第五章 气体力学计算
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化学反应动力学-第五章-气相反应动力学
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一、双分子气相化合反应
若按过渡状态理论对双分子气相化合反应进行分 析,则反应物与活化络合物之间建立动态平衡,以 浓度表示的平衡常数为：
kc fM
e
E0 RT
fA fB
k k BT h f
M E0 RT
反应速率常数为：
e
fA fB
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一、双分子气相化合反应
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一、单分子气相异构化反应
2. 反常的气相异构化反应
例如顺丁烯二酸二甲酯的顺反异构化反应
HC— COOCH3 HC— COOCH3 HC— COOCH3 C H 3O O C — C H
该反应的实测动力学参数如下： 频率因子 活化能 A = 1.3×105 s-1 E = 110.9 kJ／mol
R CH 3
R C 2H 5
R n C 3H 7
1.6×1015 4×1015
1×1015
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139.8 124.7
122.2
142.3 142.3
142.3
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第五章、气相反应动力学
气相异构化反应
§5-1 单分子气相反应
这类反应的共同特点是:反应分子取得能量活化变为活 化分子,然后分解为两个自由基。
R 1 R 2 [R 1 R 2 ] R 1 R 2
由于生成的自由基的能量与活化分子的能量相近,它们 之间的能量差很小。所以,可以认为活化能E就是反应 开始状态与反应终结状态的能量之差,也可以认为就是 相应断裂键的“解离能”。其反应历程如下图所示。
第五章 气体的流动
中南大学航空航天学院51稳定流动问题求解方法52声速和马赫数53气体绝能定熵流动的滞止参数和临界参数54气体在管道中的绝能定熵流动速度55喷管与扩压管56绝热节流57气体流动在飞行器动力装置中的应用constavpvpdvpdvvdpvdpgdzdcvdpgdzdpisodsdsdtconstpv521弱扰动与强扰动可压流场的流动现象与扰动传播速度和扰动传播区有关t发生了变化就说流场受到了扰动
T (k 1) 2 1 Ma T 2
*
T (k 1) 1 Ma 2 T 2
*
p T ( ) p T
*
*
k k 1
(k 1) [1 Ma ] 2
k 2 k 1
气体绝能流动中的滞止参数 或总参数与其真实状态参数 （静参数）的比值是当地Ma和 气体定熵指数k的函数。
*
临界参数比
Tcr 2 * T k 1
临界温比
k k 1
pcr 2 ( ) * p k 1
vcr k 1 ( ) * v 2
临界压力比 临界比体积比
用来判断流动是否达 到或超过临界状态： 当压比、温比小于或 比体积比大于它们相 应的临界比时，就表 明超过了临界状态。
1 k 1
const
绝能流动中，沿流动方向任意截面上的焓与动能 之和保持为一常数。
cf 0
c2 f ,1 2 h2 c2 f ,2 2 const
h1* h1
滞止焓 或总焓
定熵滞止状态 简称滞止状态
p* , p, T * , T
静焓 动焓
h* h
c2 f 2
2 c c pT * c pT 2
2 c T* T 2c p
总温
T (k 1) 2 1 Ma T 2
*
T (k 1) 1 Ma 2 T 2
*
p T ( ) p T
*
*
k k 1
(k 1) [1 Ma ] 2
k 2 k 1
气体绝能流动中的滞止参数 或总参数与其真实状态参数 （静参数）的比值是当地Ma和 气体定熵指数k的函数。
*
临界参数比
Tcr 2 * T k 1
临界温比
k k 1
pcr 2 ( ) * p k 1
vcr k 1 ( ) * v 2
临界压力比 临界比体积比
用来判断流动是否达 到或超过临界状态： 当压比、温比小于或 比体积比大于它们相 应的临界比时，就表 明超过了临界状态。
1 k 1
const
绝能流动中，沿流动方向任意截面上的焓与动能 之和保持为一常数。
cf 0
c2 f ,1 2 h2 c2 f ,2 2 const
h1* h1
滞止焓 或总焓
定熵滞止状态 简称滞止状态
p* , p, T * , T
静焓 动焓
h* h
c2 f 2
2 c c pT * c pT 2
2 c T* T 2c p
总温
第五章-气体灭火系统的水力计算精选全文
喷头宜贴近防护区顶面安装，距顶面的最大距离不宜大于 0.5m。
5.5 储存容器数量的确定
所需储存容器的数量
充装密度
N W0
cVp
灭火剂的储存量 储存容器的容积
初选一个充装密度（七氟丙烷800~900kg/m3），确定储存 容器数量后，再计算系统真实的灭火剂充装密充装量应相同。
5.6 管道压力损失
阻力损失包括局部阻力损失和沿程阻力损失。 管件产生的局部水头损失大小与同管径某一长度管道产
生的沿程水头损失相等，则该长度即为该管件的当量长度。 以理论推导为基础，通过试验验证建立的。
二氧化碳灭火系统（气液两相流）：
Q2
0.8725104 D5.25Y 0.04319D1.25Z L
内贮压七氟丙烷
七氟丙烷和动力气体分别贮存在不同的容器内，在喷放 灭火剂时，把动力气体注入灭火剂储瓶，使灭火剂储瓶内压 力迅速升高，推动灭火剂在管网中长距离快速输送，增强灭 火剂的雾化效果，更有效的实施灭火。
系统类别
储存压力（MPa）
CO2
IG541 （0℃—50℃）
FM-200 （0℃—50℃）
5.7 1.9-2.1
系统类别 CO2
IG541
最大充装密度 （kg/m3) 600 0.95
211.15（固定值）
储存压力 （MPa）
5.7 1.9-2.1
15.0
最大工作压力 （50℃） 15MPa
17.2
FM-200
281.06 1120 1120（焊接） 950（无缝） 1080
20.0 2.50 4.20
5.60
喷头等效孔口面积
喷头等效孔口面积 (二氧化碳mm2，
其余为cm2）
5.5 储存容器数量的确定
所需储存容器的数量
充装密度
N W0
cVp
灭火剂的储存量 储存容器的容积
初选一个充装密度（七氟丙烷800~900kg/m3），确定储存 容器数量后，再计算系统真实的灭火剂充装密充装量应相同。
5.6 管道压力损失
阻力损失包括局部阻力损失和沿程阻力损失。 管件产生的局部水头损失大小与同管径某一长度管道产
生的沿程水头损失相等，则该长度即为该管件的当量长度。 以理论推导为基础，通过试验验证建立的。
二氧化碳灭火系统（气液两相流）：
Q2
0.8725104 D5.25Y 0.04319D1.25Z L
内贮压七氟丙烷
七氟丙烷和动力气体分别贮存在不同的容器内，在喷放 灭火剂时，把动力气体注入灭火剂储瓶，使灭火剂储瓶内压 力迅速升高，推动灭火剂在管网中长距离快速输送，增强灭 火剂的雾化效果，更有效的实施灭火。
系统类别
储存压力（MPa）
CO2
IG541 （0℃—50℃）
FM-200 （0℃—50℃）
5.7 1.9-2.1
系统类别 CO2
IG541
最大充装密度 （kg/m3) 600 0.95
211.15（固定值）
储存压力 （MPa）
5.7 1.9-2.1
15.0
最大工作压力 （50℃） 15MPa
17.2
FM-200
281.06 1120 1120（焊接） 950（无缝） 1080
20.0 2.50 4.20
5.60
喷头等效孔口面积
喷头等效孔口面积 (二氧化碳mm2，
其余为cm2）
第5章_气体热力过程.ppt
讨论分析典型的可逆过程，目的是为分析和评价相近的实际气 体过程提供基础。
2021/5/9
2
无论是对于控制质量(CM)或控制容积(CV) ，如果所发生的 热力过程外部条件相同，譬如同为定温过程或绝热过程等，工 质的状态变化规律相同，不同的只是系统与外界的能量交换情 况。
本章基本上针对CM进行讨论，个别情况下也对CV的过程作 附加说明
dq cpdT
（任何气体，不仅理想气体）
对有限定压过程
2
q h 1 cpdT
q cp (T2 T1) （比热容为定值）
2021/5/9
8
⑷ 定压过程曲线
①T-s图 由热力学关系
0
ds
cpdT T
Rg
dP P
知定压线为指数函数曲线，且有
T T
( s )P
cP
0
定压线有正斜率，凹向上
知图中位置越高的定压线P 值越大
1.02
2021/5/9
21
过程中对罐内氧气共加入热量
Q Qv Qp 56.84 127.47 184.31kJ
另解：
QP
3
2 mcPdT cP
3 2
P2V RgT
dT
cP
P2V Rg
ln
T3 T2
0.917 0.7 106 0.15 ln 273 285 127.17 kJ
P2 ( v1 )k cv P1 v2
热容比，亦称为绝热指数
状态变化规律 T2 ( v1 )k1
T1 v2
T2
( P2
k 1
)k
T1 P1
P-v图上为高次双曲线，斜率
(
P v
)s
k
P v
2021/5/9
2
无论是对于控制质量(CM)或控制容积(CV) ，如果所发生的 热力过程外部条件相同，譬如同为定温过程或绝热过程等，工 质的状态变化规律相同，不同的只是系统与外界的能量交换情 况。
本章基本上针对CM进行讨论，个别情况下也对CV的过程作 附加说明
dq cpdT
（任何气体，不仅理想气体）
对有限定压过程
2
q h 1 cpdT
q cp (T2 T1) （比热容为定值）
2021/5/9
8
⑷ 定压过程曲线
①T-s图 由热力学关系
0
ds
cpdT T
Rg
dP P
知定压线为指数函数曲线，且有
T T
( s )P
cP
0
定压线有正斜率，凹向上
知图中位置越高的定压线P 值越大
1.02
2021/5/9
21
过程中对罐内氧气共加入热量
Q Qv Qp 56.84 127.47 184.31kJ
另解：
QP
3
2 mcPdT cP
3 2
P2V RgT
dT
cP
P2V Rg
ln
T3 T2
0.917 0.7 106 0.15 ln 273 285 127.17 kJ
P2 ( v1 )k cv P1 v2
热容比，亦称为绝热指数
状态变化规律 T2 ( v1 )k1
T1 v2
T2
( P2
k 1
)k
T1 P1
P-v图上为高次双曲线，斜率
(
P v
)s
k
P v
第五章 大气静力稳定度
1、当 T T e 时，则 暖时，可获得向上的加速度。 d w 2、当 T T e 时，则 d t 0。说明若气块比周围空气 冷时，将获得向下的加速度。 d w 3、若 T T e 时， d t 0 。说明气块与周围空气无温 差时，气块的垂直加速度为零。
d w 0 。说明若气块比周围空气 d t
ln(p00/p)
p4
E
平衡高度
p3
B 自由对流高度
p2
Hc
p1 p0
T3T4
T2 T1T0
T
不稳定能量与空气湿度关系
在相同的温度层结下，若上升气块的初始湿度较大，则凝结 高度和自由对流高度就较低，在气层po～p1之间容易形成 真潜不稳定；
若上升气块湿度较小，凝结高度和自由对流高度就较高，容 易出现假潜不稳定； 如空气湿度太小，凝结高度更高，气块的状态曲线将会全部 位于层结曲线左侧，形成绝对稳定型。 可见，低层湿度越大，越有利于对流的发展。
T T d w v ve B g d t T ve
单位质量 空气净浮力
考虑净浮力做功以及气块动能变化
T T d w v ve d z g d z d t T ve
5.2.1气层的不稳定能量（2）
利用dz=w dt ，由z0到z积分 ：
z T T 1 2 12 v ve w w Δ E g d z 0 k z 2 2 T 0 ve 右边：净浮力将单位质量空气从z0移到z所作的功。 左边：转化成气块的动能增量，以Ek表示 若气块温度高于环境温度，则净浮力为正，气块 的垂直运动动能不断增加；反之，净浮力为负， 气块的动能将减小。 由于气块上升时的温度变化是确定的，因此浮力 的正负取决于厚气层的温度层结。
工程流体力学 第5章 可压缩流体的一元流动
解： 由音速方程：
c1 kRT1 1.4 287 （273＋20）＝343m s
c2 kRT2 1.4 287 （273 55）＝296 m s
uu
Ma2 Ma1 Ma1
c2
u
c1
c1 c2 c2
343 296 296
16%
c1
2020年1月10日
FESTO气动中心
5.3 一元等熵流动基本关系
• 利用伯努利方程来讨论一元等熵流动特 定的状态参数。
2020年1月10日
FESTO气动中心
5.3.1 滞止状态和滞止参数
•
图6.3.1 气体的滞止状态
2020年1月10日
FESTO气动中心
对滞止状态截面和任一截面列能量方程有： 滞止状态时的焓升到最大值，即总焓
2020年1月10日
FESTO气动中心
1.理想气体状态方程：
p RT
R是气体常数，空气R=287 J/(kg·K)；T是热力学温度，单位为K
2.连续性方程：
2020年1月10日
可压缩性气体在流管内的定常流动
FESTO气动中心
1u1 A1 2u2 A2
uA c
ln(uA) ln ln u ln A C
2020年1月10日
FESTO气动中心
马赫角
sin c 1
u Ma
2020年1月10日
FESTO气动中心
例题
• 例 飞机在温度 t 20℃的海平面飞行， 与在同温层 t 55℃时飞行，若速度相等，
试求后一情况的马赫数比前一情况的马 赫数大多少？
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c1 kRT1 1.4 287 （273＋20）＝343m s
c2 kRT2 1.4 287 （273 55）＝296 m s
uu
Ma2 Ma1 Ma1
c2
u
c1
c1 c2 c2
343 296 296
16%
c1
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5.3 一元等熵流动基本关系
• 利用伯努利方程来讨论一元等熵流动特 定的状态参数。
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5.3.1 滞止状态和滞止参数
•
图6.3.1 气体的滞止状态
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对滞止状态截面和任一截面列能量方程有： 滞止状态时的焓升到最大值，即总焓
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1.理想气体状态方程：
p RT
R是气体常数，空气R=287 J/(kg·K)；T是热力学温度，单位为K
2.连续性方程：
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可压缩性气体在流管内的定常流动
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1u1 A1 2u2 A2
uA c
ln(uA) ln ln u ln A C
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马赫角
sin c 1
u Ma
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例题
• 例 飞机在温度 t 20℃的海平面飞行， 与在同温层 t 55℃时飞行，若速度相等，
试求后一情况的马赫数比前一情况的马 赫数大多少？
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气体力学解析ppt课件
两式相减得
25
当炉气为热状态时，
，此时系
统内炉气不可能保持平衡，必将从燃烧室被抽向
烟囱底部。上式中的
恰为水平面Π上的炉
气所具有的位压头。
由此可见，烟囱的作用就在于烟囱所造成的
位压头。它使炉气具有上浮能力，在烟囱底部形
成相对负的静压头。烟囱越高，炉气与空气的温
差越大，即
值越大，则烟囱的抽力也越大。
26
因ρg＜ρa，故Pg分布直线比Pa陡，且两直线 相交于一点O，在O点，炉气的压力能和空气的压 力能相等，即炉气的静压头为零。
13
容器在该点处的水平截面，称为相对零压面， 或简称零压面。在零压面，若压力能为P0，则有 Pg=Pa=P0或Pg-Pa =0。若容器在该处开一小孔，则 不会产生溢气和吸气现象。
则
29
气体随温度升高而膨胀。根据气体方程，其在某一温度 下的体积Vt与标准状态的体积V0之间存在如下关系
式中：β——气体膨胀系数，β=1/273 (1/℃)。℃ 由式(2—14)可以推出某一温度下气体的体积流量
(qvt)、流速(νt)和密度（ρt）等与标准状态下的体积流量 (qv0)、流速(ν0 )和密度(ρ0)间存在如下相应关系：
炉气的静压头沿炉膛高度的分布情况，可利用 静止气体基本方程式推出。
12
图2-6为一充满炉气的容器，设炉气密度为ρg， 压力能为Pg，容器外是密度为ρa的冷空气，其压 力能为Pa。根据静止气体压力分布规律可知，Pg 和 Pa 的 分 布 是 两 条 不 同 斜 率 的 直 线 ， Pg 斜 率 为 ρgg，Pa的斜率为-ρag。
dz
为
7
将 dm dfdz代入上式并消去df，得 dP gdz
若ρ为常数，则将上式积分得
25
当炉气为热状态时，
，此时系
统内炉气不可能保持平衡，必将从燃烧室被抽向
烟囱底部。上式中的
恰为水平面Π上的炉
气所具有的位压头。
由此可见，烟囱的作用就在于烟囱所造成的
位压头。它使炉气具有上浮能力，在烟囱底部形
成相对负的静压头。烟囱越高，炉气与空气的温
差越大，即
值越大，则烟囱的抽力也越大。
26
因ρg＜ρa，故Pg分布直线比Pa陡，且两直线 相交于一点O，在O点，炉气的压力能和空气的压 力能相等，即炉气的静压头为零。
13
容器在该点处的水平截面，称为相对零压面， 或简称零压面。在零压面，若压力能为P0，则有 Pg=Pa=P0或Pg-Pa =0。若容器在该处开一小孔，则 不会产生溢气和吸气现象。
则
29
气体随温度升高而膨胀。根据气体方程，其在某一温度 下的体积Vt与标准状态的体积V0之间存在如下关系
式中：β——气体膨胀系数，β=1/273 (1/℃)。℃ 由式(2—14)可以推出某一温度下气体的体积流量
(qvt)、流速(νt)和密度（ρt）等与标准状态下的体积流量 (qv0)、流速(ν0 )和密度(ρ0)间存在如下相应关系：
炉气的静压头沿炉膛高度的分布情况，可利用 静止气体基本方程式推出。
12
图2-6为一充满炉气的容器，设炉气密度为ρg， 压力能为Pg，容器外是密度为ρa的冷空气，其压 力能为Pa。根据静止气体压力分布规律可知，Pg 和 Pa 的 分 布 是 两 条 不 同 斜 率 的 直 线 ， Pg 斜 率 为 ρgg，Pa的斜率为-ρag。
dz
为
7
将 dm dfdz代入上式并消去df，得 dP gdz
若ρ为常数，则将上式积分得
华中科技大学 流体力学第五章_2讲解
③ 声速流动 Ma = 1：
Ma2 1 0
必有 dA = 0
Ma2 1 du dA uA
声速流动只有可能出现在管截面积的极小处。
Ma < 1
Ma = 1 Ma > 1 Ma < 1
Ma = 1
亚声速气流在收缩管中作加速运动，但其极限值是 声速，在扩散管中作减速运动。这与不可压缩流体 管道流动的变化趋势相同。
Ma
当 Ma ， 1 1
对于亚声速流动：Ma 1 ， 1 ； 对于声速流动： Ma 1 ， 1； 对于超声速流动：Ma 1 ， 1 。
3．最大速度状态
最大速度状态 -- 气体流动达到最大值的状态
动能达到最大值，焓为零，此时气体的动能 就是流体的总能量。它是相对于滞止状态的 另一极端状态。
T0
T
1
1 2
Ma2
216.7
1
1.4 2
1
2.5 2
K
487.6
K
高超声飞行器表面会产生严重的烧蚀问题， 这里只涉及压缩产生的温度，不涉及摩擦。
伯努利方程 z p u2 C
g 2g
是在忽略压缩性的前提下推导的。
不考虑质量力，伯努利方程为
习题
5-8，5-10，5-15
过热蒸汽： =1.33，R = 462 J/(kgK)
5.3 一元等熵流动的基本关系
沿着流线，各流动参数是变化的，但在等熵条件下
焓与动能之和为常数。下面考察几种特殊的流动状态。
1．滞止状态 滞止状态
--
u2 气体流动速度为零的状态 2
第五章 气体动力循环解读
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
1 1 1 t 1 1 1 1 1 1
14
1 混合加热理想循环 t 1 1 1 1
v1 T2 T1 v2
T1 1
23
p3 T3 T2 T1 1 p2
34
5 1
v4 T4 T3 T1 1 v3
p5 T5 T1 p1
8
求
p1v1 p2v2 ； p5 v5 p4v4
p5 p1
q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
7
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
利用 、、 表示
t
1
1 2
或
T 2v T 2 m T 2 p
T 1v T 1m T 1 p
16
二、在进气状态以及循环pmax、Tmax相同的条件下比较
q2 p q2m q2v q1 p q2m q2v
t,p t,m t,v
或
T 2 p T 2 m T 2v
T 1 p T 1m T 1v
1 1 Rg R p2 p5 g T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
或
wnet qnet q1 q2
按点火方式：点燃式(spark ignition engine) 压燃式(compression ignition engine)
工程热力学__第五章气体动力循环
k 1 k
p2 p1
k 1 k
T2 T1
T1 1 1 1 1 1 k 1 T2 T2 p2 k T1 p1
T
2 1
3
4
t,C
T1 1 T3
热效率表达式似乎与卡诺循环一样
s
勃雷登循环热效率的计算
热效率：
t 1
p
2 3 2 4 T 3
4
1 1
v s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
放热量(取绝对值）
T 2
1
3
4
q2 cv T4 T1 热效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
s
定压加热循环的计算
k 1 热效率 t 1 k 1 k ( 1) t
T1
s
燃气轮机的实际循环
压气机： 不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 T
定义：
3 2 1
2’
4’
压气机绝热效率
h2 h1 c h2' h1
4
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
s
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' w净 h3 h4' h2' h1
oi h3 h4
h2 h1
T
2 1
2’
3
4’
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
4
吸热量
q h3 h2' h3 h1
' 1