热力学概念流体力学方程.ppt

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1、1,宋金瓯天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室2011年9月,内燃机中的流体运动,2,课程内容,外燃机：斯特林(Stirling)发动机,3,课程内容,进气,排气,内燃机：活塞式发动机,4,课程内容,1.进排气过程余热利用：热电转化、燃料催化裂解余压利用：涡轮膨胀、附加膨胀室充量管理：可变进气系统附属装置：消音器、后处理,5,课程内容,2.缸内流动直喷柴油机：可燃混合气形成直喷汽油机：可燃混合气形成,6,课程内容,3.燃油的供给、喷射及雾化泵管嘴系统共轨系统燃油破碎,7,课程内容,讨论3方面内容：进排气流动；缸内流动；燃油输送喷射及雾化基础知识：热力学；流体力学参考文献：1.R S 本森著，程宏

2、，朱倩，邵明锋译。内燃机的热力学和空气动力学。北京:机械工业出版社，1986。2.解茂昭.内燃机计算燃烧学.大连：大连理工大学出版社（第二版）.2005.3.周龙保 内燃机学.北京：机械工业出版社，2005（第二版）4.有关文献。,8,1热力学基本概念,流体质点热力学状态参数：压力、密度、比容、温度、内能、熵、焓、,不可压缩流体：,定常流动：,绝热过程,可逆过程,平衡、静态、无摩擦,9,热力学第一定律,热力学基本概念（1）,比热,（定容还是定压）,比热比,常比热气体、理想气体、完全气体,10,热力学基本概念（2）,热力学第二定律,可逆过程热力学第一定律,等熵过程方程,11,热力学基本概念（3）

3、,其他热力学基本参数,焓,自由能,热力学位势,声速 a,12,热力学基本概念（3）,热力学基本关系式,在热力学基本参数中只有两个独立变量，而其他参数都可以用这两个变量来决定。假如已知流体的压力和密度，则其他参数都可以由p、来决定，并且对于p、的函数关系也就确定了。这些函数关系不是完全互相独立的，它们之间有一定的联系。这些函数关系与独立变量的选取有关。,13,2流体力学基本方程,热力学状态参数只有2个是独立的，加上1个运动学参数：速度，只要有这3个参数全知，就可以描述流体运动状态。要求解这3个参数，需要列出关于这3个参数的方程组此即：流体力学基本方程要解决的问题 列方程依据：质量守恒、动量守恒、

4、能量守恒,14,流体力学基本方程（1）,质量守恒方程,15,流体力学基本方程（2）,动量守恒方程,x截面,x+dx截面,壁面摩擦力,16,流体力学基本方程（2）,不考虑截面变化,不考虑摩擦,定常流动,17,流体力学基本方程（2）,对于稳定流动,对于不可压缩流体,总压或滞止压力,动压 静压,动量方程等价于柏努力方程,18,流体力学基本方程（3）,传热量,能量守恒方程,流入控制体能量,流出控制体能量,控制体内流体能量的增长率,热力学第一定律,19,流体力学基本方程（3）,能量守恒方程,20,流体力学基本方程（3）,不考虑截面变化,综合质量方程和动量方程,21,流体力学基本方程（3）,没有传热和摩擦

5、,一维不定常等熵气流的能量方程等价于与声速方程,22,流体力学基本方程（3）,滞止焓或总焓,焓的定义式,滞止温度,23,利用关系式,流体力学基本方程（3）,(热力学关系式),滞止温度可表示为,根据等熵关系式,(马赫数),24,流体力学基本方程（3）,在低马赫数M时，运用两项式定理,低马赫数流动可以当作不可压缩流动,柏努力方程,25,流体力学基本方程（4）,一维不定常流动的基本方程组,26,3声波和有限波,现在我们已经建立了内燃机管道内一维不定常流 动的基本方程组。自然就要对其进行求解。求解这些方程的最一般方法是特征线法。所谓的特征线，就是压力波运动的轨迹。因此要了解特征线法，需要对波的概念有所

6、了解。,27,声波传播速度,3声波和有限波(1),Fadt=(+d)F(adt-dudt),(p+dp)F-pFdt=Fadtdu,质量守恒,动量守恒,28,质量方程、动量方程联立，消去du，得,3声波和有限波(1),声速公式，亦称小扰动波传播速度公式,小扰动：密度变化很小，等熵,29,3声波和有限波(1),声波方程：,波传播介质的运动方程,30,3声波和有限波(1),利用等熵过程中与p的关系，联立,声波波动方程,31,3声波和有限波(1),u0为常数，给定了介质正弦波的振幅；f为频率，f的倒数称为周期。固定x，时间1/f，角度增加2。a/f叫做波长，在t一定时，x增加a/f，波动也前进2。在

7、x固定的图形，1/f为两个相邻波峰（或波谷）之间的距离；在t固定的图形中，a/f为两个相邻波峰（或波谷）之间的距离。,a具有速度量纲，称为波动速度,32,3声波和有限波(2),有限波,有限波通过气体时，气体发生明显的位移,理想有限波方程组,能量+a2连续+a动量,能量+a2连续a动量,设,上述方程变为常微分方程,33,3声波和有限波(2),此为有限波过后介质速度，它不等于有限波的速度。,34,3声波和有限波(2),几个重要概念：,如果有限波扫过之后，若p/p01，就称这个压力波为压缩波；若p/p01，就称这个压力波为膨胀波。压缩波与膨胀波统称为简单波（等熵）。与简单波相对应的是激波（不等熵）。

8、,如果波的运动方向与规定方向一致，则称这个波为正向波；如果波的运动方向与规定方向相反，则称这个波为负向波。,35,3声波和有限波(2),有限波波速等于声速叠加于气体运动速度之上。,（a为扰动后的声速，总取正值）,有限波在运动气流中传播的轨迹线方程,右行特征线,向右传播的有限波轨迹线（+）,左行特征线,向左传播的有限波轨迹（-）,36,4 波的相互作用(1),有限波的发展,激波两边气体压力有阶跃，即出现压力不连续，这样流体速度也发生不连续。激波的运动速度，或者说，即将穿越激波的气流运动速度相对于激波是超音速。内燃机管道内压力波很弱，一般认为没有激波存在，因而可以近似采用等熵理论处理。,气门开,3

9、7,4 波的相互作用(1),对于膨胀波,压力比必存在一个最小值,气门关,38,4 波的相互作用(1),39,4 波的相互作用(2),有限波的反射,压缩波在开口端反射回来一个膨胀波。（排气管口）膨胀波在开口端反射回来一个压缩波。（进气管口）,压缩波在闭口端反射一个压缩波；（进气管气阀端）膨胀波在闭口管端反射一个膨胀波。（排气管气阀端）,横截面积不断增大的管道，具有管端逐渐开启的特性；横截面逐渐收缩的管道，起着管端逐渐关闭的作用。,40,4 波的相互作用(2),管接头阻力产生,41,4 波的相互作用(3),有限波的相互作用,合成波的气体速度直接相加,压力不是线性的，不能直接相加,对于小扰动波这个特定情况，,42,4 波的相互作用(3),有限波的相互作用,当两个声波发生干涉或叠加后，总波幅（压力幅值）等于两个相向波波幅相加。当波互相穿过之后，波幅仍然保持不变，其波前状态改变。右行波波前状态为原左行波的波后状态，左行波波前状态为原右行波的波后状态。,有限波的波速和波形是不断改变的，并且随有限波传播，介质质点的位置也在不断改变。两个有限波重叠或说发生干涉，其在重叠区的发展是向互相依赖的，叠加区也在不断改变。既需要确定重叠点的热力学、运动学状态，又需要确定重叠点位置。,43,谢谢,本 次 课 结 束,