气体喷管chapter7
第7章 一元气体动力学基础
第7章一元气体动力学基础本章目录§7.1 理想气体一元恒定流动的运动方程§7.2 音速、滞止参数、马赫数§7.3 气体一元恒定流动的连续性方程§7.4 等温管路中的流动§7.5 绝热管路中的流动本章概述气体动力学研究可压缩流体运动规律及其工程应用。
气体的密度随着压强和温度变化而变化，此时必须考虑气体的可压缩性。
气体动力学不仅研究流速、压强问题，而且包含密度和温度问题，不仅需要流体力学知识，还需要热力学知识。
进行气体动力学计算时，压强和温度只能用绝对压强和热力学温度。
理想气体状态方程：定容过程：热力学中，定容过程系指气体在容积不变或比容不变条件下进行的热力过程。
定温过程：热力学中，定温过程系指气体在温度不变条件下进行的热力过程。
绝热过程：热力学中，在无能量损失且与外界无能量交换的条件下进行的热力过程称为可逆的绝热过程，又称为等熵过程。
§7.1 理想气体一元恒定流动的运动方程§7.1.1 一元理想流体欧拉运动微分方程此即欧拉运动微分方程，也称为微分形式的伯努利方程。
§ 7.1.2 气体一元定容流动该方程的物理意义：沿流各断面上单位重量理想气体的压能和动能之和守恒，二者可以互相转换。
§7.1.3 气体一元定温流动定温流动也就是气体在温度保持不变情况下的流动。
§7.1.4 气体一元绝热流动绝热条件下的流动就是绝热流动，又称为等熵流动。
在绝热条件下，气体参数变化服从等熵过程方程理想气体绝热流动（等熵流动），沿流任意断面上，单位重量的气体所具有的内能、压能和动能之和为一常量。
§7.1.5 例题§7.1.6 关于气体一元绝热流动方程使用理想气体一元绝热流动方程，不仅适用于无摩阻的绝热流动中，也适用实际气流。
由于流动系统与外界无热量交换，摩擦产生的热量保存在管路中，所消耗的机械能转化为内能，其总和将保持不变。
工程热力学第7章
k
p2 p0
k
喷管初参数及p2确定后， 喷管各截面上qm相同， 并不随截面改变而改变
2
qm,max A2
2
k
2
k 1
p0
k 1 k 1 v0
外形选择和尺寸计算
初参数 p1，v1, T1
背压pb
喷管形状 几何尺寸
外形选择 首先确定pcr与 pb的关系，然后选取恰当的形状
尺寸计算
h0
h1
c2f 1 2
h2
c2f 2 2
h
c2f 2
任一截面流速
cf 2(h0 h )
出口截面流速
cf2 2(h0 h2) 2(h1 h2) c2f 1
状态参数对流速的影响
为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体
cf2 2(h0 h2 )
对于定熵流动，按过程方程推得
损失的动能＝
c
2 f2c来自2 f2'
理想动能
c
2 f
2
12
h2 h2 (h0 h2 )
➢ 绝热节流
节流的特点 由于局部阻力，使流体压力降低的现象
工程上常利用节流过程控制流体的压力,还可利用 节流时压力降低与流量的对应关系进行流量测量
节流现象特点： （1）强烈不可逆， S2>S1
气流在孔口前截面收
理想气体
<0 µJ<0，dT>0, 升温
=0 µJ=0，dT=0, 不变
dp dv dT pv T
v v T p T
T2 T1
T v v 0 T p
习题
压力为4MPa,温度为560K的空气进入渐缩喷管射 入背压为1.5MPa的空间.喷管的出口截面积为 86cm2,求喷管出口处的压力、出口流速和流量．
气体流经喷管的流速和流量
c
0.487
c
0.528
c
0.546
c
0.546
c 0.577
可以得到这样一个大致的概念：各种气体在喷管 中流速从零增加到临界流速，压力大约降低一半
5. 3 气体流经喷管的流速和流量
T
THERMODYNAMICS
• 知道了临界压力比回过来计算临界流速
5. 3 气体流经喷管的流速和流量
T
THERMODYNAMICS
• 定熵滞止参数
• 将具有一定速度的气流在定熵条件下扩压，使其流速降低 为零时的参数（h*、T*、p*、v*）；
• 这些滞止参数可以根据已知的流速c及相应的状态（T、p）
来计算
h* h c2 2
滞止焓Байду номын сангаас
T* T c2 2c p 0
qm
Amin v*
cs*
2
1
2 1
pth p*
pth p*
喷管流量计算公式
2
1
当Amin，v*，cs*，p*，κ不变时
pth p*
pth p*
有极大值
1
流量qm达到极值
p
*
1
cc
2 1
p * v * 1
pc
p
*
• 临界压力 pc ——流速等于当地音速，或 Ma = 1 时气体的压力；
喷气织机的相关知识 第七章
7、夹纱装置：在主喷管与割纬刀之间，它的 作用是： ⑴当引纬结束后将纬纱压住，给纬纱以一定 的张力，使纬纱能顺利地脱出管道，，并被 随筘座前进的割纬刀割断。 ⑵将下一纬纱的头端握住，以防退捻或回缩。 并配合定长盘完成定长任务。工艺要求夹纱 装置在引纬之前放开纬纱，在引纬之后压住 纬纱。 夹纱器抬起的时间应在脱纱之前喷管内已有 一定压力时，夹纱器夹住纬纱的时间，在平 综和割纬之前。
一、喷气引纬的特点
喷气织机发展迅速，入纬率已可达 1500~2000m/min，比剑杆织机快1倍左右， 且产品质量和品种适应性有了较大提高， 已成为新型织机的主流机型。
喷气织机走向成熟的标志
普遍采用主、副喷嘴与异型筘结合的引纬方 式，其优点是： 1、提高了纬纱飞行的稳定性。 2、适应宽幅，最大幅宽已可达540cm。 3、降低了能源消耗。 4、提高了纱线与织物的品种适应性。
管道片
吸嘴 管道片结构
单喷嘴气流引纬示意图
管道片式喷气引纬机构有一个临界飞行角，一 般为100度。 大于此角则管道片挡住喷嘴，小于此角纬则说明纬 纱飞行过快。
两种多喷嘴系统的比较 从打纬上比较
风道筘式喷气引纬 管道片式喷气引纬 管道片式：在打纬时管道片要退出梭口，因此筘动程大 。 风道筘式：直接用风道筘打纬，筘动程小。 结 论：风道筘式可适应高速。 管道片式：筘为通用筘，品种适应性好。且节气。 风道筘式：筘为异形筘，品种适应性差。且费气。
二、喷气引纬的分类：
喷气织机按喷嘴数目和控制气流的方式不同可分四 种类型。 1、单喷嘴引纬，管道片控制气流： 2、单喷嘴引纬，刚性管状空心剑杆控制气流： 3、多喷嘴引纬，管道片控制气流： 管道片孔形与异形筘的筘槽相似，其辅助喷嘴单独 设置。
08章：气体和蒸汽的流动
qm Aminc f ,cr vcr 5.17 kg / s
qmv2 2 A2 72.9 cm cf 2
§8-4 背压变化时喷管内流动过程简析
一、渐缩喷管
p0 p2 pb p A B
C D
pb p0 pcr pb p0
2
0
图8-5 例8-1附图
s
01
2
5 kJ
点 0 即为滞止点，并由此查得：p0 = 2.01 MPa， h0 = 3025 kJ/kg。
临界压力：
pcr = ν
6 Pa p = 1.097 × 10 cr 0
等压线pcr与通过点 1 的垂线的交点即为喷管中临 界截面的状态点（如图 8 – 9所示） 。由图查得：
2 k 1 k k 2k p0 p2 p2 （8-13） k 1 v0 p0 p0 虚线在什
由上式可知：当 qm c A2及进口截面参数保 持不变时，流量qm仅 随出口截面压力与滞 止压力之比而变，如 右图示。 0
本章主要讨论气体在流经喷管等设备时气流 参数变化与流道截面积的关系及流动过程中气体 能量传递和转化等问题。下面介绍一些相关产品 和工程实例。
§8-1 稳定流动的基本方程式
一、连续性方程
dA dcf dv 0 A cf v
（8-1）
上式称为稳定流动的连续性方程。它描述了流 道内流体的流速、比体积和截面积之间的关系，表 明：流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与 流速增加率之差。
B pb p0 D G1 p b p0 G2 H …
且 pb p2i
pb p2i pb p2i
喷管中气体流动特性分析_郑玉
第22卷 第7期2006年7月甘肃科技Gansu S cience and Technolo gyVol.22 N o.7J uly. 2006喷管中气体流动特性分析郑 玉1,张永恒2(1兰州交通大学数理与软件工程学院,甘肃兰州730030;2.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)摘 要:分析各种工况下气流流经渐缩喷管和缩放喷管各个截面压力和流量的变化规律,比较两种喷管的基本特性,确定工作条件对喷管中气体流动的影响。
并介绍了实际气流曲线偏离理想气流曲线的因素。
关键词:喷管;压力;流量中图分类号:TQ 0281 引言喷管是利用气体的压力降低使气流加速的特殊管道。
它广泛应用于汽轮机等动力设备中,也应用于通风、空调等热力设备中。
例如在燃气轮机和汽轮机里都需要装设喷管,利用气体流经喷管获得高速气流推动叶轮叶片而作功。
喷管是使流体增速的变截面流道,气流在管道中流动时的状态变化情况和管道截面积的变化情况有密切关系。
由于喷管的长度较短,流速较高,气流从进入喷管到流出喷管的时间很短,因此可以认为喷管中气体流动是可逆的绝热流动过程。
喷管一般分为渐缩喷管和缩放喷管。
渐缩喷管如图1所示,缩放喷管如图2所示。
渐缩喷管沿流动方向截面积是逐渐减小的,气流作亚音速流动。
缩放喷管中气流在渐缩部分作亚音速流动,在渐放部分作超音速流动,在最小截面,即喉部是亚音速流动向超音速流动的转折点,这时流速等于当地音速。
本文通过分析空气流经渐缩喷管和缩放喷管各个截面压力变化和流量变化的规律,气流在喷管内完全膨胀,膨胀过度和膨胀不足等现象,分析研究两种喷管的特性以及工作条件的改变对喷管中气体流动的影响。
2 实验方法实验中必须测量四个变量,测压孔在喷管内不同截面位置X ,气流在该截面上的压力P ,背压P b ,(喷管出口外介质的压力),流量m 。
这些量分别用位移指针位置,可移动真空表,背压真空表以及U 型管压差计来显示。
实验是在一喷管实验台上进行,采用真空泵为动力,大气为气源。
理想气体-工程热力学
流速计算与分析
1、计算流速的公式：
h0
h2
c
2 f
2
2
h1
c
2 f
1
2
h
c
2 f
2
出口流速：
cf
cf2
2(h0 h)
2(h0 h2 )
普适
2(h1
h2 )
c
2 f
1
注意：a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质 b）式中h单位是J/kg，c是m/s，但一般资料提供h单位是kJ/kg。
第7-2节 促使流速改变的条件
第七章 气体与蒸汽的流动
由流体力学可知，要使工质的流速改变，可通 过以下两种方法达到：
1）截面积不变，改变进出口的压差－力学条件； 2）固定压差，改变进出口截面面积－几何条件。
喷 管：流速升高的管道； 扩压管：流速降低、压力升高的管道。
第七章 气体与蒸汽的流动
力学条件 —压力变化与流速变化的关系
绝热滞止时的温度和压力称为滞止温度T0和滞止压力p0。
若过程为定熵滞止过程：
例如插入 流体中的温
度计
h0
h2
c
2 f
2
2
h1
c
2 f
1
2
h
c
2 f
2
常数
第七章 气体与蒸汽的流动
理想气体：
c pT0
c pT1
c
2 f
1
2
c pT2
c
2 f
2
2
c pT
c
2 f
2
k
p0
p T0 T
k 1
水蒸气：
微分上式：
第七章孔口、管嘴出流和气体射流 (1)
Q A
2g p0 A
2
p0
若以重量流量来表示，则
G Q g Q A g 2 p0
第二节 管嘴出流
一、圆柱形外管嘴出流
当容器壁极厚或在薄壁孔口处外接一段长 L=3~4d的圆柱形短管，此时的出流现象称 为圆柱形外管嘴出流。此短管称为圆柱形 外管嘴（简称管嘴）。如图所示。
图7-15 无因次化所用参数坐 标
第三节 无限空间淹没紊流射流的特征
四、射流的动力特征 实验证明，射流中任意一点的压强均等于周围静止气
体的压强。
图7-16 射流动力特性推导
第四节 圆断面射流的运动分析
一、轴心速度um
um 0.965 0.48 0.96
0 a s 0.294 a s 0.147 a x
A A0
2
(7-6)
式中 A— 孔口面积，m2；
A0— 孔口所在壁的全部面积，m2；
μ— 完善收缩流量系数；
第一节 孔口出流
二、薄壁孔口淹没出流
如前所述，当流体由孔口出流到流体空间称为淹没出流，本节讨 论的是等密度流体的淹没出流.
vc 2gH0
（7-9）
式水（头，7-9根）据为具液体体条淹件没确出定流。流速计算公式。式中H0为淹没出流作用
[解] （1）此题为液体淹没出流。首先利用式（7-7）确定孔口作
用水头H0值
H0
( z1
p1
1v12 2g
) (z2
p2
2v22 2g
)
分析有
z1
z
，
2
v1
v2
，代入上式得
H0
p1
p2
100 1000
= 0.1m
（查2图）7-Dd6得 1：4000μ=00；.4.6假1 设流动处于阻力平方区，μ值与Re无关，则