工程热力学(喷管)
工程热力学喷管的原理
工程热力学喷管的原理
工程热力学喷管是一种利用压力差和流体动能转化为喷射能量的装置。
其主要原理如下：
1. 流体连续受压：在喷管入口，高压流体通过收敛部分减小截面积，使流速增加，压力下降。
根据质量守恒定律，流体质量连续存在，因此在流体减速的同时，密度将增大。
这使得压力恢复到正常水平。
2. 流体加速：当流体通过喷管的收敛段和喉管时，流速进一步加快，同时压力进一步降低。
这是由于收敛段和喉管的几何形状决定的，这些形状能够使流体施加一些力并导致流体加速。
3. 流体喷射：当流体通过喷管的扩张段时，会发生速度增加和压力下降。
扩张段经过设计，使流体从高速流动转化为喷射流动。
在扩张段，流体的流速超过了声速（超声速流动），发生了激波。
这种激波会将流体的能量转化为喷射能量，形成高速喷流。
总之，工程热力学喷管利用喷管内部的几何形状和流体连续性原理，将压力能和动能转化为喷射能量。
这种喷管的原理可以应用于喷气发动机、火箭推进器、涡轮增压器等设备中，实现流体的高速喷射和推力产生。
工程热力学蒸汽的流动
c2 ' c2
h2
h2
/
2
2'
x=1
0
s
21
6-4 绝热节流及其应用
一、绝热节流的概念
流体流经阀门、孔板等装置时，由于局部阻力较 大，使流体压力明显下降，称为节流现象。如果节 流过程是绝热的，则为绝热节流，简称节流。
二、节流过程的特点
1 3 2
1、过程的基本特性： （1）节流过程是典型 的不可逆过程； （2）绝热节流前后焓 值相等。
第一篇
工程热力学
第六章 蒸汽的流动
新课引入
前面讨论的热力系中所实施的热力过程，一般都没有考 虑工质流动状况(如流速)的改变。但在有些热力设备中， 能量转换是在工质的流速和热力状态同时变化的热力过程 中实现的。如蒸汽在汽轮机中喷管内的流动过程；气体在 叶轮式压气机中扩压管内的流动过程等，其能量转换的规 律需专门研究，为以后汽轮机专业课的学习奠定一定的理 论基础知识。
h
节流前汽轮机按1-2进行：
p1
/
p1
t1
/
wt=h1-h2 wt′=h1′-h2′ 由于h1=h1′及h2′>h2， 则有 wt′<wt
h1Hale Waihona Puke h11t1/
1'
节流后汽轮机按1′-2′进行：
p2
h2
/
h2
2' 2
x=1
0
s
虽然蒸汽绝热节流后，焓不变，1kg蒸汽的总能量的数量 没变，但其作功能力降低了。
14
工程中常用的喷管型式为：渐缩喷管和缩放喷管
15
Ma<1
Ma<1
Ma>1
渐缩喷管
工程热力学-第五章
对收缩喷管，压力最多只能 膨胀到临界压力，流速最大 也只能达到当地声速，故最 大质量流量为
qm ,max = Amin 2κ ⎛ 2 ⎞ ⎟ κ +1⎜ κ 1 + ⎝ ⎠
2 κ −1
p0 v0
对缩放喷管，由于最小截面的流量限制，尽管在Ma>1 时流速和截面积都在增大，但质量流量保持不变
取对数
定熵指数大于1，故气流在喷管里面压力不断 降低的同时，音速也是不断降低的
5.3 喷管的计算 一、流速计算
1.流速计算公式 能量方程式： h0 = h2 +
c
2 f2
2
= h1 +
c
2 f1
2
= h+
c
2 f
2
任意截面流速： c f = 出口截面流速： cf 2 =
2 ( h0 − h )
2 ( h0 − h2 ) = 2 ( h1 − h2 ) + c 2 f1
c f ,cr = c = kpcr vcr
5.2 促使流速改变的条件
喷管中的音速变化
c = kpv
1 ln c = ( ln κ + ln p + ln v ) 2 dc 1 ⎛ dp dv ⎞ 求微分 = ⎜ + ⎟ c 2⎝ p v ⎠ dc 1 ⎛ 1 ⎞ dp = ⎜1 − ⎟ c 2⎝ κ ⎠ p dp dv 过程方程： +κ =0 p v
pcr ??
根据临界截面的定义(Ma=1)： c f ,cr = κ pcr vcr
κ −1 ⎡ ⎤ κ pcr vcr 2 ⎢ ⎛ pcr ⎞ ⎥ 1− ⎜ = ⎟ ⎥ ⎢ κ −1 p 0 v0 p0 ⎠ ⎝ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
工程热力学喷管特性实验
工程热力学喷管特性实验实验报告评分实验题目:喷管特性实验实验目的:验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，建立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念;比较熟练地掌握用热工仪表测量压力(负压)、压差及流量的方法;明确渐缩喷管出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量;明确缩放喷管中的压力可以低于临界压力，流速可高于当地音速，而流量不可能大于最大流量;对喷管中气流的实际复杂过程有所了解，能定性解释激波产生的原因。
实验原理:1(喷管中气流的基本原理a,KPV由连续方程、能量方程和状态方程结合声速公式得:dAdc2,,,M,1,,,,Ac 马赫数M=c/a显然，要使喷管中气流加速，当M<1时，喷管应为渐缩型(dA<0);当气流M>1时，喷管应为渐扩型(dA>0)。
2(气体流动的临界概念喷管中气流的特征是dp<0，dc>0，dv>0，三者之间互相制约。
当某一截面的速度达到当地音速时，气流处于从亚音速变为超音速的转折点，通常称为临界状态。
K2,,K,1,,,,K，1,, 临界压力比，对于空气，,=0.528当渐缩喷管出口处气流速度达到音速或缩放喷管喉部达到音速时，通过喷管的气体流量便达到了最大值，或成临界流量。
可由下式确定:2P2K2,,K,11，m,A,,,maxminK，1K，1V,,1 式中: A—最小截面积(对于渐缩喷管即为出口处的流通截面积;对于缩放喷管即为喉部的面min积。
本实验台的两种喷管最小截面积均为11.44)。
3(气体在喷管中的流动(1)渐缩喷管渐缩喷管因受几何条件(dA<0)的限制。
有式(4)可知:气体流速只能等于或低于音P,P2cC,a速();出口截面的压力只能高于或等于临界压力();通过喷管的流量只能等，，m,mmax于或小于最大流量()。
(2)缩放喷管缩放喷管的喉部dA=0，因而气流可达到音速(c=a);扩大段dA>0，出口截面处的流速可超音速(c>a)，其压力可低于临界压力(P2<Pc)，但因喉部几何尺寸的限制，其流量的，mmax最大值仍为最大流量()。
喷管特性实验指导书
《工程热力学》喷管特性实验实验指导书编制：朱天宇肖洪河海大学机电工程学院2006年5月喷管特性实验一、 实验目的1． 验证并进一步对喷管中气流基本规律的理解。
牢固树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念。
2． 掌握喷管实验装置的实验原理、实验方法和操作步骤，比较熟练地用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量。
3．测量并绘制喷管内的压力分布曲线及流量曲线，做出定性的解释。
二、 实验原理喷管是一些热工设备的重要部件，这些设备的工作过程和喷管中气体的流动过程有密切的关系。
实验观察气流完全膨胀时沿喷管各界面的压力变化，测定流量曲线和临界压力比，可以帮助了解喷管中气体流动现象的基本特性，并且通过观察渐缩渐扩喷管中膨胀不足和膨胀过度的现象，还可进一步了解工作条件对喷管中流动过程的影响。
（一）收缩喷管出口的流速和流量假设喷管进口的气流参数都用它们对应的滞止参数表示，喷管出口处的气流参数用下标1表示，则喷管中绝能流的能量方程为211012f h c h +=对于比热为常数的理想气体，上式成为211012p f p c T c c T +=引用等熵过程关系式和状态方程（理想气体的γκ=），于是喷管出口的气流速度1f c ==（1-1）可见对于给定的气体，在收缩喷管出口气流未达到临界状态之前，进口的总焓越高，或者出口气流的压强对滞止压强比越小，则出口气流的速度越高。
收缩喷管出口气流速度最高可达当地声速，即出口气流处于临界状态。
通过喷管的质量流量为：1111111()f f m A c A c p q v v p γ==将式（1-1）式代入上式得出m q A = （1-2）m q 是1p 的连续函数，而且当1p =0和10p p =时，m q 都等于零。
由此推论。
在100p p <<的范围内必有m q 的极限值。
为了推求流量的最大值max m q ，取上式对1p 的导数，并令1/0m dq dp =，即1102()1cr p p p γγλ-==+意即1p 等于临界压强cr p 时，收缩喷管的流量达到最大值max m q ，这时喷管出口气流达临界状态11M a =。
工程热力学实验讲义
第一章 工程热力学§1-1 空气绝热指数的测定实验一、实验目的通过测量绝热膨胀和定容加热过程中空气的压力变化，计算空气绝热指数。
理解绝热膨胀过程和定容加热过程以及平衡态的概念。
二、实验原理气体的绝热指数定义为气体的定压比热容与定容比热容之比，以K 表示，即p vc k c =。
本实验利用定量空气在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气的绝热指数K 。
实验过程的P-V 图如图1所示。
图中AB 为绝热膨胀过程；BC 为定容加热过程。
图1 等容和绝热过程AB 为绝热过程，1122k kp v p v = （1） BC 为定容过程，23v v = （2）假设状态A 和C 温度相同，则23T T =。
根据理想气体的状态方程，对于状态A 、C 可得：1133p v p v = （3）将（3）式两边K 次方得：()()1133kkp v p v = （4）由（1）、（4）两式得，1132kp p p p ⎛⎫=⎪⎝⎭，再两边取对数，得： 1213ln ln p p k p p ⎛⎫ ⎪⎝⎭=⎛⎫ ⎪⎝⎭（5）因此，只要测出A 、B 、C 三状态下的压力123,,p p p 且将其代入（5）式，即可求得空气的绝热指数k 。
三、实验装置空气绝热指数测定仪由刚性容器，充气阀、排气阀和U 型差压计组成，如图2所示。
空气绝热指数测定仪以绝热膨胀和定容加热两个基本热力过程为工作原理，测出空气绝热指数。
整个仪器简单明了，操作简便，有利于培养学生运用热力学基本和公式从事实验设计和数据处理的工作能力，从而起到巩固和深化课堂教学内容的实际效果。
图2 空气绝热指数测定装置示意图1－有机玻璃容器；2－进气及测压三通；3 U 型压力计；4 －气囊；5－放气阀门。
四、实验步骤实验对装置的气密性要求较高。
因此，在实验开始时，应检查其气密性。
通过充气阀对刚性容器充气，使U 型压差计的水柱h ∆达到2200mmH O 左右，记下h ∆值，5分钟后再观察h ∆值，看是否发生变化。
工程热力学-第九章气体和蒸汽的流动之喷管设计
pb pc，则p2 pb
选择缩放喷管
喷管校核 已知减缩喷管， 确定其出口压力
pb pc，则p2 pb
pb pc，则p2 pb pc
已知缩放喷管， 确定出口压力
pb pc，则p2 pc
p2 pb
THANK YOU
b）以低于当地音速流入渐扩喷管(divergent nozzle) 不可能使气流可逆加速。
c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩 渐扩喷管(convergent- divergent nozzle)—拉伐尔 (Laval nozzle)喷管。
01
3）背压(back pressure)pb是指喷管出口截面外工作环境 的压力。正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于 背压pb，但非设计工况下p2未必等于 pb。
第九章 气体和蒸汽 的流动 之
喷管设计
CONTENTS
01. 喷管形式分析 02. 喷管设计
01. 喷管形式分析
01
根据几何条件， Ma2 1 dcf dA
cf A
1）cf与A的关系还与Ma有关，对于喷管
a) Ma 1cf a dcf与dA异号，即cf A
Ma 1 Ma2 1, 据Ma2 dcf dv cf v
2）气流的焓火用 差（即技术功）为气流加速提供能量；
3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；
4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速
cfcr pcrvcr RTcr
5）背压pb未必等于p2。
01
喷管中各参数沿轴向的变化情况
dp<0 dc>0 da<0 dv>0
02. 喷管设计
热力学 喷管和扩压管ppt课件
下降的。气体在喷管内的绝热流动中，压力下 降，温度下降，声速也将不断下降，流速的不 断增加和声速的不断降低使得马赫数总是不断 增加。在渐缩喷管内，马赫数可增加到极限值 1；在渐扩喷管内，马赫数可从1开始增加。
SUCCESS
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2019/6/24
根据过程方程 p
v s
p v有
ca pv RgT
上式说明，气体的声速与气体的热 力状态有关，气体的状态不同，声速也不同。 在气体的流动过程中，气体的热力状态发生 变化，声速也要变化。因此在气体介质中的 声速是当地声速，即某截面处热力状态下的 声速。
马赫数是气体在某截面处的流速与该处声速之比
1 2
c 2
gz
wsh
在喷管和扩压管的流动中，由于流道
较短，工质流速较高，故工质与外界几乎无
热交换。在流动中，工质与外界也无轴功交 换，工质进出口位能差可忽略不计，因此上
式变为
c2 2h
两边微分得
cdc dh
上式说明，工质的流速升高来源于工质 在流动过程中的焓降；工质的流速减小时， 焓将增加。
因而，为使Ｍ从 M 1 连续增加
到 M 1 ，在压差足够大的条件下，应采
用由渐缩喷管和渐扩喷管组合而成的缩放喷 管，又称拉伐尔喷管。在缩放喷管中，最小 截面即喉部截面处的流动是Ｍ＝１的声速流
动。该截面是 M 1的亚声速流动与 M 1
的超声速流动转折点，称为临界截面。临界
截面上的状态参数称为临界参数，用下标cr
种扩压管称为渐扩扩压管。工程上扩压管 比较简单，仅限于Ｍ＜１的情况，故渐扩 两字通常省略。
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c22 c22 c22
12
N
h1 h2 h1 h2
2
工程热力学 Thermodynamics 二、第二定律分析
s sg 0 I qmT0sg
s
cp
T2 T1
Rg
ln
p2 p1
s2 s1
理想气体 蒸气
T2 c2 2cp T1 T2 c2
s2 h2 , p2查 h2 c2 c2
1、绝热滞止：气体在绝热流动过程中，因受某种物体的阻碍，或 经扩压管后，气体流速降低为零的过程称为绝热滞止过程。
2、滞止参数：气流速度在绝热滞止过程中滞止为0的状态称 为滞止状态，其状态参数称为滞止参数。
h0
h1
c12 2
T0
T1
c12 2cp
p0
工程热力学 Thermodynamics
工程热力学 Thermodynamics
1、比体积 ：比体积就是单位质量的工质所占的体积。即
v V m3 /kg m
2、压力 ：压力即物理学中的压强，单位是Pa。
绝对压力：p
大气压力：pb
pe ：表压力 pv ：真空度
p pb pe p pb pv
工程热力学 Thermodynamics
三、研究步骤
1、*定熵流动的基本规律； 2、有黏性摩阻的流动。
工程热力学 Thermodynamics
第一节 一维稳定流动的基本方程
一、连续性方程
qm1
qm2
A1c1 v1
A2c2 v2qm NhomakorabeaAc v
const
dA dc dv 0 Ac v
工程热力学 Thermodynamics
解：a) 确定出口压力：
pb p1 7 9 0.778 cr 0.546
p2 pb 7.0 MPa
确定出口截面参数： 查图或查表得
h1 3386 .4 kJ/kg, s1 6.6592 kJ/(kg.K)
由 p2 , s2 查 得s1
h2 3306 .1 kJ/kg , v2 0.04473 m3/kg
校核计算步骤
已知： p1,T1(c1 0), pb, Aj 求： cj, qm
步骤： ① 通过 pb p1 与 cr 的比较，确定喷管出口压力 p2
对于渐缩喷管
pb pb
p1 cr时, p2 pb p1 cr时, p2 pcr cr p1
对于缩放喷管 pb p1 cr时, p2 pb
1
h
c2 c2 400.7 0.97 388.7 m/s
p0 p1 T0 T1
p2
由喷管速度系数：
2 2
0
s
c2 2(h1 h2 )
c2 2(h1 h2 )
2 h1 h2
h1 h2
h2 h1 2 h1 h2 3386.4 0.972 3386.4 3306.1
pb p1
0.6 1.5
0.4 cr
0.528
（2）
故选缩放喷管，且 p2 pb 0.6MPa
pcr cr p1 0.528 1.5 0.792 MPa
1
1.41
Tcr T1 cr 600 0528 1.4 499.9 K
vcr
RgTcr pcr
0.287103 499.9 0.792 106
工程热力学 Thermodynamics
二、临界压比与选型原则
1、临界压比
p1 pcr
p2
临界截面处 p pcr, c ccr pcrvcr ,
临界压比
cr
pcr p1
前提：c1=0
1
1
pcrvcr
pcr p1
p1
v1
p1 pcr
p1v1
pcr p1
ccr
2
p1v1 1
工程热力学 Thermodynamics
例2： 一渐缩喷管，出口截面面积 A2 25cm2，进口水蒸气参数 为 p1 9.0 MPa ，t1 500 ℃ ，背压 pb 7.0 MPa 。试求；a)出口流
速 c2，流量 qm ；b）若 pb 4.0 MPa, c2 ? qm ? c) 在a)的条件 下，若存在摩阻 0.97，则 c2 ? qm ?
对于缩放喷管 pb p1 cr时, p2 pb
②和③与设计计算的②和③相同；
④ 根据流量公式，由最小截面处的 流速、比体积和截面积求流过喷 管的气流流量。
工程热力学 Thermodynamics 第四节 有摩阻的绝热流动 一、流速计算
c2
c2
c2 c2 2h1 h2
0.92 ~ 0.98
1、计算
A2c2
qm
Ac v
v2 Acr ccr
vcr
渐缩喷管 缩放喷管
工程热力学 Thermodynamics
2、以渐缩喷管为例分析 qm
c
b
1
c2
2
p1v1 1
1
p2 p1
1
v2
v1
p2 p1
qm
A2c2 v2
A2
0
1
1
3
4
2
4
2
1
2
1
p1 v1
p2 p1
3310.8 kJ/kg
工程热力学 Thermodynamics
h
1
p0 p1
T0 T1
由 p2 , h查2图或查表得：
p2
v2 0.04488 m3 /kg
2 2
0
s
故
qm
A2c2 v2
25104 388.7 0.04488
21.65
kg/s
工程热力学 Thermodynamics 第五节 扩压管与绝热滞止
单原子气体 双原子气体 多原子气体 过热蒸汽 干饱和蒸汽
工程热力学 Thermodynamics 2、选型原则 渐缩喷管、渐扩喷管、缩放喷管
已知参数：p1,T1, (c1 0) ，背压 pb （喷后部管道压力）。
目的：充分利用压差 p1 pb
1
2
pb
使得 p2 pb
1
2
当 pb p1 cr ，若选渐缩喷管,
一、扩压管
1、扩压管：使气流压力提高，流速降低的变截面管道。
pc
2、计算： c2 0
c1 ?
工程热力学 Thermodynamics
c1 2h2 h1 理想 气体 2cp T2 T1
1
T2
T1
p2 p1
h2 p2 , s2 s1
工程热力学 Thermodynamics
二、绝热滞止与滞止参数 c1 0 ?(c1>50m/s)
二、能量方程
c 2
q h 2 gz wsh
1 2
c2
h
c2
2h
2(h1
h2 )
cdc dh
2
2
q h wt q h
vdp h
1
vdp
1
dh vdp
cdc
vdp
c
p
c p
工程热力学 Thermodynamics 三、过程方程
p1v1 p2v2 pv
dp dv 0
p2 p1
( pb )
a p1
p2 p1
工程热力学 Thermodynamics 四、设计计算与校核计算
设计计算步骤
已知： p1,T1(c1 0), pb, qm 求： cj, Aj
步骤： ① 喷管选型（选型原则前已述及），有 p2 pb ；
② 计算喷管主要截面（临界截面、出口截面）的热力 状态参数；
③ 计算喷管主要截面处的气流速度； ④ 由流量公式求解各主要截面的截面积。
工程热力学 Thermodynamics
例 1 试设计喷管，使空气从 p1 1.5MPa , t1=327C，可逆地膨胀 到 pb 0.6MPa ，流量 qm 3kg/s 。则喷管重要截面的流速及面积为 多少？
解（1）选型
1
pcr p1
1
1
pcrvcr
=
p1v1
p cr p1
工程热力学 Thermodynamics
ccr
2
p1v1 1
1
pcr p1
1
1
pcrvcr
=
p1v1
p cr p1
pcr p1
cr
2
1
1
0.487
cr 00..552486
0.546 0.577
第二节 气体的定熵流动
一、截面积、流速和比体积间的关系
dA dc dv 0 Ac v
dA dv dc A vc
喷管：使气流流速增加、压力降低的变截面管道。c p
c v 当 dc dv dA 0 c vA
当 dc dv dA 0 c vA
工程热力学 Thermodynamics 二、特征参数方程
p2 pb pcr ，能满足要求
工程热力学 Thermodynamics 当 pb p1 cr ，若选渐缩喷管,
p2 pcr ( pb ) pb ,不能满足要求
若选缩放喷管，
p2 pb pcr ，能满足要求
选型原则
pb p1 cr
pb
p1 cr
选渐缩喷管 选缩放喷管
工程热力学 Thermodynamics 三、流量计算与分析
（4）
c2 2cp T1 T2 21.004600 461.8103 526.8 m/s
Acr
qmvcr ccr
3 0.1812 448.3
12.13104
m2 12.13
cm2