燃气涡轮发动机01-基础知识.ppt

燃气涡轮发动机,第 1 章,基础知识,3,第1章 基础知识,力学研究物质运动基本规律及其应用的科学。主要内容包括：物体运动状态的描述及牛顿运动定律等。热力学研究能量及其转换的科学。主要内容包括：热力学的基本定律，即热力学第一定律和热力学第二定律；工质的热力性质和热力过程等。气体动力学研究气体在流动过程中，气体与气体、气体与固体之间相互作用所遵循的规律及参数的变化规律。传热学研究对象是热量传递的规律。,4,1.1 物质,物态和相变物态：构成物质的粒子的聚集状态叫物态。物态有三种，即固态；液态和气态。相变：由一种物态向另一种物态的转变叫相变。相变有：由气态变为液态叫液化；(放热)，由液态变为气态叫汽化；(吸热)，由液态变为固态叫凝结；(放热)，由固态变为液态叫熔解；(吸热)，由固态变为气态叫升华；(吸热)，由气态变为固态叫结晶。(放热)。三相点物质的汽化曲线，熔解曲线和升华曲线的交点称为三相点。或是物质的固态，液态和气态共存的温度点。,5,1.2 物体的运动-牛顿第一定律,牛顿运动定律一、牛顿第一定律任何物体都保持静止的或沿一直线作匀速运动的状态，直到作用在它上面的力迫使它改变这种状态为止牛顿第一定律指明了任何物体都具有惯性所谓惯性，就是物体所具有的保持其原有运动状态不变的特性。,6,1.2 物体的运动-惯性参考系,牛顿运动定律惯性参考系运动只有相对于一定的参考系才有意义在这种参考系中观察，一个不受力作用的物体或处于受力平衡状态下的物体，将保持其静止或匀速直线运动的状态不变，这样的参考系称为惯性参考系并非任何参考系都是惯性系对一般力学现象来说，地面参考系是一个足够精确的惯性系牛顿定律只有在惯性参考系中才成立。非惯性坐标系相对于惯性参照系做变速运动的参照系是非惯性参照系，在非惯性参照系中的物体会受到惯性力作用,7,1.2 物体的运动-牛顿第三定律,牛顿运动定律牛顿第三定律两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等而方向相反,8,1.2 物体的运动-力,1.2.3 牛顿运动定律重力弹力:胡克定律 摩擦力:静摩擦力,动摩擦力万有引力,9,1.2 物体的运动-重力,重力地球表面附近的物体都受到地球的吸引作用受到的力叫做重力。W=mg式中m为质量,质量为物体中所包含物质的多少。其法定计量单位为公斤。,10,1.2 物体的运动-弹力,弹力发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫弹力，又叫恢复力。弹力是产生在直接接触的物体之间并以物体的形变为先决条件的。胡克定律在弹性限度内，弹力大小和形变成正比FMX式中M叫弹簧的劲度系数，负号表示弹力的方向总是 和弹簧位移的方向相反，这就是说，弹力总是指向 要恢复它原长的方向。,11,1.2 物体的运动-摩擦力,摩擦力两个相互接触的物体在沿接触面相对运动时，或者有相对运动的趋势时，在接触面之间产生一对阻止相对运动的力，叫做摩擦力。静摩擦力相互接触的两个物体在外力作用下，虽有相对运动的趋势，但并不产生相对运动，这时的摩擦力叫静摩擦力。物体所受到的静摩擦力与该物体的运动趋势的方向相反。静摩擦力的大小视外力的大小而定，介乎0和某个最大静摩擦力之间。动摩擦力当外力超过最大静摩擦力时，物体间产生了相对运动，这时也有摩擦力，叫做滑动摩擦力。滑动摩擦力也与正压力成正比。对于给定的一对接触面来说，,一般两者都小于1。,12,1.2 物体的运动-万有引力,万有引力任何两个物体之间的吸引力叫万有引力。牛顿万有引力定律：对于质量分别为m1和m2的两个质点 相距为r时，它们之间的引力F为：F=G0m1m2/r2式中G0叫万有引力常量 其数值为 G0 6.6710-11Nm2/kg 2重力是由地球对它表面附近的物体的引力引起的万有引力。,13,1.2 物体的运动-牛顿第二定律,四、牛顿第二定律:F=ma牛顿第二定律表明物体的加速度和所受的力，它们同时存在，同时改变，同时消失。一旦作用在物体上的外力被撤去，物体的加速度立即消失，但这并不意味着物体停止运动，按照牛顿第一定律，这时物体将作匀速直线运动，这正是惯性的表现。物体有无运动，表现在它有无速度，而运动有无改变，则要取决于它有无加速度。如果有加速度，则作用在物体上的外力一定存在，力是产生加速度的原因。该力为合力,14,1.2 物体的运动-力的叠加原理,力的叠加原理如果几个力同时作用在一个物体上，则物体产生的加速度等于每个力单独作用时产生的加速度的叠加，也等于这几个力的合力产生的加速度。这一结论叫做力的独立性原理，又叫力的叠加原理。在某一瞬间，作用在物体上的所有外力的合力等于物体动量的变化率，而且合力的方向与动量变化率的方向相同。,15,1.2 物体的运动-振动,16,1.2 物体的运动-振动,1.2.4 振动自由振动:不在外力作用下的振动叫做自由振动。受迫振动:物体在周期性外力的作用下产生的振动，叫做受迫振动。振幅:振动物体离开平衡位置的最大距离。它的大小,说明物体振动的强弱程度。周期:物体完成一次全振动所经历的时间。频率:单位时间内物体完成全振动的次数。物体作自由振动时的频率叫做自由振动频率,或叫固有频率。,17,1.2 物体的运动-振动,1.2.4 振动理论和实验都证明,物体的自由振动频率的高低,完全由物体本身的性质(刚度、质量、尺寸等)决定,而与外力的大小无关。共振：当物体振动的自由频率与外力频率接近或一致时,物体振动的振幅会急剧增大,这种现象叫做共振。在机械结构中,共振的破坏性很大,必须加以防止。,18,1.3 热力学基础,1.3.1 热力学的基本概念系统（热力系）：在热力学中将研究对象的物质及其所在的空间称为系统。外界：系统之外能够以某种方式与系统发生相互作用的局部区域内的物质称为外界。界面：系统与外界之间的分界面称为界面。界面可以是真实的,也可以是假想的;可以是固定的,也可以是运动的。系统与外界之间的相互作用是指能量（包括热量和功）交换和质量交换。,19,1.3 热力学基础,系统的分类：闭口系：与外界无质量交换的系统称为闭口系。特点是系统中包含工质的质量保持不变。开口系：与外界有质量交换的系统称为开口系。特点是系统的容积保持不变。绝热系：与外界无热量交换的系统称为绝热系。孤立系：与外界既无质量的交换也无能量的交换称为孤立系。特点是系统中包含工质的质量和能量均保持不变。简单可压缩系：由可压缩流体构成,与外界只交换热量和一种模式功的系统称为简单可压缩系。这种系统与外界交换功的模式为容积功。,20,1.3 热力学基础,状态：在某一指定的瞬间系统所呈现的一切宏观性质的综合表现称为系统的状态。系统可能呈现各种不同的状态,其中具有特别重要意义的是平衡状态。平衡状态：所谓平衡态是系统与外界不发生相互作用的条件下,其宏观性质不随时间变化的状态。热力过程系统从一个平衡态向另一个平衡态变化时所经历的全部状态的总和称为热力过程。热力过程根据其性质可分为:准静态过程、不平衡过程、可逆过程和不可逆过程等。准静态过程：由一系列无限接近于内部平衡状态的状态所组成,而且以几乎趋近于零的速度进行的热力过程称为准静态过程,或称为准平衡过程和内部平衡过程。可逆过程：系统在经历某一热力过程后,能够简单地逆转,使系统和外界可以同时完全复原的过程称为可逆过程,否则是不可逆过程。循环：封闭的热力过程称为热力循环,简称为循环。此时系统从一个平衡态经过一系列的状态又回到原来的状态。,21,1.3 热力学基础-温度,状态参数：描写系统性质的宏观物理量。基本状态参数：可以直接测量的状态参数称为基本状态参数。例如温度、压力、比容等。温度：温度表示物体的冷热程度。它是描写处于热平衡状态的系统宏观特性的物理量。温标：温度的数值表示法称为温标。分为热力学温标、摄氏温标、华氏温标等。热力学温标是与测温物质的性质无关的温标，单位为开尔文，代号为K，以标准大气压下水的三相点为唯一的基准点，并规定水的三相点的温度为273.16K，温度单位为1/273.16。摄氏温标是选用标准大气压下水的两相点（冰水混合物）为0度，沸点为100度，并将温度视为测温物某一物性的线性函数的温标。热力学温度与摄氏温度之间的关系：T（K）t273.15华氏温标是选用标准大气压下水的两相点（冰水混合物）为32度，沸点为212度，并将温度视为测温物某一物性的线性函数的温标。摄氏温度与华氏温度之间的关系 tc=（tF-32）5/9；TF=32+9tc/5,22,1.3 热力学基础-压力,压力单位面积上所承受的垂直方向的作用力称为压强或称为压力。压力的法定计量单位是帕斯卡，简称为帕，用Pa表示。1Pa=1N/m2 1MPa=106Pa；1bar=105Pa绝对压力：系统的真实压力是绝对压力。绝对压力的基准点是绝对真空。表压力：系统的真实压力超出当地大气压力的部分叫表压。pg=p-p0真空度：系统的真实压力低于当地大气压力的部分叫真空度。pv=p0-p注意：表压和真空度都不是状态参数，因为它们的数值不但与系统的真实压力有关，而且与当地的大气压力有关。所以绝对压力才是状态参数。,23,1.3 热力学基础-状态方程,比容单位质量的物质所占有的容积称为比容。比容的法定计量单位是m3/kg。v=V/m状态方程平衡态下基本状态参数压力，温度和比容之间的关系式称为状态方程，即 F（p，v，T）=0完全气体状态方程：完全气体：将气体分子自身体积和分子间作用力忽略不计的气体称为完全气体。实验和理论都表明：当压力不太高，温度不太低时，各种气体都可按完全气体来处理。对于1公斤完全气体其状态方程为：pv=RT式中：为气体常数。气体常数只决定于气体的种类不随气体的状态而变化。空气的气体常数为287.06j/（kg，K）。pV=mRT,24,1.3 热力学基础-功,四、功和热 功：功是力和沿着力的方向所移动的距离的乘积，用符号W表示功为过程量系统对外界作功，则功为正（）外界对系统作功，则功为负（）比功的定义功的单位热：系统在热力过程中通过边界与外界之间依靠温差传递的能量。单位热为过程量,25,容积功：在热力过程中由于系统容积（比容）变化与外界交换的功称为容积功。容积功分为膨胀功和压缩功。在热力过程中容积不断变大时与外界交换的功称为膨胀功。在热力过程中容积不断变小时与外界交换的功称为压缩功。膨胀功为正，而压缩功为负。功率：单位时间内所完成的功称为功率。用符号N表示。功率的法定单位为瓦特，简称瓦，瓦焦尔秒,1.3 热力学基础-容积功,26,1.3 热力学基础-热量,热量：Q系统在过程中通过边界与外界之间依靠温差所传递的能量称为热量。系统内单位质量的物质与外界所交换的热量称为比热量，用符号q表示。外界对系统加热，则热量为正()系统向外界放热，则热量为负()热量的法定计量单位为“焦耳”(j)，比热量的单位为“焦耳公斤”(j/kg)。,27,1.3 热力学基础-内能,1.3.2 热力学基本定律 内能:热力系内部储存的能量。U=UK+Up+UM+UA式中：U-内能；UK 内动能，它的大小取决于温度；Up 内势能；它的大小取决于分子间的距离，即取决于比容；UM 化学能；UA 原子能。在工程热力学范围内，内能只包含有内动能和内势能。内能是状态参数。对于完全气体，内能只包含有内动能，所以，完全气体的内能只是温度的单值函数。内能的法定计量单位为j（焦尔）,1公斤工质的内能称为比内能，比内能的法定计量单位为j/kg。,28,1.3 热力学基础-热力学第一定律,1.3.2 热力学基本定律一、热力学第一定律图示的由气缸活塞组成的闭口热力系,在初始平衡状态时,热力系的内能为U1,当外界对热力系加入Q的热量时,热力系对外界作了W的功,使热力系达到平衡状态,这时热力系的内能为U2,29,1.3 热力学基础-热力学第一定律,1.3.2 热力学基本定律 闭口系热力学第一定律：闭口系与外界交换的热量等于系统内能的变化与热力系与外界所交换的功之和。Q=U2-U1+W 或 q=u2-u1+w它们适用于任何过程，也适用于任何工质。是一个普遍适用的关系式。微分形式可表示为:Q=dU+W 或 q=du+w循环过程中的热力学第一定律表达式是：系统与外界交换的循环功等于与外界交换的循环热。,30,1.3 热力学基础-焓,焓：焓的定义为:H=U+pV 焓是状态参数。单位质量物质的焓称为比焓,用 h 表示,即 h=u+pv 焓的法定计量单位为j（焦尔）,比焓的单位为j/kg。用焓表示的热力学第一定律 q=d h+wt 式中wt叫技术功。,Wt=-v dp,31,1.3 热力学基础-热力学第二定律,1.3.2 热力学基本定律 二、热力学第二定律 热力学第二定律的任务是研究热力过程进行的方向，条件和限度的 热力学第二定律的两种说法：开尔文说法：“不可能制造出从单一热源吸热并使之全部转变为功的循环发动机”。克劳修斯说法：“不可能由低温物体向高温物体传送热量而不引起其它变化”。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现-空调,32,1.3 热力学基础-热力学第二定律,33,1.3 热力学基础-热力学第二定律,1.3.2 热力学基本定律 熵和熵方程熵：在微元可逆过程中系统与外界交换的热量与换热时系统温度的比值叫微元熵增，用符号 dS 表示，S称为熵。dS=（Q/T）re熵是状态参数。单位质量的物质的熵称为比熵，用s表示。S=s/m 或 ds=（q/T）re熵的法定计量单位为j/K，比熵的单位为（j/kg，K，）。,34,1.3 热力学基础-热力学第二定律,不可逆过程的熵可逆过程的熵:热力系由状态1经可逆过程A到状态2,熵的变化为:不可逆过程的熵:热力系由状 态1经不可逆过程B到状态2,熵的变化为:,35,1.3 热力学基础-热力学第二定律,1.3.2 热力学基本定律 熵方程：dS=Sf+Sg 或 ds=sf+sg 熵流：熵流是由于系统与外界换热而产生的熵的变化量sf。它是热能中的不可用能部分的表征。熵产：熵产是由不可逆因素引起的系统熵的变化量sg，熵产恒为正值或等于零。它是系统中可用能的不可逆损失的表征。或者说熵产是一切不可逆特征的表征。,36,1.3 热力学基础-热力学第二定律,熵方程中的核心问题是熵产，熵产也正是热力学第二定律的实质内容。由于能量在转换和转移过程中总是有其它形式的能量转变成热能,而热能又总是由高温传向低温,这些都会引起熵产。这正是热能区别于其它型式能量的特征,也正是一切热力过程的自发性、方向性、不可逆性的根源。,37,1.3 热力学基础-热力学第二定律,关于熵的几个问题1、在状态1和2之间有两个过程,其中，过程A为可逆过程,过程B为不可逆过程。则S1A2与S1B2的关系是:S1A2 S1B2;S1A2=S1B2;S1A2 S1B22、热力系经历一可逆过程,外界对热力系加入10千焦的热量，对外作出4千焦的功,则热力系的熵变大于零;小于零;等于零,不等于零。3、热力系经历一可逆过程,热力系向外界放出10千焦，外界对热力系输入4千焦的功,则热力系的熵变大于零;小于零;等于零,不等于零。4、热力系经历一不可逆过程,外界对热力系加入10千焦的热量，对外作出4千焦的功，则热力系的熵变大于零;小于零;等于零,不等于零。5、热力系经历一不可逆过程,向外界放出10千焦，外界对热力系输入4千焦的功,则热力系的熵变大于零;小于零;等于零,不能判别。,38,1.3 热力学基础-气体的热力性质,1.3.3 完全气体的热力性质一、比热容:1公斤质量的物质在无耗散的准静态过程中，温度升高（或降低）K所需加入（或放出）的热量称为该物质在此过程中的比热容。比热容法定计量单位是（j/kg.K)1、定容比热容：1公斤的气体在容积不变的无耗散准静态过程中，温度升高（或降低）1所需加入（或放出）的热量称为该种气体的定容比热容。用符号cv表示。定容比热容与气体的种类和温度有关。定容比热容的法定计量单位为（j/kg，K）。2、定压比热容：1公斤的气体在压力不变的无耗散准静态过程中，温度升高（或降低）1所需加入（或放出）的热量称为该种气体的定压比热容。用符号cp表示。定压比热容与气体的种类和温度有关。定压比热容的法定计量单位为（j/kg，K）。,39,1.3 热力学基础-气体的热力性质,1.3.3 完全气体的热力性质3、定压比热容与定容比热容的关系（1）梅耶关系式：对于完全气体有 cp-cv=R 此式表明：尽管完全气体的定压比热容和定容比热容都随温度而变化，而它们的差值却与温度无关，恒等于气体常数。又因为气体常数R，所以 cp cv。（2）热容比（绝热指数，定熵指数）定压比热容与定容比热容的比值称为热容比，又叫绝热指数或定熵指数。即 k=cp/cv 热容比不但与气体的种类有关，而且与温度有关。当将热容比作为常数处理时，对于空气1.40，对于燃气1.33。,40,1.3 热力学基础-气体的热力性质,1.3.3 完全气体的热力性质二、完全气体的内能,焓和熵1、内能：完全气体的内能仅仅是温度的函数。对于定比热完全气体：u2-u1=cv（T2-T1）2、焓：完全气体的焓也仅仅是温度的函数。对于定比热完全气体：h2-h1=cp（T2-T1）3熵 三、热量的计算 热量是过程量,不同的过 程用不同的公式进行计算.,41,1.3 热力学基础-定熵过程,1.3.4 热力过程 一、定熵过程:可逆的绝热过程是定熵过程.过程方程为:常数,=,42,1.3 热力学基础-多变过程,1.3.4 热力过程 二、多变过程:满足 p v n C的过程叫做多变过程.当n时：多变过程的过程方程变为：p常数，为定压过程。当n时：多变过程的过程方程变为：T常数，为定温过程。当n时：多变过程的过程方程变为：s常数；为定熵过程。当n：多变过程的过程方程变为：v常数，为定容过程。,43,1.4 气体动力学基础,1.4.1 气体的性质一、气体的压缩性 压缩性是气体的重要属性。气体的密度随着压力或温度的变化而变化的性质称为气体压缩性。对于气流速度和当地音速之比（该比值称为马赫数，用符号Ma表示）小于0.3的定熵绝能流动可以当作不可压流来处理。二、气体的粘性 粘性是实际气体的一个物理属性。它表示出气体对于切向力的一种反抗能力。,44,1.4 气体动力学基础,1.4.1 气体的性质1附面层:沿壁面法线方向速度梯度较大的一层流体称为附面层,附面层的厚度为,附面层边界流体的速度为99%V 2层流和紊流临界雷诺数Recr：当Re Recr 时，为层流流动；当Re Recr时，为紊流流动；对于光滑管内流动Recr=2300雷诺数的物理意义,45,1.4 气体动力学基础,1.4.1 气体的性质3牛顿内摩擦定律 牛顿内摩擦定律指出，当流体处于层流流动状态时，流体内摩擦力的大小与流体的速度梯度和接触面积成正比，而且还与流体的性质有关。牛顿内摩擦定律只适用于流动状态为层流的情况，而不适用于紊流的流动状态，也不适用于非牛顿流体。牛顿内摩擦定律中的称为动力粘性系数。它是一个物性参数，其大小取决于气体的物理性质和温度。对气体来说，温度越高，动力粘性系数越大。,46,1.4 气体动力学基础-基本方程,1.4.2 一维定常流的基本方程一维定常流动是指在流动中描写流体运动的参数,如速度、压力、密度、温度等都是一个坐标的函数，这个坐标可以是直线坐标，也可以是曲线坐标。自然界中的一切过程都遵守质量守恒定律、能量守恒与转换定律、牛顿运动定律及热力学第一定律。当然，气体在流动过程中也遵守这些定律。把这些定律应用于气体流动过程所得到的数学关系式称为基本方程，包括：连续方程、动量方程、能量方程、贝努利方程。,47,1.4 气体动力学基础-连续方程,1.4.2 一维定常流的基本方程连续方程一维定常流中，控制体内气体的质量保持不变，因此，质量守恒定律可表述为单位时间内流入控制体的质量等于单位时间流出控制体的流体的质量。即：qm1=qm2质量流量：单位时间内流入或流出控制体的流体的质量称为质量流量。质量流量的法定计量单位为：kg/s。在一维定常流中,通过同一流管任意截面上的流体的质量流量保持不变。常数体积流量,单位时间流入或流出控制体流体的体积。体积流量的法定计量单位为：m3/s。,常数,48,1.4 气体动力学基础-动量方程,1.4.2 一维定常流的基本方程动量方程将牛顿第二定律应用于运动流体所得到的数学关系式称为动量方程。对于无粘性的一维定常流,在忽略质量力的情况下,其动量方程为;dp+VdV=0 此式说明:当气流压力的增量为正时,气流速度的增量一定为负；当气流压力的增量为负时,气流速度的增量一定为正。这就是说，在同一流管中气流静压增大的地方，流速减小；气流静压减小的地方，流速增大。,49,一维定常流能量方程,50,1.4 气体动力学基础-能量方程,1.4.2 一维定常流的基本方程能量方程能量方程可表述为：控制体内单位质量的流体与外界交换的热量等于焓的变化量、动能变化量、重力位能变化量及通过旋转轴与外界所交换的轴功之和，即：Q=（H2-H1）+gm（z2-z1）+W s+m（V22-V12）/2 q=（h2-h1）+g（z2-z1）+w s+（V22-V12）/2 对于气体，可以略去重力位能的变化量，则能量方程可以用总焓表示为：q=h2*-h1*+ws 或 q=dh*+ws 该式说明,在一维定常流中，控制体与外界交换的热量等于体系总焓的变化量与体系通过旋转轴与外界交换的轴功之和。,51,1.4 气体动力学基础-贝努利方程,1.4.2 一维定常流的基本方程不可压流的贝努利方程对于定熵绝能忽略重力位能的不可压流,密度常数,可以得到:它说明在不可压流中任一点流体的静压与动压之和保持不变。定义不可压流的静压与动压之和为全压,也可以称为总压,用符号p*表示。在不可压流中,当流动管道横截面积缩小时,流体的流速增大,压力下降。反之,当流动管道横截面积扩大时,流体的流速下降,压力增高。流动参数的这种变化规律可用图1-20表示。,52,1.4 气体动力学基础-贝努利方程,不可压流的贝努利方程,53,文氏管测流速流量,由贝努利方程 连续方程 得到,54,1.4 气体动力学基础-音速和马赫数,1.4.3 音速和马赫数 一、音速音速是微弱扰动压缩波和微弱扰动膨胀波在流体介质中的传播速度，用符号a表示。完全气体中音速的计算公式是：对于空气：二、马赫数流场中任一点处的流速与该点处气体的音速的比值，叫做该点处气流的马赫数，用符号Ma表示。即 Ma=V/a 马赫数的物理意义:气体宏观运动动能与微观运动动能的比值.马赫数的用途:气体压缩性的判别准则;根据马赫数的大小可以把流动分为：亚音速流动 Ma1.0；音速流动 Ma1.0；超音速流动 Ma1.0。无粘性可压缩流动力相似的判别准则。,55,1.4 气体动力学基础-滞止参数,1.4.4 滞止参数 一、滞止状态滞止状态：某一状态的气流通过定熵绝能的过程将速度滞止为零时的状态称为该状态的滞止状态。滞止参数：通过定熵绝能的过程将气流速度滞止到零而得到的参数。滞止参数又叫总参数。其中包括有滞止焓（总焓）、滞止温度（总温）、滞止压力（总压）、滞止密度（总密度）和滞止音速等。分别用符号h*、T*、p*和a*表示。和滞止参数相对应的是气体流动过程中任何一点的当地热力参数：h、T和p。这些称为静参数，是观察者和气流微团一起运动时测得的热力参数。,56,滞止参数,57,1.4 气体动力学基础-滞止参数,1.滞止焓和滞止温度滞止焓：流场内任一点的滞止焓就是该点的静焓与动能之和。h*h+V2/2 滞止温度 2、滞止压力飞机上的飞行马赫数表就是根据此式制成的。,58,1.4 气体动力学基础-滞止参数,4.滞止参数的变化规律总焓形式的能量方程 q=h2*-h1*+ws总压形式的能量方程,59,1.4 气体动力学基础-滞止参数,热阻：对流动的气体加热使气流总压下降的现象叫热阻。影响热阻的因素有：加热量和气流马赫数。当气流马赫数保持不变时，加热量大则总压下降多，热阻大；当加热量保持不变时，气流马赫数大则总压下降多，热阻大；,60,1.4 气体动力学基础-临界参数,1.4.5 临界参数和速度系数 1、临界参数将某一状态的气流通过定熵绝能的膨胀或压缩过程使气流达到临界状态时的参数称为临界参数。临界参数有临界音速、临界速度、临界压力、临界温度、临界密度和临界面积等。分别用符号acr、Vcr、Tcr、pcr和Acr表示。临界音速 对于空气 对于燃气,61,1.4 气体动力学基础-速度系数,2速度系数气流速度与临界音速的比值为速度系数，用符号表示，即当Ma时，；当Ma 时，；当Ma 时，；当Ma 时，；当Ma 时，,62,1.4 气体动力学基础-气动函数,三 气体动力学函数1、用表示的总静参数之比的关系式,63,1.4 气体动力学基础,2 流量函数密流是：单位时间流过单位面积的流体质量。流量函数当时，；当时，随着的增大，也增加；当时，；当时，随着的增大，减小；当 时，。,64,流量函数,65,1.4 气体动力学基础,1.4.6 流量函数对于一个给定的 值只有一个 值与之对应；对于一个给定的 值，一般有两个 值与之对应，其中一个是亚音速的值，另一个是超音速的值。流量公式,66,1.4 气体动力学基础-变截面流,对于一维定常定熵绝能流，由于总参数保持不变，则有：A 时：Ma V p T时：Ma V p TA 时：Ma V p T时：Ma V p T,67,1.4 气体动力学基础-变截面流,亚音速气流：管道截面积减小时，气流的速度增大；静压和静温下降。管道截面积增大时，气流的速度减小。静压和静温上升。超音速气流：管道截面积增大时，气流的速度增大；静压和静温下降。管道截面积减小时，气流的速度减小。静压和静温上升。,68,一维定常流,69,1.4 气体动力学基础-变截面流,当时，管道的截面积最小，即临界截面必然是管道中的最小截面。但是应该指出，管道的最小截面并不一定是临界截面。要将气流定熵绝能地由亚音速加速到超音速，管道必须作成先收缩后扩张的形状，即所谓的拉瓦尔喷管。喷管：使气流速度增加，压力下降的管道。扩压器：使气流速度下降，压力增加的管道。,70,拉瓦尔喷管,71,1.4 气体动力学基础-激波,1.4.7 激波 一、微弱扰动在气流中的传播1在静止气体中：微弱扰动可以传遍整个流场。2在亚音速气流中：微弱扰动可以传遍整个流场。3在音速气流中：微弱扰动只能向下游传播,不能向上游传播 4在超音速气流中：微弱扰动只能向下游在马赫锥内传播。马赫锥的锥面叫做马赫波;马赫锥的母线与来流速度方向之间的夹角叫做马赫角。,72,73,1.4 气体动力学基础-激波,1.4.7 激波二、激波激波的特点是:超音速气流通过激波后，气流速度和气流马赫数突然下降,而气流压力,温度,密度突然增大气流流过激波是一个绝能的流动过程,故总温不变,而总压突然下降,产生较大的损失 正激波：激波波面与来流方向相垂直。超音速气流流过正激波后,变为亚音速气流。斜激波：超音速气流流过斜激波后,气流马赫数变小,但一般仍为超音速。曲线激波：,74,75,1.5 传热基础,1.5.1 导热热量从物体中温度较高的部分传递到温度较低的部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热，又叫热传导。在纯导热过程中，物体各部分之间不发生相对位移，也没有能量形式的转换。傅里叶定律傅里叶定律表明，在导热过程中，单位时间内通过给定面积的热量，正比于该地垂直于导热方向的面积及其温度梯度，导热方向与温度梯度反向。导热系数是表征材料导热性能的一个参数 其单位为W/m。导热系数的大小与材料的种类有关，对同一种材料与温度的高低有关。我们将导热系数较高的材料称为良导热体，金属材料属于热的良导体。非金属材料的导热系数较小和气体的导热系数最小。,76,导热,77,1.5 传热基础,平板的导热1单层平板的导热 2多层平板的导热,78,1.5 传热基础-对流,对流对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅能发生在流体中，而且必然伴随着有导热现象。对流换热可分为自然对流与强迫对流。自然对流是由于流体冷热各部分的密度不同而引起的。如果流体的流动是由于压差、风机或泵所造成的，则称为强迫对流。工程上常遇到的液体在热表面上的沸腾或蒸汽在冷表面上的凝结也属于对流换热的范围，并被称做沸腾换热和凝结换热。无论哪一种形式的对流换热，单位时间，在单位面积上所交换的热量均采用牛顿公式计算：流体被加热时，称为对流换热系数，,79,1.5 传热基础-辐射,辐射辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程称为辐射，辐射能：被传递的能量称为辐射能。，热辐射：因热的原因而发出辐射能的过程称为热辐射。辐射换热：自然界中所有的物体都在不停的向四周发出热辐射能，同时又不断地吸收其它物体发出的热辐射能。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的能量转移即辐射换热。,80,1.5 传热基础-辐射,热辐射的特点：热辐射能可以在真空中传播，而导热、对流这两种传热方式只有当存在着气体、液体和固体物质时才能进行。热辐射不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转化，即从热能到辐射能及辐射能到热能的转化。斯蒂芬玻尔兹曼定律：设一黑体的表面积为A，则单位时间内它所发出的辐射能为：,81,辐射及换热,82,1.5 传热基础-辐射,辐射一切实际物体的辐射能力都小于同温度下黑体的值，实际物体的辐射能量总可以表示成斯蒂芬玻尔兹曼定律的修正形式，即：式中系数称为该物体的黑度，其值小于且与物体的种类及表面状态有关。斯蒂芬玻尔兹曼定律是辐射换热计算的基础。,83,1.5 传热基础-辐射,两个平行平板间的辐射换热：两个平板的温度分别为T1、T2，黑度为 和。单位时间，单位面积的辐射换热量为：,84,1.5 传热基础-传热过程,传热过程燃油滑油热交换器中所进行的换热过程：滑油首先将热量传递给管壁，然后通过导热将热量由管壁的一侧传导到另一侧，最后，管壁将热量传递给燃油，从而达到降低滑油温度，提高燃油温度的目的。传热过程：热量由壁面一侧的流体穿过壁面传到另一侧的流体中的过程称为传热过程。传热过程中所传递的热量正比于冷、热流体的温度差及传热面积，用公式可表示为：,85,1.5 传热基础-传热过程,活塞式发动机中的气缸传热过程：假设气缸内的燃气温度为T，气缸内壁的温度为T，气缸外壁的温度为T，气缸外冷却空气的温度为T，气缸壁厚为，气缸材料的导热系数为，并将气缸圆管壁的导热当作平壁面来处理。换热过程中三个环节的传热量分别是：高温燃气通过辐射和对流将热量传递给气缸内表面；通过导热，将热量从气缸的内表面传到气缸外表面；通过对流换热将热量从气缸的外壁面传递给气缸外的冷却空气。式中k称为传热系数，它的物理意义表示了温差为1、面积为1m2的条件下所传递的热量。,86,第1章 基础知识,END,