第3章 气体的流动过程
第3章 发动机的换气过程
当n>n1时，进气迟闭角显的过小， △P ， v 。
提问：既然在配气正时一定的条件下只有一种转速
最佳，实际情况是需要多种转速下 最v 佳，如何解决这 v 一矛盾？（采取可变气门正时技术）
2） v随的Pe变化关系
柴油机：
汽油机：
v
v
Pe
Pe
柴油机、汽油机的 随v Pe变化不同原因
柴油机负荷调节——质调节： 改变供应量、进气量不变，使得α改变；
3. 泵气损失功
其大小为：X+Y-u。
在实际示功图中，把（W+u） 归到指示 功中考虑，而把泵气损失功 （X+Y-u） 归到机械损失中考虑。
最有利的排气提前角
最有利的排气提前 角应使（W＋Y） 之和为最小。
• 过早 • 过晚 • 排气门面积过小 • 转速提高
第二节 四冲程发动机的充气效率
一、充气效率（充气系数）
在排气终了，因排气门将要关闭，气门开度 很小，节流作用增强，为此，常使排气迟后 关闭，一般迟闭角δ=100-350 。
δ过大，会使废气倒流。
3.进气阶段
由于节流作用, 缸内产生负压；使新鲜介质进 入缸内。 进气门：提前开：进气初期增大气流通道α=0-400
迟后关：利用惯性进气β=40-800 。 目的：延长进气时间，增加新鲜充量。
二、换气损失和泵气损失
换气损失由排气损失和进气损失组成。
1.排气损失：
排气损失=自由排气损失W +强制排气损失Y
自由排气损失W
相当于膨胀功的减少；
强制排气损失Y 是把废气推出气缸所消耗的功 。
2. 进气损失功X
——为进气系统内气体克服气缸进气吸 力所消耗的功。 换气损失形成的原因： 排气门早开； 活塞上行推出废气； 气体流动损失； 克服进气过程的真空吸力。
空气会流动的例子
空气是一种流动的气体，它可以在许多情况下展示出流动的特性。
以下是一些空气流动的例子：
1. 风：风是由空气的流动引起的自然现象。
当地面或大气中存在温度差异时，空气会产生压力差，从高压区向低压区流动，形成风。
2. 通风系统：通风系统通过调节和循环空气，使室内空气保持新鲜和舒适。
空调、风扇和通风设备等都能够引导空气流动，实现室内空气的循环和净化。
3. 呼吸：当我们呼吸时，空气会进入我们的肺部进行气体交换。
通过肺部的呼吸运动，空气在我们的呼吸系统中流动。
4. 烟囱效应：烟囱效应是指烟囱内外温度差引起的空气流动现象。
当烟囱内部被加热时，烟气会上升并排放到室外，此时，周围的冷空气会进入烟囱底部，形成空气的流动。
5. 气象现象：气象现象中的空气流动包括气旋、暴风雨、台风等。
这些天气现象是由大气中不同区域的空气流动引起的。
这些都是空气流动的例子，展示了空气作为一种流动的气体的特性。
空气流动对于环境的循环、气象变化和人类生活都具有重要意义。
初中化学气体流动教案
初中化学气体流动教案
一、教学目标：
1. 理解气体的分子运动规律；
2. 掌握气体的流动规律；
3. 能够解释气体流动的原理；
4. 能应用所学知识解决相关问题。
二、教学重点和难点：
1. 气体的分子运动规律；
2. 气体的流动规律。
三、教学准备：
1. 课件、实验装置、实验物品；
2. 学生活动手册、笔记本等。
四、教学过程：
1. 气体的分子运动规律
（1）教师引导学生观察实验装置，让学生思考气体分子是如何运动的；（2）介绍气体分子的自由运动和速度分布；
（3）让学生通过实验观察气体的分子运动规律。
2. 气体的流动规律
（1）介绍气体的流动规律和速度分布；
（2）让学生通过实验观察气体的流动规律；
（3）讨论气体流动的原理和影响因素。
3. 总结与拓展
（1）总结气体分子的运动和流动规律；
（2）让学生练习相关题目，加深理解；
（3）拓展气体流动在工业生产中的应用。
五、教学反馈：
1. 师生互动，总结本节课的重点知识；
2. 师生互动，解答学生提出的疑问；
3. 鼓励学生思考，提出自己的见解。
六、布置作业：
1. 完成相关练习题；
2. 阅读相关教材，扩展知识。
七、教学反思：
1. 教学过程是否清晰流畅；
2. 学生是否能够准确理解和掌握知识；
3. 后续教学如何开展，如何提高教学效果。
化学反应工程第三章反应器内的流体流动
物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型， 则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当 为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示 意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 ，则上 c F ( t ) 式可以改写成： （3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输 入法，输入的示踪剂浓度 ，在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系： 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ，关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
燃气应用第三章
上图这两种混合方式均 得不到理想的、均匀的 燃气-空气混合物
燃气燃烧气流混合原则
在相交气流的混合过程中，主要研究的问题是：
第一、以某一角度射入主气流中的射流轨迹。
第二、射流在主气流中的穿透深度。
第三、沿射流轴线速度和温度的变化以及射流横截面上的速 度场和温度场。
第四、射流与主气流的混合强度。
为了计算相交气流混合过程的各参数，必须确定混合过程 与喷嘴结构系数(孔口形状、孔口尺寸等)及流体动力参数
射夹流角外为部射边流界核的心夹收角缩α角1α称2为。射流张角。射流核心区边界的
通常周围介质的温度和密度与喷出气流不同，这时称为非 等温射流。
图3-1 等温层流自由射流
图3-2 热射流水平射至冷介质时 的射流轨迹
层流自由射流
如果射流垂直向上射出，那么重力 差只是稍微改变射流的张角及核心 收缩角。
旋转气流
(二)旋转射流的无因次特性——旋流数
旋风燃烧器所产生的旋涡流场是靠流 体内部的位能变化(静压差)而运动， 所以叫“位能旋涡”。这种旋涡的回 旋运动并非由外加扭矩所引起，若忽 略摩擦损耗，则不同半径上流体微团 的动量矩应当守恒，故又叫“自由旋 涡”。
画两个同心圆代表自由旋涡的两条流
线，间隔dr，选定两条流线间的流体 微团ABCD沿圆圈运动。
第一、应采用不同孔径的喷嘴，将 燃气喷入空气流中，否则无法形成 均匀的可燃混合物；
第二、孔与孔之间的距离应保证各
股燃气射流互不重叠； 第三、在保证各股射流互不重叠的
图3-5 燃烧装置中燃气与空 气相交流动的情况
前提下，确定燃气喷嘴直径；
(a)周边送燃气；(6)中心送燃气
第四、射流喷出速度应保证射流在 空气流中的穿透深度达到预定数值， 以便在燃烧器截面上形成几个环形 的燃气-空气混合层。
《化工原理》第三章 气体的压缩与输送
第三节 离心式 二、离心式鼓风机和压缩机
1．离心式鼓风机 离心式鼓风机又称透平鼓风机，其结构类似于多级离 心泵。离心式鼓风机一般由3～5个叶轮串联而成，如图36是五级离心鼓风机示意图。各级叶轮的直径大致相同， 每级叶轮之间都有导轮，其工作原理和离心通风机相同。 气体由吸人口进入后经过第一级的叶轮和导轮，转入第二 级叶轮人口，再依次通过其后所有的叶轮和导轮，最后由 排出口排出，使其完成连续送风。单级离心鼓风机的出口 表压多在30kPa以内，多级离心式鼓风机的出口表压可达 300kPa。
第二节 往复式压缩机
由于气体具有可压缩性和 气体受压缩后温度升高，往复 式压缩机的结构和装置与往复 泵相比有显著不同。首先往复 式压缩机必须有除热装置，以 降低气体的终温；其次必须控 制活塞与气缸端盖之间的间隙 即余隙容积。往复泵的余隙容 积对操作无影响，而往复式压 缩机的余隙容积必须严格控制， 不能太大，否则吸气量减少， 甚至不能吸气。因此，往复式 压缩机的余隙容积要尽可能地 减小。
第二节 往复式压缩机
根据气体和外界的换热情 况，压缩过程可分为等温 (CD//)、绝热（CD/）和多变(CD) 三种情况。由图可见，等温压 缩消耗的功最小，因此压缩过 程中希望能较好冷却，使其接 近等温压缩。实际上，等温和 绝热条件都很难做到，所以压 缩过程都是介于两者之间的多 变过程。
图3-1单级往复压缩机示意图
第三节 离心式
HT p 2 p1 (u 2 u1 ) g 2g
2 2
（3-4）
式中 u 1 、 u2 分别为通风机进口和出口速度，单位为 m/s。假定气体的密度为常数，当通风机直接从大气吸入 空气，则 u 1 =0。式（3-1）可化简成 （3-5） P P u H
初中化学气体的运动教案
初中化学气体的运动教案
一、教学目标：
1. 理解气体的分子运动理论。
2. 掌握气体分子的速度、能量和碰撞频率与温度、压力的关系。
3. 熟练掌握气体的压强、体积、温度之间的关系，并能运用理论解决相关问题。
4. 了解气体的扩散和渗透现象。
二、教学重点：
1. 气体分子的运动规律。
2. 气体分子的速度、能量和碰撞频率与温度、压力的关系。
3. 气体的压强、体积、温度之间的关系。
三、教学过程：
1. 活动一：激发兴趣，引入话题
通过展示一段气体扩散的视频，让学生观察气体分子的运动状态，引导学生思考气体分子是如何运动的。
2. 活动二：气体分子的运动规律
讲解气体的分子运动理论，引导学生理解气体分子的无规则运动，说明气体分子之间的碰撞。
3. 活动三：气体分子的速度、能量和碰撞频率与温度、压力的关系
通过实验或者模拟实验，帮助学生探究气体分子的速度、能量和碰撞频率与温度、压力的关系，并引导学生总结规律。
4. 活动四：气体的压强、体积、温度之间的关系
讲解理想气体状态方程，引导学生了解气体的压强、体积、温度之间的关系，并通过案例让学生运用理论解决相关问题。
5. 活动五：气体的扩散和渗透
讲解气体的扩散和渗透现象，引导学生探讨气体扩散和渗透的原理，并通过实验或者案例让学生理解这一现象。
四、教学总结：
通过以上教学活动，学生应该能够掌握气体分子的运动规律，了解气体分子的速度、能量和碰撞频率与温度、压力的关系，掌握气体的压强、体积、温度之间的关系，并了解气体的扩散和渗透现象。
同时，引导学生运用所学知识解决实际问题，培养学生的动手能力和实践能力。
水力学 第三章 流体运动学
4
2、速度(velocity)
x xa , b, c, t ux t t y y a , b, c, t uy t t z z a , b, c, t uz t t
（1）若(a，b，c)为常数，t 为变数，可得某个指定质点在任何 时刻的速度变化情况 。 （2）若 t 为常数，(a，b，c)为变数，可得某一瞬时流体内部各 质点的速度分布。
ux
u y
uy
u y
uz
u y
斯托克斯(Stokes) 表示式
Du u a (u )u Dt t
全加速度， 随体导数， 质点导数， （material derivative) 当地加速度， 时变导数 (Local derivative) 迁移加速度， 位变导数 (Convective derivative)
拉格朗日法的优点：物理意义较易理解 。 拉格朗日法的缺点：函数求解繁难；测量不易做到。
§3-1 描述流体运动的两种方法
6
3-1-2 欧拉法
一、欧拉法（Euler Method）
从分析通过流场中某固定空间点的流体质点的运动着手，设法 描述出每一个空间点上流体质点运动随时间变化的规律。 运动流体占据的空间，称流场(flow field)。通过流场中所有 空间点上流体质点的运动规律研究整个流体运动的状况，又称流场 法。
15
例3-1 已知流体质点的运动，由拉格朗日变数表示为: (t ) (t ) x a cos 2 b sin 2 2 a b a b2 (t ) (t ) y b cos 2 a sin 2 2 a b a b2 式中， (t ) 为时间，的某一函数。试求流体质点的迹线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
气体的流动过程
（thermodynamics of one-dimensional steady flow of Gas）
流体在管道中流动时与外界的热交换往往可以忽略， 也不对外输出轴功，而且常可视为稳态稳流装置。以下 本章将主要讨论定比热容理想气体在管道中作绝热稳态 稳流时的热力学状态变化与宏观流动状况（流速、流量） 变化之间的关系
流道中气体热力学状态不断变化，沿程不同截面上音 速各不相同，对特定截面一般都强调为“当地音速”
2020/4/2
8
⑵马赫数
马赫数(M)
——流道中某一截面上的气体流速与当地音速之比 亚音速——气体的流速小于当地音速，M < 1 超音速——气体的流速大于当地音速，M >1
2020/4/2
9
§3.3 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： 利用喷管将蒸汽流加速，冲动汽轮机的叶轮作功； 喷气式发动机则利用喷管将气流加速后喷出，产生巨 大的反作用力来推动装置运动 通过扩压管利用气流的宏观运动动能将气流加压 气流的这种加速或扩压过程可以仅利用气流的热力学 状态或运动状态变化来实现，无需借助其它机械设备
v1
v2
考虑到稳态稳流的特性，对管道的任一截面
Aici 常数 vi dA dv dc Av c
——连续性方程
2020/4/2
3
⑵能量方程
根据稳态稳流的能量方程
q
(h2
h1 )
1 2
(c22
c12 )
g(z2
z1 )
wshaft
对于绝热、不作轴功、忽略重力位能的稳态稳流情况
h 1 c2 2
dv 1 dP v kP
水蒸气也借用该式作近似计算 但k不再具有热容比(cp / cv)的含义，为经验值：
过热水蒸气 干饱和水蒸气 干度为x的湿蒸汽
k = 1.3 k = 1.135 k = 1.035 + 0.1x
2020/4/2
6
小结
稳态稳流、绝热、不作轴功、不计重力位能的管道流动
连续性方程 能量方程
dA dv dc
Av c
h0
hi
1 2
ci2
常数
过程方程
v2
v1
(
P1 P2
1
)k
；
dv 1 dP v kP
滞止——绝热流动时因阻滞作用而达到流速为零的状态
(P0、T0、v0 、c0 =0) 水蒸气的经验值
过热水蒸气
k = 1.3
干饱和水蒸气
k = 1.135
干度为x的湿蒸汽 k = 1.035 + 0.1x
h1
1 2
c12
h2
1 2
c22
hi
1 2
ci2
常数
可见相对管道中的任意两个截面，若气流的焓 h↑，则 流速c↓；反之，若气流的焓h↓，则流速c↑
2020/4/2
4
令
h0
h
1 c2 2
——滞止焓
滞止焓的物理意义为：
在绝热流动的情况下，流体因阻滞作用而
达到流速为零时所应具有的焓参数最大值
在流道中测定气流温度时滞止效应令所得的结果偏高
亚音速流 （M<1）
13
对于超音速气流（M>1）
dA M 2 dc dc (M 2 1) dc
A
cc
c
>0
气体的流速将与管道的截面积作同方向变化
喷管——渐扩状 扩压管——渐缩状
喷管(P↓,c↑)
超音速流 （M<1）
扩压管(P↑,c↓)
超音速流 （M<1）
显然，渐缩喷管最多只能将气流加速至音速
§3.1 稳态稳流的基本方程
⑴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 由于
2020/4/2
m1 m2
m Ac v
A1c1 A2c2
v1
v2
1
2
A1
c1
c2
m1
m2
1
A2 2
管道中的一维稳定流动
2
式中
A——管道的截面积 c ——流体在当地的流速 v ——当地的流体比体积
A1c1 A2c2
要将亚音速气流加速至超音速
喷管截面积应先收缩，后扩大 ——缩放喷管，亦称拉伐尔喷管
拉伐尔喷管
2020/4/2
14
c=a 拉伐尔喷管
气流在缩放喷管的喉部处达到当地音速
§3.4 喷管(nozzle)计算
通常依据喷管进口处的工质参数(P1、t1)和背压(P2),并 在给定流率的条件下进行喷管的设计计算
设计计算的目的在于确定喷管的形状和尺寸 校核计算的目的则在于预测各种条件下的喷管工作情 况，即确定不同情况下喷管的流量和出口流速
2020/4/2
7
§3.2 音速和马赫数
⑴音速
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，与传播介质的物性、热力状态有关 对理想气体音速只与温度有关
a kRgT kPv
对实际气体音速a不仅与温度T有关，还与气体的压力P 或比体积v有关
也借用上式计算水蒸气中的音速 ，其中的k值按前述 经验值选取
12
dP kM 2 dc
P
c
dA 1 dP dc A kP c
dA M 2 dc dc (M 2 1) dc
A
cc
c
<0
对于亚音速流（M<1）
气体的流速将与管道的截面积作相反方向变化
喷管——渐缩状 扩压管——渐扩状
喷管(P↓,c↑)
亚音速流 （M<1）
2020/4/2
扩压管(P↑,c↓)
扩压管 ——气流通过后能令气流P ↑ ，c ↓ 的管道
⑶流速改变与流道截面积变化的关系
气流速度与压力的反方向变化需通过管道截面积有规 律地变化来促成
根据气体流动的连续性方程及绝热过程方程
dA dv dc Av c dv 1 dP v kP
dA 1 dP dc A kP c
2020/4/2
⑴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
dwt
vdP
1 dc2 2
gdz
dwshaft
2020/4/2
10
vdP
1 2
dc2
0 gdz
0 dwshaft
管道中流动气流不作轴功，忽略重力位能变化
vdP 1 dc2 2
cdc vdP
dc v dP k Pc c2Biblioteka 滞止状态的参数以下标“0”表示
求解流动问题通常已知进口气流状态(h1,P1,v1,T1,c1)
由
h0
h1
1 2
c12
T0
(
P0
)
k 1 k
T1 P1
h 解得 0
P 解得 0
T0
v0
滞止状态完全由进口气流初态确定
2020/4/2
5
⑶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
Pv k 常数
kP
a2 kPv
dc c
kPv kPc2
dP
a2 k c2
dP P
1 kM2
dP P
dP kM 2 dc
P
c
管道流动问题中流速c 应为正值，而k、M2也是正值
式中dc与dP反号
气体的流速变化与其压力的变化方向相反
气流加速c↑
压力P↓ 反之亦然
2020/4/2
11
⑵喷管和扩压管
喷管 ——气流通过后能令气流P↓，c↑的管道