的， 叶轮式压气机中，外界输入的功先使工质的动能提高，然后再依靠扩压管的作用把动能转化成压力。 本章研究以速度为主要状态参数的喷管和扩压管的能量转换规律。

2 本章主要内容 1、研究气体流动基本方程 2、 研究气体在管内流动的基本特性 3 、 喷管设计计算 质量守恒方程 能量守恒方程 过程方程
状态参数变化 的规律 气流速度变化 能量转换 喷管选型、临界压力、临界流速、出口流速、质量流量等 3 、 喷管设计计算

3 = const §9.1 一维绝热稳定流动的基本方程 1、稳态稳流概念 2、几个基本方程 (1) 连续性方程 3、音速与马赫数
§9.1 一维绝热稳定流动的基本方程 1、稳态稳流概念 2、几个基本方程 (1) 连续性方程 (2) 绝热稳定流动能量方程 (3) 定熵过程方程式 3、音速与马赫数 = const (1) 音速 (2) 马赫数 理想气体定熵流动：

4 §9.2 定熵流动的基本特性 1、气体流速变化与状态参数间的关系 2、管道截面变化的规律

5 §9.3 喷管中流速及流量计算 1、定熵滞止参数 2、喷管的出口流速 3、临界压力比及临界流速 4、流量与临界流量 5、喷管的设计计算

6 §9.1 一维绝热流动的基本方程 稳态稳流(稳定流动) 1、稳态稳流概念 2、几个基本方程 绝热稳定流动能量方程 定熵过程方程 连续性方程
§9.1 一维绝热流动的基本方程 1、稳态稳流概念 稳态稳流(稳定流动) 恒定的流量 状态不随时间变化 2、几个基本方程 绝热稳定流动能量方程 定熵过程方程 连续性方程

7 (1) 连续性方程 由稳态稳流特点

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9 连续性方程： 适用于：任何工质的可逆与不可逆的一一维稳定流动过程。

10 (2) 绝热稳定流动能量方程 适用于：任何工质 的可逆和不可逆绝热稳定流动过程。
表明：工质在绝热不作外功的稳定流动中，任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，气体动能的增加等于气流的焓降。 适用于：任何工质 的可逆和不可逆绝热稳定流动过程。

11 (3) 定熵过程方程式 可逆绝热过程方程式 适用条件: 理想气体 定比热 可逆 微分 变比热时k取 过程范围内的平均值

12 定义式: 定熵过程 3、 音速与马赫数 (1) 音速 微小扰动在流体中的传播速度. 压力波的传播过程可作定熵过程处理
适用于：理想气体定熵流动 只随绝对温度而变

13 (2) 马赫数 定义式 三种音速 气体流速 当地音速 M>1 超音速 supersonic velocity M=1 临界音速
subsonic velocity 在10000m高

14 §9.2 定熵流动的基本特性 1、气体流速变化与状态参数间的关系 2、管道截面变化的规律

15 dc>0 dp<0 dc < 0 dp > 0
§9.2 定熵流动的基本特性 1、气体流速变化与状态参数间的关系 绝热稳定流动能量方程： 喷管中的 流动特性 可见气体在管道内作定熵流动时： 导致 dc>0 dp<0 扩压管中 的流动特性 导致 dc < 0 dp > 0

16 2、管道截面变化的规律 连续性方程：

17 亚音速流动时： 渐扩喷管 超音速流动时： 先 然后增大到 则： 渐缩渐扩喷管，

18 喉部，临界截面

19 2

20 §9.3 喷管中流速及流量计算 这一节的主要目的： 及使用条件。 求出口流速和流量并选择喷管的外形尺寸。 喷管的计算 化时的流量和流速。
1、设计：根据已给的流动条件，(初态和终压)。 求出口流速和流量并选择喷管的外形尺寸。 喷管的计算 2、校核：根据喷管的外形尺寸， 求工况变 化时的流量和流速。 这一节的主要目的： 根据稳定流动的基本方程来确定它们的计算公式 及使用条件。

21 1、定熵滞止过程及定熵滞止参数、 （1）定义： （2）参数表达式 气体在定熵流动过程中，因受到某种物体的阻碍流速降低为零的过程。
下角标为0的是定熵滞止参数 下角标为1的是进口参数

22 滞止状态是工程上常见的一种真实状态。例如：当气体绕流钝体表面时，在钝体迎风面上正对气流的点上，气流速度将阻滞为零。这点称为“滞止点”或“驻点”。
在大气飞行器的头部、机翼的迎风面上就属于这种情况。 特别是当航天飞行器返回大气时，由于Ma数很高，其迎风面上将承受很高的温度，能达到数千乃至上万摄氏度的高温。所以要使航天飞行器成功返回地面，必须进行热防护。

23 不必 作精确计算时，

24 2、喷管的出口流速

25 ⑴适用稳流，绝热、一切工质、可逆与不可逆过程。
⑵理想气体 ⑶水蒸汽：查h-s图确定

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27 3、临界压力比及临界流速 理想气体的定熵流动，在亚音速到超音速的转变过程中，在渐缩渐扩喷管的喉部M=1, 喉部压力为临界压力pc,
渐缩渐扩喷管的喉部压力为临界压力， （9-16） 故其临界流速为：

28 3、临界压力比及临界流速

29 3、临界压力比及临界流速

30 3、临界压力比及临界流速 （适用于理想气体定熵流动） 亦可：

31 3、临界压力比及临界流速 对于定比热容理想气体的定熵过程： 故在临界截面处：

32 一般通过计算最小截面或出口截面的质量流量
4、流量与临界流量 由连续性方程知，各个截面的质量流量相等 一般通过计算最小截面或出口截面的质量流量 1 2 （1）渐缩喷管的质量流量计算 c2

33 ，和背压有关。 1 2 背压：喷管出口处的环境压力。 注意 的取值 气流在喷管内可以充分膨胀。 Pc到pb的过程在喷管外进行。

34 （2）渐缩渐扩喷管的流量计算 正常工作时

35 5、喷管的设计计算 出发点： ⑴喷管形式选择 ⑵喷管尺寸计算 渐缩喷管 渐缩渐扩喷管 渐缩渐扩喷管的最小截面积（喉部）为
根据经验，渐扩段长度l为:

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41 § 9.5 具有摩擦的流动 消耗一部分动能 速度系数 实际出口速度 定义式 定熵过程出口速度 大致在0.94至0.98之间 喷管效率
§ 9.5 具有摩擦的流动 速度系数 消耗一部分动能 实际出口速度 定义式 定熵过程出口速度 大致在0.94至0.98之间 喷管效率 一般在0.9至0.95之间

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45 定义：气体在管道中流过突然缩小的截面， 而又未及与外界进行热量交换的过程 特点：绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是等焓过程。
§ 绝热节流 定义：气体在管道中流过突然缩小的截面， 而又未及与外界进行热量交换的过程 特点：绝热节流过程前后的焓相等，但整个过程绝不是等焓过程。 在缩孔附近，流速 ，焓 不可逆性： 流体在通过缩孔时动能增加，压力下降并产生强烈扰动和摩擦。扰动和摩擦的不可逆性，导致整个过程的不可逆性。

46 绝热节流前后参数的变化 (1) 对理想气体 温度不变 焓不变 压力下降 比容增加 熵增加 注:理想气体的焓 是温度的单值函数

47 (2) 对实际气体 节流前后焓不变,温度不一定不变 绝热节流温度效应 热效应 零效应 冷效应 温度降低 温度不变 温度升高
(2) 对实际气体 节流前后焓不变,温度不一定不变 绝热节流温度效应 热效应 零效应 冷效应 温度降低 温度不变 温度升高 温度效应只与气体的性质有关,与其状态无关

48 本章作业 P182：9-1、9-3、9-4