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第五章 热工基础的应用. 1. 2. 1. 2. 第一节 喷管和扩压管. 本章研究气体和蒸气在变截面短管内的流动。最后获得 喷管和扩压管的流动规律 . 先分析可逆流动，然后对不可逆过程进行修正。 流动为一元流动。 先分析理想气体过程，再分析蒸气过程。. 一 稳定流动的基本方程式. 1 、质量守恒方程. （ 5---1b). 对上式进行微分得. 2 、能量守恒方程. 对于稳定流动过程有. 对于变截面短管内的流动有. 对于微元过程有. 可逆时. 0. T. 1. s.
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1 2 1 2 第一节 喷管和扩压管 • 本章研究气体和蒸气在变截面短管内的流动。最后获得 • 喷管和扩压管的流动规律. • 先分析可逆流动，然后对不可逆过程进行修正。 • 流动为一元流动。 • 先分析理想气体过程，再分析蒸气过程。 一 稳定流动的基本方程式 1、质量守恒方程
（5---1b) 对上式进行微分得 2、能量守恒方程 对于稳定流动过程有 对于变截面短管内的流动有 对于微元过程有 可逆时
0 T 1 s 流动过程中, 当 c= 0 的点称为滞止点，相应的参数称为滞止参数。 对于理想气体有
3、过程方程 对于理想气体可逆过程 微分后得 4、状态方程
5、声速和马赫数 由物理学可知，声音在介质中传播的速度为 对于理想气体定熵过程 所以 马赫数定义为 当 M < 1 时 亚声速流动 当 M > 1 时 超声速流动 当 M = 1 时 声速流动
二 流动的特征方程 由能中方程 可得 或 上式两边同除于 c2, 并对方程右边分子和分母同乘以κp得： (力学条件)
（5---1b) 由过程方程式 得 将上式代入质量守恒方程 得 上式称为流动的特征方程。
dA < 0渐缩 Ｍ< 1 dA > 0渐扩 Ｍ> 1 Ｍ≤ 1 Ｍ ≥ 1 dA = 0 Ｍ> 1 Ｍ< 1 Ｍ= 1 缩放 dA < 0 dA > 0 分析特征方程 １、当沿流动方向定熵膨胀，压力降低，流速增加时； 即(T↓、p ↓ 、c↑)（dc> 0 喷管) 当Ｍ< 1时，dA < 0, 气流截面收缩； 当Ｍ= 1时，dA = 0, 气流截面收至最小； 当Ｍ> 1时，dA > 0, 气流截面扩张；
dA < 0渐缩 Ｍ> 1 dA > 0渐扩 Ｍ< 1 Ｍ≥ 1 Ｍ≤ 1 dA = 0 Ｍ< 1 Ｍ> 1 Ｍ= 1 缩放 dA < 0 dA > 0 ２、当沿流动方向定熵压缩，流速减小，压力上升时； 即(T↑、p ↑ 、c↓)（dc < 0 ,dp > 0 扩压管)
(临界截面) pcrTcr ccr = cfcr p p c ca dA < 0渐缩 Ｍ< 1 ca Ｍ≤ 1 dA = 0 c Ｍ> 1 Ｍ< 1 Ｍ= 1 x x dA < 0 dA > 0 流体被加速时，沿流动方向流体参数的变化规律 (dcf > 0)
２ １ １ ２ ２ １ １ ２ Ｍ< 1 Ｍ≤ 1 dA = 0 Ｍ> 1 Ｍ< 1 Ｍ= 1 dA < 0 dA > 0 三 喷管 喷管：用于加速气流的管道称为喷管。 ２、缩放喷管（拉伐尔喷管） １、渐缩喷管
1、喷管的流速计算及分析（主要是出口截面的流速计算与分析）1、喷管的流速计算及分析（主要是出口截面的流速计算与分析） 由 可得 对于出口截面 当 c1 << c2时
cf p2/p0 0 3/4 １ 1/4 1/2 对于理想气体可逆过程
在缩放喷管的最小截面, 即临界截面处有 则 νcr称为临界压比 从上式可推得
qm b c a p2/p0 1/2 0 1 2、喷管的流量计算 对于渐缩喷管 对于缩放喷管
3、喷管的设计 在给定流量qm，初始参数 p1、t1 、 c1、及背压 pb (喷管出口处环境压力)，设计一喷管。设计的原则是充分利用给定的压差Δp = p1－ pb , 获得尽可能高的流速。 (1)、求滞止参数 (2)、选择喷管类型, 确定出截面上的压力.
１ ２ 0 ２ T １ 1 M < 1 Ｍ≤ 1 2 s (3)、计算出口截面参数及最小截面参数 1) 若选择的是渐缩喷管,则出口截面就是最小截面
２ １ １ ２ dA = 0 Ｍ> 1 Ｍ< 1 Ｍ= 1 dA < 0 dA > 0 2) 若选择的是缩放喷管
pb １ ２ p2 p ２ 设计工况 １ pb > pcr p1 p2 pb = pcr pb < pcr x **、背压变化对喷管流动的影响 以上喷管的设计原则是让喷管的出口压力等于背压，这样就能在喷管中充利用压差来加速气流速度。但当背压发生变化时，流动会发生怎样的变化呢？ (1)、渐缩喷管 当 pb ↓，但 pb ≥ pcr =νcr×p0时，p2 = pb , 喷管正常工作； 当 pb ↓，且 pb < pcr时， p2 = pcr , 有压差Δp = pcr－ pb没有被充分利用来加速气流，故喷管在非正常下工作。 （原因在于渐缩喷管出口的流速最大只能达到当地声速，即马赫数最大达到1，所以出口截面的压力最低只能下降到 p2 = pcr 。）
p pb > p2 pb = p2 p2 p1 Ｍa = 1 pb < p2 x (2)、缩放喷管 假定设计后缩放喷管的出口压力为p2d = pb 当 pb ↑，即pb > p2d 时，p2随着pb的增加而增加，并有p２＝ pb, 喷管内部出现压力突变(产生激波)，喷管处于非正常工况； 当 pb ↓，即pb < p2d时， p2 = p2d , 有压差Δp = p2d-pb没有被充分利用来加速气流，故喷管在非正常下工作。
4、喷管流动的校核计算 校核计算主要是渐缩喷管的校核计算。 一般情况是给定喷管进口参数，出口截面面积及背压，计算出口截面参数及流量，即已知 p1、T1、A2、pb，求 p2、T2、v2、c2、qm。 (1)、求滞止参数 (2)、确定出截面上的压力 p2
T 1 2′ 2 s 四 有摩阻的绝热流动（不可逆绝热流动） 不可逆因素的大小用速度系来衡量，定义为 也可以用能量损失系数表示，定义为
2 1 1 2 h 1 2 2s s 五 绝热节流 绝热节流前后的参数变化为 对于理想气体，绝热节流后T2=T1，对于实际气节流后温度如何变化？ 由一般关系式 dh = 0 时
由于dp < 0，节流后温度的变化取决于 μJ 称为焦尔—汤姆逊系数,也称为节流的微分效应。
转回曲线 T Ti,max μJ > 0 冷效应区 μJ < 0 热效应区 图8－１３ 转回曲线 Ti,min p
例题 空气流经一出口截面面积为A2= 10 cm2的渐缩喷管，喷管进口空气的参数 p1= 2.0 MPa、t1=80℃、cf1=150m/s，背压pb=0.8 MPa,试求喷管出口处空气的流速和流经喷管的空气流量。若喷管的速度系数为0.96，喷管的出口流速的流量又为多少？ T0=364.2K p0=2.231MPa p2=1.178 MPa T2=303.5K v2=0.07394 m3/kg c2=349.1 m/s qm=4.721 kg/s c2’=33.5.14 m/s T2’ =308.3 K v2’=0.0751 m3/kg qm’=4.462 kg/s
第二节压气机的热力过程 产生压缩气体的设备称为压气机。压气机消耗机械能使气体压力升高 压气机的分类 1、按压力范围分 通风机（0.01MPa表压以下） 鼓风机（0.1～0.3MPa表压） 压缩机（0.3MPa表压以下） 2、按工作原理分 活塞式压气机 叶轮式压气机 共同点：消耗功，使气体压力升高。
p p2 2 g p1 1 f V 0 V2 V1 Wsh Wc 一 单级活塞式压气机 1、工作原理 f －1 气体被吸入气缸 (状态参数不变） 1－2 气体在气缸内被压缩 （状态参数发生变化） 2－g 气体被推出气缸 (状态参数不变）
进入系统的能量: 流出系统的能量: 系统的能量方程为: 2、压气机的耗功 在完成一个吸气、压缩、排气过程中，热力系与外界交换的功为： f －1 －2 －g 过程中： 系统能量的增加:ΔE=0
１、可逆绝热压缩 Wsh ２、可逆多变压缩 Wc ３、可逆定温压缩 定义压气机的耗功Wc=－Ｗs 在忽略动能和势能变化时有： Wc=－Ｗsh≈ －Ｗt 在可逆情况下
p2 T p 2s 2T 2n 2s g p1 p2 2n 2T 1 f 1 p1 j v m n s p－v 及 T-s 图
p 2" p2 " p 3 2 2' 3' p2 ' g 2 3 g p2 1 f 4 1 f 4 4' V 0 V1 Vc V4 0 V Vc V Vh 3、余隙容积对压气机的影响 Ｖc称为余隙容积。 Ｖ＝Ｖ1－Ｖ4 称为有效吸气容积。 Ｖh＝Ｖ1－Ｖ３ 为气缸排量。
结论 活塞式压气机余隙容积的存在并不影响压气机的耗功，但使产气量减小。
二 叶轮式压气机 1、工作原理 加速－扩压－再加速－再扩压
2、压气机的耗功 对于理想气体 过程可逆时 过程不可逆时 不可逆过程多耗的功
压气机的绝热效率 对于理想气体，定比热容
采用两级压缩、级间冷却，并假定两级的多变指数相等，T2’=T1 , 则压气机的耗功为 得最隹中间压力为
最佳压比 每级耗功 总耗功 如果有m级，则
多级压缩、级间冷却的优点 (l）每级压气机所需的功相等，这样有利于压气机曲轴的平衡； (2）每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，这样每个 气缸的温度条件相同； (3) 每级向外排出的热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排 出的热量也相等。 此外，还有各级的气缸容积按增压比递减，等等。
第三节 气体动力循环 燃气轮机 内燃机: 汽油机 柴油机 一 汽油机 1、汽油机的实际工作循环
0－1’ 吸气 1’－2 压缩 2－3 燃烧放热 3－4 膨胀作功 ４－ 1’’ －０ 排气阀打开，排气
2、循环的简化及理想循环 (1)、忽略进排气压差 (2)、循环中工质具有空气的热性质。 (3)、燃烧放热过程简化为外热源供 热，放热简化为容放热。 (4)、压缩和膨胀简化为可逆绝热 经简化后，变为由二个定容过程和两个定熵过程组成的闭式循环。此循环称为定容加热理想循环。
s s v v T ３ p ３ ２ ４ ２ ４ １ s １ v p－v及 T－s图 循环计算 循环热效率
