燃氣渦輪發(fā)動機01-基礎知識.ppt

燃氣渦輪發(fā)動機,第 1 章,基礎知識,3,第1章 基礎知識,力學 研究物質運動基本規(guī)律及其應用的科學。主要內容包括：物體運動狀態(tài)的描述及牛頓運動定律等。 熱力學 研究能量及其轉換的科學。主要內容包括：熱力學的基本定律，即熱力學第一定律和熱力學第二定律；工質的熱力性質和熱力過程等。 氣體動力學 研究氣體在流動過程中，氣體與氣體、氣體與固體之間相互作用所遵循的規(guī)律及參數的變化規(guī)律。 傳熱學 研究對象是熱量傳遞的規(guī)律。,4,1.1 物質,物態(tài)和相變 物態(tài)：構成物質的粒子的聚集狀態(tài)叫物態(tài)。 物態(tài)有三種，即固態(tài)；液態(tài)和氣態(tài)。 相變：由一種物態(tài)向另一種物態(tài)的轉變叫相變。 相變有： 由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)叫液化；(放熱)， 由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)叫汽化；(吸熱)， 由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)叫凝結；(放熱)， 由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)叫熔解；(吸熱)， 由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)叫升華；(吸熱)， 由氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)叫結晶。(放熱) 。 三相點 物質的汽化曲線，熔解曲線和升華曲線的交點稱為三相點?；蚴俏镔|的固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)共存的溫度點。,5,1.2 物體的運動-牛頓第一定律,牛頓運動定律 一、牛頓第一定律 任何物體都保持靜止的或沿一直線作勻速運動的狀態(tài)，直到作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)為止 牛頓第一定律指明了任何物體都具有慣性 所謂慣性，就是物體所具有的保持其原有運動狀態(tài)不變的特性。,6,1.2 物體的運動-慣性參考系,牛頓運動定律 慣性參考系 運動只有相對于一定的參考系才有意義 在這種參考系中觀察，一個不受力作用的物體或處于受力平衡狀態(tài)下的物體，將保持其靜止或勻速直線運動的狀態(tài)不變，這樣的參考系稱為慣性參考系 并非任何參考系都是慣性系 對一般力學現(xiàn)象來說，地面參考系是一個足夠精確的慣性系 牛頓定律只有在慣性參考系中才成立。 非慣性坐標系 相對于慣性參照系做變速運動的參照系是非慣性參照系，在非慣性參照系中的物體會受到慣性力作用,7,1.2 物體的運動-牛頓第三定律,牛頓運動定律 牛頓第三定律 兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一直線上， 大小相等而方向相反,8,1.2 物體的運動-力,1.2.3 牛頓運動定律 重力 彈力:胡克定律 摩擦力:靜摩擦力 ,動摩擦力 萬有引力,9,1.2 物體的運動-重力,重力 地球表面附近的物體都受到地球的吸引作用受到的力叫做重力。 W=mg 式中m為質量, 質量為物體中所包含物質的多少。 其法定計量單位為公斤。,10,1.2 物體的運動-彈力,彈力 發(fā)生形變的物體，由于要恢復原狀，對與它接觸的物體會產生力的作用，這種力叫彈力，又叫恢復力。 彈力是產生在直接接觸的物體之間并以物體的形變?yōu)橄葲Q條件的。 胡克定律 在彈性限度內，彈力大小和形變成正比FMX 式中M叫彈簧的勁度系數， 負號表示彈力的方向總是 和彈簧位移的方向相反， 這就是說，彈力總是指向 要恢復它原長的方向。,11,1.2 物體的運動-摩擦力,摩擦力 兩個相互接觸的物體在沿接觸面相對運動時，或者有相對運動的趨勢時，在接觸面之間產生一對阻止相對運動的力，叫做摩擦力。 靜摩擦力 相互接觸的兩個物體在外力作用下，雖有相對運動的趨勢，但并不產生相對運動，這時的摩擦力叫靜摩擦力。 物體所受到的靜摩擦力與該物體的運動趨勢的方向相反。 靜摩擦力的大小視外力的大小而定，介乎0和某個最大靜摩擦力之間。 動摩擦力 當外力超過最大靜摩擦力時，物體間產生了相對運動，這時也有摩擦力，叫做滑動摩擦力。 滑動摩擦力也與正壓力成正比。 對于給定的一對接觸面來說， ,一般兩者都小于1。,12,1.2 物體的運動-萬有引力,萬有引力 任何兩個物體之間的吸引力叫萬有引力。 牛頓萬有引力定律： 對于質量分別為m1和m2的兩個質點 相距為r時，它們之間的引力F為： F=G0m1m2 /r2 式中G0叫萬有引力常量 其數值為 G0 6.6710-11Nm2/kg 2 重力是由地球對它表面附近的物體的引力引起的萬有引力 。,13,1.2 物體的運動-牛頓第二定律,四、牛頓第二定律: F=ma 牛頓第二定律表明物體的加速度和所受的力，它們同時存在，同時改變，同時消失。一旦作用在物體上的外力被撤去，物體的加速度立即消失，但這并不意味著物體停止運動，按照牛頓第一定律，這時物體將作勻速直線運動，這正是慣性的表現(xiàn)。 物體有無運動，表現(xiàn)在它有無速度，而運動有無改變，則要取決于它有無加速度。如果有加速度，則作用在物體上的外力一定存在，力是產生加速度的原因。 該力為合力,14,1.2 物體的運動-力的疊加原理,力的疊加原理 如果幾個力同時作用在一個物體上，則物體產生的加速度等于每個力單獨作用時產生的加速度的疊加，也等于這幾個力的合力產生的加速度。這一結論叫做力的獨立性原理，又叫力的疊加原理。 在某一瞬間，作用在物體上的所有外力的合力等于物體動量的變化率，而且合力的方向與動量變化率的方向相同。,15,1.2 物體的運動-振動,16,1.2 物體的運動-振動,1.2.4 振動 自由振動:不在外力作用下的振動叫做自由振動。 受迫振動:物體在周期性外力的作用下產生的振動，叫做受迫振動。 振幅: 振動物體離開平衡位置的最大距離。它的大小, 說明物體振動的強弱程度。 周期: 物體完成一次全振動所經歷的時間。 頻率: 單位時間內物體完成全振動的次數。物體作自由振動時的頻率叫做自由振動頻率, 或叫固有頻率。,17,1.2 物體的運動-振動,1.2.4 振動 理論和實驗都證明, 物體的自由振動頻率的高低, 完全由物體本身的性質(剛度、質量、尺寸等)決定, 而與外力的大小無關。 共振：當物體振動的自由頻率與外力頻率接近或一致時, 物體振動的振幅會急劇增大, 這種現(xiàn)象叫做共振。在機械結構中, 共振的破壞性很大, 必須加以防止。,18,1.3 熱力學基礎,1.3.1 熱力學的基本概念 系統(tǒng)（熱力系）：在熱力學中將研究對象的物質及其所在的空間稱為系統(tǒng)。 外界：系統(tǒng)之外能夠以某種方式與系統(tǒng)發(fā)生相互作用的局部區(qū)域內的物質稱為外界。 界面：系統(tǒng)與外界之間的分界面稱為界面。 界面可以是真實的, 也可以是假想的; 可以是固定的, 也可以是運動的。 系統(tǒng)與外界之間的相互作用是指能量（包括熱量和功）交換和質量交換。,19,1.3 熱力學基礎,系統(tǒng)的分類： 閉口系：與外界無質量交換的系統(tǒng)稱為閉口系。 特點是系統(tǒng)中包含工質的質量保持不變。 開口系：與外界有質量交換的系統(tǒng)稱為開口系。 特點是系統(tǒng)的容積保持不變。 絕熱系：與外界無熱量交換的系統(tǒng)稱為絕熱系。 孤立系：與外界既無質量的交換也無能量的交換稱為孤立系。 特點是系統(tǒng)中包含工質的質量和能量均保持不變。 簡單可壓縮系：由可壓縮流體構成, 與外界只交換熱量和一種模式功的系統(tǒng)稱為簡單可壓縮系。 這種系統(tǒng)與外界交換功的模式為容積功。,20,1.3 熱力學基礎,狀態(tài)： 在某一指定的瞬間系統(tǒng)所呈現(xiàn)的一切宏觀性質的綜合表現(xiàn)稱為系統(tǒng)的狀態(tài)。 系統(tǒng)可能呈現(xiàn)各種不同的狀態(tài), 其中具有特別重要意義的是平衡狀態(tài)。 平衡狀態(tài)：所謂平衡態(tài)是系統(tǒng)與外界不發(fā)生相互作用的條件下, 其宏觀性質不隨時間變化的狀態(tài)。 熱力過程 系統(tǒng)從一個平衡態(tài)向另一個平衡態(tài)變化時所經歷的全部狀態(tài)的總和稱為熱力過程。 熱力過程根據其性質可分為: 準靜態(tài)過程、不平衡過程、可逆過程和不可逆過程等。 準靜態(tài)過程： 由一系列無限接近于內部平衡狀態(tài)的狀態(tài)所組成, 而且以幾乎趨近于零的速度進行的熱力過程稱為準靜態(tài)過程, 或稱為準平衡過程和內部平衡過程。 可逆過程：系統(tǒng)在經歷某一熱力過程后, 能夠簡單地逆轉, 使系統(tǒng)和外界可以同時完全復原的過程稱為可逆過程, 否則是不可逆過程。 循環(huán)：封閉的熱力過程稱為熱力循環(huán), 簡稱為循環(huán)。此時系統(tǒng)從一個平衡態(tài)經過一系列的狀態(tài)又回到原來的狀態(tài)。,21,1.3 熱力學基礎-溫度,狀態(tài)參數：描寫系統(tǒng)性質的宏觀物理量。 基本狀態(tài)參數： 可以直接測量的狀態(tài)參數稱為基本狀態(tài)參數。例如溫度、壓力、比容等。 溫度：溫度表示物體的冷熱程度。它是描寫處于熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)宏觀特性的物理量。 溫標：溫度的數值表示法稱為溫標。分為熱力學溫標、攝氏溫標、華氏溫標等。 熱力學溫標是與測溫物質的性質無關的溫標，單位為開爾文，代號為K，以標準大氣壓下水的三相點為唯一的基準點，并規(guī)定水的三相點的溫度為273.16K，溫度單位為1/273.16。 攝氏溫標是選用標準大氣壓下水的兩相點（冰水混合物）為0度，沸點為100度，并將溫度視為測溫物某一物性的線性函數的溫標。 熱力學溫度與攝氏溫度之間的關系： T（K）t273.15 華氏溫標是選用標準大氣壓下水的兩相點（冰水混合物）為32度， 沸點為212度，并將溫度視為測溫物某一物性的線性函數的溫標。 攝氏溫度與華氏溫度之間的關系 tc=（tF-32）5/9； TF=32+9tc/5,22,1.3 熱力學基礎-壓力,壓力 單位面積上所承受的垂直方向的作用力稱為壓強或稱為壓力。 壓力的法定計量單位是帕斯卡，簡稱為帕，用Pa表示。 1Pa=1N/m2 1MPa=106Pa；1bar=105Pa 絕對壓力：系統(tǒng)的真實壓力是絕對壓力。 絕對壓力的基準點是絕對真空。 表壓力：系統(tǒng)的真實壓力超出當地大氣壓力的部分叫表壓。 pg=p - p0 真空度：系統(tǒng)的真實壓力低于當地大氣壓力的部分叫真空度。 pv=p0 - p 注意：表壓和真空度都不是狀態(tài)參數，因為它們的數值不但與系統(tǒng)的真實壓力有關，而且與當地的大氣壓力有關。所以絕對壓力才是狀態(tài)參數。,23,1.3 熱力學基礎-狀態(tài)方程,比容 單位質量的物質所占有的容積稱為比容。 比容的法定計量單位是m3/kg。 v=V/m 狀態(tài)方程 平衡態(tài)下基本狀態(tài)參數壓力， 溫度和比容之間的關系式稱為狀態(tài)方程，即 F（p，v，T）=0 完全氣體狀態(tài)方程： 完全氣體：將氣體分子自身體積和分子間作用力忽略不計的氣體稱為完全氣體。 實驗和理論都表明：當壓力不太高，溫度不太低時，各種氣體都可按完全氣體來處理。 對于1公斤完全氣體其狀態(tài)方程為： pv=RT 式中：為氣體常數。氣體常數只決定于氣體的種類不隨氣體的狀態(tài)而變化?？諝獾臍怏w常數為287.06j/（kg，K）。 pV=mRT,24,1.3 熱力學基礎-功,四、功和熱 功：功是力和沿著力的方向所移動的距離的乘積，用符號W表示 功為過程量 系統(tǒng)對外界作功，則功為正（） 外界對系統(tǒng)作功，則功為負（） 比功的定義 功的單位 熱：系統(tǒng)在熱力過程中通過邊界與外界之間依靠溫差傳遞的能量。 單位 熱為過程量,25,容積功： 在熱力過程中由于系統(tǒng)容積（比容）變化與外界交換的功稱為容積功。 容積功分為膨脹功和壓縮功。 在熱力過程中容積不斷變大時與外界交換的功稱為膨脹功。 在熱力過程中容積不斷變小時與外界交換的功稱為壓縮功。 膨脹功為正，而壓縮功為負。 功率：單位時間內所完成的功稱為功率。用符號N表示。 功率的法定單位為瓦特，簡稱瓦，瓦焦爾秒,1.3 熱力學基礎-容積功,26,1.3 熱力學基礎-熱量,熱量：Q 系統(tǒng)在過程中通過邊界與外界之間依靠溫差所傳遞的能量稱為熱量。 系統(tǒng)內單位質量的物質與外界所交換的熱量稱為比熱量，用符號q表示。 外界對系統(tǒng)加熱，則熱量為正() 系統(tǒng)向外界放熱，則熱量為負() 熱量的法定計量單位為“焦耳”(j)， 比熱量的單位為“焦耳公斤”(j/kg)。,27,1.3 熱力學基礎-內能,1.3.2 熱力學基本定律 內能: 熱力系內部儲存的能量。 U=UK + Up+UM+UA 式中：U-內能； UK 內動能，它的大小取決于溫度； Up 內勢能；它的大小取決于分子間的距離，即取決于比容； UM 化學能； UA 原子能。 在工程熱力學范圍內，內能只包含有內動能和內勢能。 內能是狀態(tài)參數。 對于完全氣體，內能只包含有內動能，所以，完全氣體的內能只是溫度的單值函數。 內能的法定計量單位為j（焦爾）, 1公斤工質的內能稱為比內能，比內能的法定計量單位為j/kg。,28,1.3 熱力學基礎-熱力學第一定律,1.3.2 熱力學基本定律 一、熱力學第一定律 圖示的由氣缸活塞組成的閉口熱力系, 在初始平衡狀態(tài)時, 熱力系的內能為U1, 當外界對熱力系加入Q的熱量時, 熱力系對外界作了W的功, 使熱力系達到平衡狀態(tài), 這時熱力系的內能為U2,29,1.3 熱力學基礎-熱力學第一定律,1.3.2 熱力學基本定律 閉口系熱力學第一定律：閉口系與外界交換的熱量等于系統(tǒng)內能的變化與熱力系與外界所交換的功之和。 Q=U2-U1+W 或 q = u2-u1+w 它們適用于任何過程，也適用于任何工質。是一個普遍適用的關系式。 微分形式可表示為: Q =dU+ W 或 q=du+w 循環(huán)過程中的熱力學第一定律表達式是：系統(tǒng)與外界交換的循環(huán)功等于與外界交換的循環(huán)熱。,30,1.3 熱力學基礎-焓,焓： 焓的定義為: H=U+pV 焓是狀態(tài)參數。 單位質量物質的焓稱為比焓, 用 h 表示, 即 h=u+pv 焓的法定計量單位為j（焦爾）, 比焓的單位為j/kg。 用焓表示的熱力學第一定律 q=d h +wt 式中wt叫技術功。, Wt =-v dp,31,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,1.3.2 熱力學基本定律 二、熱力學第二定律 熱力學第二定律的任務是研究熱力過程進行的方向，條件和限度的 熱力學第二定律的兩種說法： 開爾文說法：“不可能制造出從單一熱源吸熱并使之全部轉變?yōu)楣Φ难h(huán)發(fā)動機”。 克勞修斯說法：“不可能由低溫物體向高溫物體傳送熱量而不引起其它變化”。要使熱傳遞方向倒轉過來，只有靠消耗功來實現(xiàn) -空調,32,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,33,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,1.3.2 熱力學基本定律 熵和熵方程 熵：在微元可逆過程中系統(tǒng)與外界交換的熱量與換熱時系統(tǒng)溫度的比值叫微元熵增，用符號 dS 表示，S稱為熵。 dS=（Q/T）re 熵是狀態(tài)參數。 單位質量的物質的熵稱為比熵，用s表示。 S=s/m 或 ds=（q/T）re 熵的法定計量單位為j/K， 比熵的單位為（j/kg，K，）。,34,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,不可逆過程的熵 可逆過程的熵:熱力系由狀態(tài)1經可逆過程A到狀態(tài)2, 熵的變化為: 不可逆過程的熵:熱力系由狀 態(tài)1經不可逆過程B到狀態(tài)2, 熵的變化為:,35,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,1.3.2 熱力學基本定律 熵方程： dS= Sf+ Sg 或 ds= sf+ sg 熵流：熵流是由于系統(tǒng)與外界換熱而產生的熵的變化量sf 。 它是熱能中的不可用能部分的表征。 熵產：熵產是由不可逆因素引起的系統(tǒng)熵的變化量sg ， 熵產恒為正值或等于零。它是系統(tǒng)中可用能的不可逆損失的表征?；蛘哒f熵產是一切不可逆特征的表征。,36,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,熵方程中的核心問題是熵產，熵產也正是熱力學第二定律的實質內容。由于能量在轉換和轉移過程中總是有其它形式的能量轉變成熱能, 而熱能又總是由高溫傳向低溫, 這些都會引起熵產。這正是熱能區(qū)別于其它型式能量的特征, 也正是一切熱力過程的自發(fā)性、方向性、不可逆性的根源。,37,1.3 熱力學基礎-熱力學第二定律,關于熵的幾個問題 1、在狀態(tài)1和2之間有兩個過程,其中， 過程A為可逆過程,過程B為不可逆過程。則S1A2與S1B2的關系是: S1A2 S1B2; S1A2 =S1B2; S1A2 S1B2 2、熱力系經歷一可逆過程,外界對熱力系加入10千焦的熱量，對外作出4千焦的功,則熱力系的熵變大于零;小于零;等于零,不等于零。 3、熱力系經歷一可逆過程,熱力系向外界放出10千焦，外界對熱力系輸入4千焦的功,則熱力系的熵變大于零;小于零;等于零,不等于零。 4、熱力系經歷一不可逆過程,外界對熱力系加入10千焦的熱量，對外作出4千焦的功，則熱力系的熵變大于零;小于零;等于零,不等于零。 5、熱力系經歷一不可逆過程,向外界放出10千焦，外界對熱力系輸入4千焦的功,則熱力系的熵變大于零;小于零;等于零,不能判別。,38,1.3 熱力學基礎-氣體的熱力性質,1.3.3 完全氣體的熱力性質 一、比熱容: 1公斤質量的物質在無耗散的準靜態(tài)過程中，溫度升高（或降低）K所需加入（或放出）的熱量稱為該物質在此過程中的比熱容。 比熱容法定計量單位是（j/kg.K) 1、定容比熱容：1公斤的氣體在容積不變的無耗散準靜態(tài)過程中， 溫度升高（或降低）1所需加入（或放出）的熱量稱為該種氣體的定容比熱容。用符號cv表示。 定容比熱容與氣體的種類和溫度有關。 定容比熱容的法定計量單位為（j/kg，K）。 2、定壓比熱容：1公斤的氣體在壓力不變的無耗散準靜態(tài)過程中， 溫度升高（或降低）1所需加入（或放出）的熱量稱為該種氣體的定壓比熱容。用符號cp表示。 定壓比熱容與氣體的種類和溫度有關。 定壓比熱容的法定計量單位為（j/kg，K）。,39,1.3 熱力學基礎-氣體的熱力性質,1.3.3 完全氣體的熱力性質 3、定壓比熱容與定容比熱容的關系 （1）梅耶關系式：對于完全氣體有 cp-cv=R 此式表明：盡管完全氣體的定壓比熱容和定容比熱容都隨溫度而變化，而它們的差值卻與溫度無關，恒等于氣體常數。又因為氣體常數R， 所以 cp cv 。 （2）熱容比（絕熱指數，定熵指數 ） 定壓比熱容與定容比熱容的比值稱為熱容比，又叫絕熱指數或定熵指數。即 k=cp/cv 熱容比不但與氣體的種類有關，而且與溫度有關。 當將熱容比作為常數處理時，對于空氣1.40，對于燃氣1.33。,40,1.3 熱力學基礎-氣體的熱力性質,1.3.3 完全氣體的熱力性質 二、完全氣體的內能, 焓和熵 1、內能：完全氣體的內能僅僅是溫度的函數。 對于定比熱完全氣體： u2-u1=cv（T2-T1） 2、焓：完全氣體的焓也僅僅是溫度的函數。 對于定比熱完全氣體： h2-h1=cp（T2-T1） 3熵 三、熱量的計算 熱量是過程量,不同的過 程用不同的公式進行計算.,41,1.3 熱力學基礎-定熵過程,1.3.4 熱力過程 一、定熵過程:可逆的絕熱過程是定熵過程. 過程方程為: 常數,=,42,1.3 熱力學基礎-多變過程,1.3.4 熱力過程 二、多變過程: 滿足 p v n C的過程叫做多變過程. 當n時：多變過程的過程方程變?yōu)椋簆常數，為定壓過程。 當n時：多變過程的過程方程變?yōu)椋篢常數，為定溫過程。 當n時：多變過程的過程方程變?yōu)椋簊常數；為定熵過程。 當n：多變過程的過程方程變?yōu)椋簐常數，為定容過程。,43,1.4 氣體動力學基礎,1.4.1 氣體的性質 一、氣體的壓縮性 壓縮性是氣體的重要屬性。 氣體的密度隨著壓力或溫度的變化而變化的性質稱為氣體壓縮性。 對于氣流速度和當地音速之比（該比值稱為馬赫數，用符號Ma表示）小于0.3的定熵絕能流動可以當作不可壓流來處理。 二、氣體的粘性 粘性是實際氣體的一個物理屬性。它表示出氣體對于切向力的一種反抗能力。,44,1.4 氣體動力學基礎,1.4.1 氣體的性質 1附面層:沿壁面法線方向速度梯度較大的一層流體稱為附面層,附面層的厚度為,附面層邊界流體的速度為99%V 2層流和紊流 臨界雷諾數Recr ： 當Re Recr 時，為層流流動； 當Re Recr時，為紊流流動； 對于光滑管內流動Recr =2300 雷諾數的物理意義,45,1.4 氣體動力學基礎,1.4.1 氣體的性質 3牛頓內摩擦定律 牛頓內摩擦定律指出，當流體處于層流流動狀態(tài)時，流體內摩擦力的大小與流體的速度梯度和接觸面積成正比，而且還與流體的性質有關。 牛頓內摩擦定律只適用于流動狀態(tài)為層流的情況，而不適用于紊流的流動狀態(tài)，也不適用于非牛頓流體。 牛頓內摩擦定律中的稱為動力粘性系數。它是一個物性參數，其大小取決于氣體的物理性質和溫度。對氣體來說，溫度越高，動力粘性系數越大。,46,1.4 氣體動力學基礎-基本方程,1.4.2 一維定常流的基本方程 一維定常流動是指在流動中描寫流體運動的參數, 如速度、壓力、密度、溫度等都是一個坐標的函數，這個坐標可以是直線坐標，也可以是曲線坐標。 自然界中的一切過程都遵守質量守恒定律、能量守恒與轉換定律、牛頓運動定律及熱力學第一定律。當然，氣體在流動過程中也遵守這些定律。把這些定律應用于氣體流動過程所得到的數學關系式稱為基本方程，包括：連續(xù)方程、動量方程、能量方程、貝努利方程。,47,1.4 氣體動力學基礎-連續(xù)方程,1.4.2 一維定常流的基本方程 連續(xù)方程 一維定常流中，控制體內氣體的質量保持不變，因此，質量守恒定律可表述為單位時間內流入控制體的質量等于單位時間流出控制體的流體的質量。即：qm1=qm2 質量流量：單位時間內流入或流出控制體的流體的質量稱為質量流量。 質量流量的法定計量單位為：kg/s。 在一維定常流中, 通過同一流管任意截面上的流體的質量流量保持不變。 常數 體積流量, 單位時間流入或流出控制體流體的體積。 體積流量的法定計量單位為：m3/s。,常數,48,1.4 氣體動力學基礎-動量方程,1.4.2 一維定常流的基本方程 動量方程 將牛頓第二定律應用于運動流體所得到的數學關系式稱為動量方程。 對于無粘性的一維定常流, 在忽略質量力的情況下, 其動量方程為; dp+VdV=0 此式說明: 當氣流壓力的增量為正時, 氣流速度的增量一定為負；當氣流壓力的增量為負時, 氣流速度的增量一定為正。這就是說，在同一流管中氣流靜壓增大的地方，流速減?。粴饬黛o壓減小的地方，流速增大。,49,一維定常流能量方程,50,1.4 氣體動力學基礎-能量方程,1.4.2 一維定常流的基本方程 能量方程 能量方程可表述為：控制體內單位質量的流體與外界交換的熱量等于焓的變化量、動能變化量、重力位能變化量及通過旋轉軸與外界所交換的軸功之和，即： Q=（H2-H1）+gm（z2-z1）+W s +m（V22-V12）/2 q=（h2-h1）+g（z2-z1）+w s +（V22-V12）/2 對于氣體，可以略去重力位能的變化量，則能量方程可以用總焓表示為： q=h2*-h1*+ws 或 q=dh*+ws 該式說明, 在一維定常流中，控制體與外界交換的熱量等于體系總焓的變化量與體系通過旋轉軸與外界交換的軸功之和。,51,1.4 氣體動力學基礎-貝努利方程,1.4.2 一維定常流的基本方程 不可壓流的貝努利方程 對于定熵絕能忽略重力位能的不可壓流,密度常數,可以得到: 它說明在不可壓流中任一點流體的靜壓與動壓之和保持不變。 定義不可壓流的靜壓與動壓之和為全壓, 也可以稱為總壓, 用符號p*表示。 在不可壓流中, 當流動管道橫截面積縮小時, 流體的流速增大, 壓力下降。反之, 當流動管道橫截面積擴大時, 流體的流速下降, 壓力增高。流動參數的這種變化規(guī)律可用圖1-20表示。,52,1.4 氣體動力學基礎-貝努利方程,不可壓流的貝努利方程,53,文氏管測流速流量,由貝努利方程 連續(xù)方程 得到,54,1.4 氣體動力學基礎-音速和馬赫數,1.4.3 音速和馬赫數 一、音速 音速是微弱擾動壓縮波和微弱擾動膨脹波在流體介質中的傳播速度，用符號a表示。 完全氣體中音速的計算公式是： 對于空氣： 二、馬赫數 流場中任一點處的流速與該點處氣體的音速的比值，叫做該點處氣流的馬赫數，用符號Ma表示。即 Ma =V/ a 馬赫數的物理意義:氣體宏觀運動動能與微觀運動動能的比值. 馬赫數的用途: 氣體壓縮性的判別準則; 根據馬赫數的大小可以把流動分為： 亞音速流動 Ma1.0； 音速流動 Ma1.0； 超音速流動 Ma1.0。 無粘性可壓縮流動力相似的判別準則。,55,1.4 氣體動力學基礎-滯止參數,1.4.4 滯止參數 一、滯止狀態(tài) 滯止狀態(tài)：某一狀態(tài)的氣流通過定熵絕能的過程將速度滯止為零時的狀態(tài)稱為該狀態(tài)的滯止狀態(tài)。 滯止參數：通過定熵絕能的過程將氣流速度滯止到零而得到的參數。 滯止參數又叫總參數。其中包括有滯止焓（總焓）、滯止溫度（總溫）、滯止壓力（總壓）、滯止密度（總密度）和滯止音速等。分別用符號h*、T*、p*和a*表示。 和滯止參數相對應的是氣體流動過程中任何一點的當地熱力參數：h、T和p。這些稱為靜參數，是觀察者和氣流微團一起運動時測得的熱力參數。,56,滯止參數,57,1.4 氣體動力學基礎-滯止參數,1.滯止焓和滯止溫度 滯止焓：流場內任一點的滯止焓就是該點的靜焓與動能之和。 h* h +V2/2 滯止溫度 2、滯止壓力 飛機上的飛行馬赫數表就是根據此式制成的。,58,1.4 氣體動力學基礎-滯止參數,4.滯止參數的變化規(guī)律 總焓形式的能量方程 q=h2*-h1*+ws 總壓形式的能量方程,59,1.4 氣體動力學基礎-滯止參數,熱阻：對流動的氣體加熱使氣流總壓下降的現(xiàn)象叫熱阻。 影響熱阻的因素有：加熱量和氣流馬赫數。 當氣流馬赫數保持不變時，加熱量大則總壓下降多，熱阻大； 當加熱量保持不變時，氣流馬赫數大則總壓下降多，熱阻大；,60,1.4 氣體動力學基礎-臨界參數,1.4.5 臨界參數和速度系數 1、臨界參數 將某一狀態(tài)的氣流通過定熵絕能的膨脹或壓縮過程使氣流達到臨界狀態(tài)時的參數稱為臨界參數。 臨界參數有臨界音速、臨界速度、臨界壓力、臨界溫度、臨界密度和臨界面積等。分別用符號acr、Vcr、Tcr、pcr和Acr表示。 臨界音速 對于空氣 對于燃氣 ,61,1.4 氣體動力學基礎-速度系數,2速度系數 氣流速度與臨界音速的比值為速度系數，用符號表示，即 當Ma時，； 當Ma 時，； 當Ma 時，； 當Ma 時，； 當Ma 時，,62,1.4 氣體動力學基礎-氣動函數,三 氣體動力學函數 1、用表示的總靜參數之比的關系式,63,1.4 氣體動力學基礎,2 流量函數 密流是：單位時間流過單位面積的流體質量。 流量函數 當時，； 當時，隨著的增大， 也增加； 當時， ； 當時，隨著的增大， 減?。?當 時， 。,64,流量函數,65,1.4 氣體動力學基礎,1.4.6 流量函數 對于一個給定的 值只有一個 值與之對應； 對于一個給定的 值，一般有兩個 值與之對應，其中一個是亞音速的值，另一個是超音速的值。 流量公式,66,1.4 氣體動力學基礎-變截面流,對于一維定常定熵絕能流，由于總參數保持不變，則有 ： A 時： Ma V p T 時： Ma V p T A 時： Ma V p T 時： Ma V p T,67,1.4 氣體動力學基礎-變截面流,亞音速氣流 ： 管道截面積減小時，氣流的速度增大；靜壓和靜溫下降。 管道截面積增大時，氣流的速度減小。靜壓和靜溫上升。 超音速氣流： 管道截面積增大時，氣流的速度增大；靜壓和靜溫下降。 管道截面積減小時，氣流的速度減小。靜壓和靜溫上升。,68,一維定常流,69,1.4 氣體動力學基礎-變截面流,當時，管道的截面積最小，即臨界截面必然是管道中的最小截面。但是應該指出，管道的最小截面并不一定是臨界截面。 要將氣流定熵絕能地由亞音速加速到超音速，管道必須作成先收縮后擴張的形狀，即所謂的拉瓦爾噴管。 噴管：使氣流速度增加，壓力下降的管道。 擴壓器：使氣流速度下降，壓力增加的管道。,70,拉瓦爾噴管,71,1.4 氣體動力學基礎-激波,1.4.7 激波 一、微弱擾動在氣流中的傳播 1在靜止氣體中：微弱擾動可以傳遍整個流場。 2在亞音速氣流中：微弱擾動可以傳遍整個流場。 3在音速氣流中：微弱擾動只能向下游傳播, 不能向上游傳播 4在超音速氣流中：微弱擾動只能向下游在馬赫錐內傳播。 馬赫錐的錐面叫做馬赫波; 馬赫錐的母線與來流速度方向之間的夾角叫做馬赫角。,73,1.4 氣體動力學基礎-激波,1.4.7 激波 二、激波 激波的特點是: 超音速氣流通過激波后，氣流速度和氣流馬赫數突然下降, 而氣流壓力, 溫度, 密度突然增大 氣流流過激波是一個絕能的流動過程, 故總溫不變, 而總壓突然下降, 產生較大的損失 正激波：激波波面與來流方向相垂直。超音速氣流流過正激波后, 變?yōu)閬喴羲贇饬鳌?斜激波：超音速氣流流過斜激波后,氣流馬赫數變小, 但一般仍為超音速。 曲線激波：,75,1.5 傳熱基礎,1.5.1 導熱 熱量從物體中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為導熱，又叫熱傳導。 在純導熱過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對位移，也沒有能量形式的轉換。 傅里葉定律 傅里葉定律表明，在導熱過程中，單位時間內通過給定面積的熱量，正比于該地垂直于導熱方向的面積及其溫度梯度，導熱方向與溫度梯度反向。 導熱系數是表征材料導熱性能的一個參數 其單位為W/m。導熱系數的大小與材料的種類有關，對同一種材料與溫度的高低有關。我們將導熱系數較高的材料稱為良導熱體，金屬材料屬于熱的良導體。非金