1第九章氣體和蒸氣的流動(dòng)1第九章2

以后我們常常會(huì)遇到氣體或蒸氣在管道內(nèi)流動(dòng)的問題，則其能量轉(zhuǎn)化問題更復(fù)雜，除了具有內(nèi)能外，還有動(dòng)能和位能。本章主要討論氣體在噴管和擴(kuò)壓管中的流動(dòng)問題。

第一節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式

穩(wěn)定流動(dòng)（定常流動(dòng)）——流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)過程。一維穩(wěn)定流動(dòng)一、一維穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程：2以后我們常常會(huì)遇到氣體或蒸氣在管道內(nèi)流動(dòng)的問3對(duì)于不可壓縮流體：ρ（v）是常數(shù)，則：3對(duì)于不可壓縮流體：ρ（v）是常數(shù)，則：4二、能量方程式：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：這就是一維穩(wěn)定絕能流動(dòng)的能量方程4二、能量方程式：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：這就是一維穩(wěn)定絕5三、過程方程式：5三、過程方程式：6

第二節(jié)音速一、音速：

流場(chǎng)中任何擾動(dòng)都將以壓力波（壓強(qiáng)波）的形式向四周傳播。微小壓力擾動(dòng)（小擾動(dòng)、弱擾動(dòng)）在流體中的傳播速度稱為音速（聲速）。mnadcC=0P、T若活塞向右產(chǎn)生一個(gè)微小的速度dc,即在活塞的右邊引起一個(gè)微小擾動(dòng)。它首先使6第二節(jié)7

由此可見，音速的大小取決于流體的壓縮性。壓縮性越大，音速越?。?/p>

15℃的空氣中，a＝340.1m/s；15℃的純水中，a＝1449m/s；鋼中約5000m/s緊靠活塞的一層流體產(chǎn)生一個(gè)壓力增量dp,密度增量dρ，溫度增量dT。然后這層流體又將擾動(dòng)傳給下一層流體，形成一個(gè)擾動(dòng)面mn，稱為波前，它的推進(jìn)速度a，就是音速。實(shí)際上就是微弱擾動(dòng)波的傳播速度。7由此可見，音速的大小取決于流體的壓縮性。壓8

由于壓力波傳播速度很快，來不及和外界交換熱量，且壓力波在空氣中擾動(dòng)微弱，內(nèi)摩擦作用小到可忽略不計(jì)，因此聲音的傳播過程可看作定熵過程：

理想氣體的音速只與T有關(guān)，即隨環(huán)境條件而變化。8由于壓力波傳播速度很快，來不及和外界交換熱量9二、馬赫數(shù)：氣體的流動(dòng)速度c與當(dāng)?shù)匾羲賏之比，稱為馬赫數(shù)三、微弱擾動(dòng)波在氣體介質(zhì)中的傳播：1.聲音在靜止氣體中的傳播（c=0,M=0）球面波半徑

R=at(m)同心球面波在任何位置都能聽到擾動(dòng)源發(fā)出的聲音。O9二、馬赫數(shù)：氣體的流動(dòng)速度c與當(dāng)?shù)匾羲賏之比，稱為馬赫數(shù)三102.亞音速氣流中聲音的傳播（0<c<aM<1）

小擾動(dòng)的傳播速度為（c＋a），而c<a,故擾動(dòng)面是由一串不同心球面所組成：球面波半徑

R＝at

球面波圓心距O的距離x＝ctOx102.亞音速氣流中聲音的傳播（0<c<aM<1）113.聲音在音速流中的傳播（c＝a，M＝1）球面波半徑R=at=xOx禁訊區(qū)113.聲音在音速流中的傳播（c＝a，M＝1）球面波半徑Ox12

超音速飛機(jī)在天上飛行時(shí)，人只有處于它的馬赫錐之內(nèi)，才能聽到它發(fā)出的聲音4.聲音在超音速氣流中的傳播（c>a

M>1）禁訊區(qū)O馬赫錐球面波半徑R=at小于x12超音速飛機(jī)在天上飛行時(shí)，人只有處于它的馬赫錐之內(nèi)，才能13第三節(jié)三種特定狀態(tài)一維穩(wěn)定絕能流動(dòng)的能量方程式：13第三節(jié)三種特定狀態(tài)一維穩(wěn)定絕能流動(dòng)的能量方程式：14一、定熵滯止?fàn)顟B(tài)：1.定義：氣體從任意狀態(tài)（P、T、ρ……）經(jīng)可逆絕熱過程（定熵）將速度減小到零的狀態(tài)，稱為定熵滯止?fàn)顟B(tài)（滯止?fàn)顟B(tài)）。可以設(shè)想，氣體從任意狀態(tài)（P、T、ρ……）下經(jīng)一特殊的噴管出流達(dá)到速度為零時(shí)（定熵出流），所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)即為定熵滯止?fàn)顟B(tài)：h0P0T014一、定熵滯止?fàn)顟B(tài)：1.定義：氣體從任意狀態(tài)（P、T、ρ…152、滯止焓（總焓）：對(duì)于定熵流動(dòng)來說，總焓是守恒的。兩個(gè)截面的定熵滯止?fàn)顟B(tài)相同。152、滯止焓（總焓）：對(duì)于定熵流動(dòng)來說，總焓是守恒的。兩個(gè)163.滯止溫度：總溫靜溫動(dòng)溫

如果直接用溫度計(jì)去測(cè)量高速流動(dòng)的氣流的溫度，測(cè)得的是總溫。對(duì)于飛行器頂部，會(huì)形成一個(gè)滯止點(diǎn)（駐點(diǎn)），溫度很高，必須考慮。163.滯止溫度：總溫靜溫174.滯止壓力：測(cè)量壓力時(shí)，若迎著來流方向，測(cè)得的是總壓。如用皮托管測(cè)壓。5.靜參數(shù)與總參數(shù)的比值：174.滯止壓力：測(cè)量壓力時(shí)，若迎著來流方向，測(cè)得的是總壓。181819二、最大速度狀態(tài)：

假設(shè)另一極限情況：假定某一截面上氣流的壓力等于零（P＝0，則T＝0，h=0，a＝0……）于是這個(gè)截面上氣流的流速就達(dá)到最大值cmax，這個(gè)狀態(tài)就稱為最大速度狀態(tài)（完全真空）。

這時(shí)氣流的熱能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，即氣體分子的運(yùn)動(dòng)全部停止，這是不可能的。19二、最大速度狀態(tài)：假設(shè)另一極限情況：假定某一截面上氣20

把兩個(gè)極限狀態(tài)聯(lián)系起來有：

對(duì)于給定氣體，cmax取決于總溫T0，和實(shí)際流動(dòng)過程無關(guān)。20把兩個(gè)極限狀態(tài)聯(lián)系起來有：21三、臨界狀態(tài)：

就是M＝1的狀態(tài)，即此截面上氣流的速度c等于當(dāng)?shù)匾羲賏，這個(gè)狀態(tài)即是臨界狀態(tài)。所對(duì)應(yīng)的參數(shù)稱為臨界參數(shù)，以下標(biāo)cr表示。臨界參數(shù)和總參數(shù)之比稱為臨界參數(shù)比（1）臨界溫度比：21三、臨界狀態(tài)：就是M＝1的狀態(tài)，即此截面22（2）臨界壓力比：（3）臨界密度比：可判斷氣流是亞音速還是超音速流動(dòng)22（2）臨界壓力比：（3）臨界密度比：可判斷氣流是亞音速還23

第四節(jié)氣體的出口流速一、出口流速二、經(jīng)收縮形噴管的出流23第四節(jié)氣體的出口流速一、出口流24第五節(jié)獲得超音速氣流的條件一、內(nèi)部條件（密度變化率與速度變化率的關(guān)系）：這就是獲得超音速氣流的內(nèi)部條件：必須是可壓縮的氣體。二、幾何條件（斷面積變化率與速度變化率的關(guān)系）：24第五節(jié)獲得超音速氣流的條件一、內(nèi)部條件（密度變化率與252526

若使M=1，則dA＝0是最小截面處

亞音速流時(shí)要通過收縮形噴管加速，超音速流時(shí)要通過擴(kuò)張形噴管加速。所以必須采用先收縮后擴(kuò)張的拉瓦爾噴管——幾何條件。三、壓力條件（壓力變化率與速度變化率的關(guān)系）：26若使M=1，則dA＝0是最小截面處27

第六節(jié)質(zhì)量流量一、收縮形噴管的質(zhì)量流量：1.亞臨界流量：

當(dāng)最小截面上氣體的流速低于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)（M<1），氣體的流量稱為亞臨界流量。27第六節(jié)282829由公式可得下圖：2.臨界流量：

如果最小截面上氣流速度達(dá)到音速，則通過噴管的質(zhì)量流量稱為臨界流量。也即是最大質(zhì)量流量。（同時(shí)速度也最大）B1AOC29由公式可得下圖：2.臨界流量：如果最小截30二、拉瓦爾噴管的質(zhì)量流量：

氣流經(jīng)過喉口后，流速會(huì)增加，壓力會(huì)降低，但質(zhì)量流量不會(huì)改變，和喉口部位的相同。30二、拉瓦爾噴管的質(zhì)量流量：氣流經(jīng)過喉口后，31例:已知氧氣總壓為10atm,通過噴管和爐膛相連接,爐膛內(nèi)的壓力為1.2atm,氧氣總溫為288K,每秒供氧量0.715Kg,求噴管的主要尺寸。解：1、求壓力比：2、求臨界參數(shù)3、求出口參數(shù)4、求臨界斷面積和直徑5、求出口斷面積和直徑31例:已知氧氣總壓為10atm,通過噴管和爐膛相連接,爐膛32第九章完32第九章完33第九章氣體和蒸氣的流動(dòng)1第九章34

以后我們常常會(huì)遇到氣體或蒸氣在管道內(nèi)流動(dòng)的問題，則其能量轉(zhuǎn)化問題更復(fù)雜，除了具有內(nèi)能外，還有動(dòng)能和位能。本章主要討論氣體在噴管和擴(kuò)壓管中的流動(dòng)問題。

第一節(jié)穩(wěn)定流動(dòng)的基本方程式

穩(wěn)定流動(dòng)（定常流動(dòng)）——流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)過程。一維穩(wěn)定流動(dòng)一、一維穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程：2以后我們常常會(huì)遇到氣體或蒸氣在管道內(nèi)流動(dòng)的問35對(duì)于不可壓縮流體：ρ（v）是常數(shù)，則：3對(duì)于不可壓縮流體：ρ（v）是常數(shù)，則：36二、能量方程式：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：這就是一維穩(wěn)定絕能流動(dòng)的能量方程4二、能量方程式：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：這就是一維穩(wěn)定絕37三、過程方程式：5三、過程方程式：38

第二節(jié)音速一、音速：

流場(chǎng)中任何擾動(dòng)都將以壓力波（壓強(qiáng)波）的形式向四周傳播。微小壓力擾動(dòng)（小擾動(dòng)、弱擾動(dòng)）在流體中的傳播速度稱為音速（聲速）。mnadcC=0P、T若活塞向右產(chǎn)生一個(gè)微小的速度dc,即在活塞的右邊引起一個(gè)微小擾動(dòng)。它首先使6第二節(jié)39

由此可見，音速的大小取決于流體的壓縮性。壓縮性越大，音速越?。?/p>

15℃的空氣中，a＝340.1m/s；15℃的純水中，a＝1449m/s；鋼中約5000m/s緊靠活塞的一層流體產(chǎn)生一個(gè)壓力增量dp,密度增量dρ，溫度增量dT。然后這層流體又將擾動(dòng)傳給下一層流體，形成一個(gè)擾動(dòng)面mn，稱為波前，它的推進(jìn)速度a，就是音速。實(shí)際上就是微弱擾動(dòng)波的傳播速度。7由此可見，音速的大小取決于流體的壓縮性。壓40

由于壓力波傳播速度很快，來不及和外界交換熱量，且壓力波在空氣中擾動(dòng)微弱，內(nèi)摩擦作用小到可忽略不計(jì)，因此聲音的傳播過程可看作定熵過程：

理想氣體的音速只與T有關(guān)，即隨環(huán)境條件而變化。8由于壓力波傳播速度很快，來不及和外界交換熱量41二、馬赫數(shù)：氣體的流動(dòng)速度c與當(dāng)?shù)匾羲賏之比，稱為馬赫數(shù)三、微弱擾動(dòng)波在氣體介質(zhì)中的傳播：1.聲音在靜止氣體中的傳播（c=0,M=0）球面波半徑

R=at(m)同心球面波在任何位置都能聽到擾動(dòng)源發(fā)出的聲音。O9二、馬赫數(shù)：氣體的流動(dòng)速度c與當(dāng)?shù)匾羲賏之比，稱為馬赫數(shù)三422.亞音速氣流中聲音的傳播（0<c<aM<1）

小擾動(dòng)的傳播速度為（c＋a），而c<a,故擾動(dòng)面是由一串不同心球面所組成：球面波半徑

R＝at

球面波圓心距O的距離x＝ctOx102.亞音速氣流中聲音的傳播（0<c<aM<1）433.聲音在音速流中的傳播（c＝a，M＝1）球面波半徑R=at=xOx禁訊區(qū)113.聲音在音速流中的傳播（c＝a，M＝1）球面波半徑Ox44

超音速飛機(jī)在天上飛行時(shí)，人只有處于它的馬赫錐之內(nèi)，才能聽到它發(fā)出的聲音4.聲音在超音速氣流中的傳播（c>a

M>1）禁訊區(qū)O馬赫錐球面波半徑R=at小于x12超音速飛機(jī)在天上飛行時(shí)，人只有處于它的馬赫錐之內(nèi)，才能45第三節(jié)三種特定狀態(tài)一維穩(wěn)定絕能流動(dòng)的能量方程式：13第三節(jié)三種特定狀態(tài)一維穩(wěn)定絕能流動(dòng)的能量方程式：46一、定熵滯止?fàn)顟B(tài)：1.定義：氣體從任意狀態(tài)（P、T、ρ……）經(jīng)可逆絕熱過程（定熵）將速度減小到零的狀態(tài)，稱為定熵滯止?fàn)顟B(tài)（滯止?fàn)顟B(tài)）?？梢栽O(shè)想，氣體從任意狀態(tài)（P、T、ρ……）下經(jīng)一特殊的噴管出流達(dá)到速度為零時(shí)（定熵出流），所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)即為定熵滯止?fàn)顟B(tài)：h0P0T014一、定熵滯止?fàn)顟B(tài)：1.定義：氣體從任意狀態(tài)（P、T、ρ…472、滯止焓（總焓）：對(duì)于定熵流動(dòng)來說，總焓是守恒的。兩個(gè)截面的定熵滯止?fàn)顟B(tài)相同。152、滯止焓（總焓）：對(duì)于定熵流動(dòng)來說，總焓是守恒的。兩個(gè)483.滯止溫度：總溫靜溫動(dòng)溫

如果直接用溫度計(jì)去測(cè)量高速流動(dòng)的氣流的溫度，測(cè)得的是總溫。對(duì)于飛行器頂部，會(huì)形成一個(gè)滯止點(diǎn)（駐點(diǎn)），溫度很高，必須考慮。163.滯止溫度：總溫靜溫494.滯止壓力：測(cè)量壓力時(shí)，若迎著來流方向，測(cè)得的是總壓。如用皮托管測(cè)壓。5.靜參數(shù)與總參數(shù)的比值：174.滯止壓力：測(cè)量壓力時(shí)，若迎著來流方向，測(cè)得的是總壓。501851二、最大速度狀態(tài)：

假設(shè)另一極限情況：假定某一截面上氣流的壓力等于零（P＝0，則T＝0，h=0，a＝0……）于是這個(gè)截面上氣流的流速就達(dá)到最大值cmax，這個(gè)狀態(tài)就稱為最大速度狀態(tài)（完全真空）。

這時(shí)氣流的熱能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，即氣體分子的運(yùn)動(dòng)全部停止，這是不可能的。19二、最大速度狀態(tài)：假設(shè)另一極限情況：假定某一截面上氣52

把兩個(gè)極限狀態(tài)聯(lián)系起來有：

對(duì)于給定氣體，cmax取決于總溫T0，和實(shí)際流動(dòng)過程無關(guān)。20把兩個(gè)極限狀態(tài)聯(lián)系起來有：53三、臨界狀態(tài)：

就是M＝1的狀態(tài)，即此截面上氣流的速度c等于當(dāng)?shù)匾羲賏，這個(gè)狀態(tài)即是臨界狀態(tài)。所對(duì)應(yīng)的參數(shù)稱為臨界參數(shù)，以下標(biāo)cr表示。臨界參數(shù)和總參數(shù)之比稱為臨界參數(shù)比（1）臨界溫度比：21三、臨界狀態(tài)：就是M＝1的狀態(tài)，即此截面54（2）臨界壓力比：（3）臨界密度比：可判斷氣流是亞音速還是超音速流動(dòng)22（2）臨界壓力比：（3）臨界密度比：可判斷氣流是亞音速還55

第四節(jié)氣體的出口流速一、出口流速二、經(jīng)收縮形噴管的出流23第四節(jié)氣體的出口流速一、出口流56第五節(jié)獲得超音速氣流的條件一、內(nèi)部條件（密度變化率與速度變化率的關(guān)系）：這就是獲得超音速氣流的內(nèi)部條件：必須是可壓縮的氣體。二、幾何條件（斷面積變化率與速度變化率的關(guān)系）：24第五節(jié)獲得超音速氣流的條件一、內(nèi)部條件（密度變化率與572558