第8章 气体的一元流动
一、 学习的目的和任务
1.掌握可压缩气体的伯努利方程
2.理解声速和马赫数这两个概念
3.掌握一元气体的流动特性,能分析流速、流通面积、压强和马赫数等参数的相互关系
4.掌握气体在两种不同的热力管道(等温过程和绝热过程)的流动特性。
二、 重点、难点
1.重点: 声速、马赫数、可压气体的伯努利方程、等温管道流动、绝热管道流动
2.难点: 声速的导出、管道流动参数的计算
由于气体的可压缩性很大,尤其是在高速流动的过程中,不但压强会变化,密度也会显着地变化。这和前面研究液体的章节中,视密度为常数有很大的不同。
气体动力学研究又称可压缩流体动力学,研究可压缩性流体的运动规律及其应用。其在航天航空中有广泛的应用,随着研究技术的日益成熟,气体动力学在其它领域也有相应的应用。本章将简要介绍气体的一元流动。
8.1 气体的伯努利方程
在气体流动速度不太快的情况下,其压力变化不大,则气体各点的密度变化也不大,因此可把其密度视为常数,即把气体看成是不可压缩流体。这和第四章研究理想不可压缩流体相似,所以理想流体伯努利方程完全适用,即
上式中
在气体动力学中,常以
由于气体的密度一般都很小,在大多数情况下
前面已经提到,气体压缩性很大,在流动速度较快时,气体各点压强和密度都有很大的变化,式就不能适用了。必须综合考虑热力学等知识,重新导出可压缩流体的伯努利方程,推导如下。
如图8-1所示,设一维稳定流动的气体,在上面任取一段微小长度
根据恒流源的连续性方程式,有
由于在微元内,可认为
又对1-2自由体进行动能分析,其动能变化量为
同样地根据恒流源的连续性方程式
上式就可以写成
根据功能原理有
该式就是一元气体恒定流的运动微分方程
对上式进行积分,就得一元气体恒定流的能量方程
式中
(1) 等温过程
等温过程是保持温度不变的热力学过程。因
(2) 绝热过程
绝热过程是指与外界没有热交换的热力学过程。可逆、绝热过程称为等熵过程。绝热过程方程
式中
8.2 声速和马赫数
8.2.1 声速
微小扰动波在介质中的传播速度称为声速。如弹拨琴弦,使弦振动了空气,其压强和密度都发生了微弱的变化,并以波的形式在介质中传播。由于人耳能接收到的振动频率有限,声速并不限于人耳能接收的声音传播速度。凡在介质中的扰动传播速度都称为声速。
如图8-2所示,截面面积为
取上面的控制体,列连续性方程得
化简并略去高阶无穷小项,得
又由动量定理,得
同样化简并略去高阶无穷小项,得
联立式和式,得
上式就为声速方程式的微分形式。
密度对压强的变化率
由于微小扰动波的传播速度很快,其引起的温度变化也很微弱,在研究微小扰动时,可认为其压缩或膨胀过程是绝热且可逆的,这就是热力学中的等熵过程。则有绝热方程为
式中
可写为
上式两边对
又由理想气体状态方程
综合上述分析,有
(1) 由式得,密度对压强的变化率
(2) 特别的,对于空气来说,
(3) 从式可看出,声速
8.2.2 马赫(Ma)数
为了研究的方便,引入气体流动的当地速度
马赫数是气体动力学中最采用的参数之一,它也反映了气体在流动时可压缩的程度。马赫数越大,表示气体可压缩的程度越大,为可压缩流体;马赫数越小,表示气体可压缩性小,当达到一定程度时,可近似看作不可压缩流体。
根据马赫数
(1)
(2)
(3)
下面讨论微小扰动波的传播规律,可分为四种情况:
(1) 如图8-3
(2) 如图8-3
(3) 如图8-3
(4) 如图8-3
上面分析了扰动源分别在静止以及亚声速、声速和超声速从右移动时,微小扰动波的传播规律。由此可知,
8.3 一元气流的流动特性
在引入了声速和马赫数的概念后,对于可压缩气体的流动有一些自己的特性。这里我们介绍两个重要特性。
8.3.1气体流速与密度的关系
由第一节的式和第两节的式,得
将马赫数
上式表明了密度相对变化量和速度相对变化量之间的关系。从该式可以看出,等式中有个负号,表示两者的相对变化量是相反的。即加速的气流,密度会减小,从而使压强降低、气体膨胀;反则,减速气流,密度增大,导致压强增大、气体压缩。马赫数
8.3.2气体流速与流道断面积的关系
对一元气流得连续性方程
对上式微分,得
或
将式代入上式,得
从上式我们可以看到,
(1) 亚声速流动时,即
(2) 超声速流动时,即
8.4 气体在管道中的等温流动
实际工程中,许多工业输气管道,如天然气、煤气等管道,管道很长,且大部分长期暴露在外界中,管道中的气体能和外界进行充分的热交换,所以其温度基本与周边环境一样。该类气体管道可视为等温管道。
8.4.1基本方程
气体在实际管道中流动要受到摩擦阻力,故存在流程损失,但在流动中,气体压强、密度都有所改变,所以不能直接应用达西公式,只能在微小
对于前面推导出的可压缩流体方程式,在工业管道中加上摩擦损失后就可以写成
式中
根据连续性方程,有
又由热力学等温过程方程
或
将式代入式并改写为
上式积分得
若管道较长,且气流速度变化不大,则可以认为
质量流量公式为
上面各项就是计算等温管道压强、流速和流量的计算公式。
8.4.2流动特征分析
前面已经给出了气体连续性方程
由热力学方程
联立上面两式和,以及声速公式
从上式我们可以看出,如果
8.5 气体在绝热管道中的流动
在实际的气体输送管道中,常常在管道外面包有良好的隔热材料,管内气流与外界不发生热交换,这样的管道可以当作绝热管流来处理。
8.5.1基本方程
和分析等温管道一样的,引入连续性方程和运动微分方程,并结合绝热过程方程
由
代入上式得
对如图8-3所示在1-2间对上式定积分
可得
考虑到管道较长,流速变化也不大,
质量流量为
8.5.2 流动特征分析
和等温管流相似的推导,可以得到
以上各式就是绝热管流的压强、速度和流量等计算公式。同样地,与等温管流一样,如果
气体的两种状态
8.6.1滞止参数
在气体流动的计算中,一般都是由一个已知断面上的参数,求出另一个断面上的参数。为了计算的方便,我们假定在流动过程中的某个断面,气流的速度以无摩擦的绝热过程(即等熵过程)降低至零,该断面的气流状态就称为滞止状态,相应的气流参数称为滞止参数。如气体从大容器流入管道,由于容器断面相对于管道断面大很多,可认为容器中的气流速度为零,气流参数可认为是滞止参数,或气体绕过物体时,驻点的速度也为零,驻点处的流动参数也可认为是滞止参数。滞止参数常用下标“
由绝热过程方程式(),按滞止参数的定义,可得滞止参数和某一断面的运动参数间的关系为
又由完全气体状态方程
即
又声速
上式改写成马赫数的形式为
上式就是滞止温度和断面上的温度参数的计算式。由绝热过程方程
在等熵条件下温度降到绝对零度时,速度达到最大(
式中
根据上面的式子,只需已知滞止参数和某一断面的马赫数,就可以求该断面的运动参数。
例题:
8.6.2临界状态参数
气体从当地状态等熵地改变速度达到声速时(即
根据临界状态的定义,
代入式,就可以得出临界压比、临界密度比为
从上面公式可以看出,对于一定的气体, 临界状态参数与滞止参数的比值是定值。空气
临界截面上的声速称为临界声速
或
上式为临界声速
【例8-1】 空气在管道中作绝热无摩擦流动,某截面上的流动参数为
【解】 绝热、无摩擦流动就是等熵流动。先求马赫数M,再求
喷管的计算和分析
工程中采用的喷管有两种,一种是可获得亚声速流或声速流的收缩喷管,另一种是能获得超声速的拉瓦尔喷管。本节将以完全气体为研究对象,研究收缩喷管和拉瓦尔喷管在设计工况下的流动问题。
8.7.1收缩喷管
如图所示,气体从一大容器通过收缩喷管出流,由于容器比出流口要大得多,可将其中的气流速度看作零,则容器内的运动参数表示为滞止参数,分别为
即
又由绝热过程方程
上式就是喷管出流的速度公式,也称圣维南(Saint Venant)定律。此式对超声速也同样成立。
通过喷管的质量流量
代入上式得
从上面的各个公式可以看出,对于一定的气体,在收缩喷管出口未达到临界状态前,压降比
此时气流速度也达到极限速度
则流过喷管的极限质量流量为
8.7.2拉瓦尔喷管
如图8-3所示为拉瓦尔喷管,其作用是能使气流加速到超声速,拉瓦尔喷管广泛应用于蒸气轮机、燃气轮机、超声速风洞、冲压式喷气发动机和火箭等动力装置中。本小节将讨论拉瓦尔喷管出口流速和流量的计算。
假定拉瓦尔喷管内的气体作绝能等熵流动,喷管进口的气流处在滞止状态。按照和收缩喷管同样的推导方法,推导出的喷管出口处的气流速度同收缩喷管气流速度式,即同样用圣维南定律。
拉瓦尔喷管的质量流量公式也可仍然采用式,需要注意的,式中的截面积
由连续性方程得
式中
根据式就可以在已知出口截面积
【例8-2】空气在缩放喷管内流动,气流的滞止参数为
【解】管内为亚音速流动,出口压强等于背压:
出口参数:
喉部参数:
本 章 小 结
1.视为不可压缩气体的伯努利方程
可压缩一元气体恒定流的运动微分方程
(1)等温过程
(2)绝热过程
2.在介质中的扰动传播速度都称为声速,公式为
马赫数
3. 气体流速与密度的关系
气体流速与流道断面积的关系
4. 等温流动的基本方程
压强
速度
流量
以上各式只有
5. 绝热流动的基本方程
压强
速度
流量
和等温过程类似的,以上各式只有
思考与练习
8-1 分析理想气体绝热流动的伯努利方程各项意义,并与不可压缩流体的伯努利方程比较
8-2 请说明当地速度、当地声速、滞止声速、临界声速各自的意义以及他们之间的关系
8-3 在什么条件下可能把管流视为绝热流动?或等温流动?
8-4 在超声速流动中,速度随断面增大而增大的关系,其物理实质是什么?
8-5 为什么等温管流在出口断面上的马赫数
8-6 为什么绝热管流在出口断面上的马赫数只能是
8-7 空气作绝热流动,如果某处速度
8-8 大气温度T随海拔高度z变化的关系式是T=,T0=288K,一架飞机在10公里高空以900km/h速度飞行,求其飞行的马赫数。
8-9 空气气流在两处的参数分别为
8-10 一个真空容器将空气吸入其内,当地气温为20℃,试求容器内可能出现的气流最大速度。
8-11封闭容器中的氮气(γ=,
8-12空气气流在缩放管流动,进口的压强和温度为
8-13空气在缩放喷管流动,进口处,
8-14滞止参数
滞止压强
8-15由缩放喷管与等截面绝热有摩擦的管子连接而成的组合管与一个贮气容器相接。喷管喉部直径为0.6cm,缩放管出口以及等截面管的直径同为0.9cm。容器内的滞止压强
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