拉伐尔喷管的设计

拉伐尔喷管的设计

摘 要：本文针对拉伐尔喷管的几何条件和力学条件进行了推导。建立了喷管截面积变化与流速、压强、密度、温度等流动性能参数间的关系，分析了喷管出口截面下游的外界反压对拉伐尔喷管工作过程的影响。推导建立了拉伐尔喷管主要性能参数的计算方法。针对实际流动损失的存在，为得到喷管的实际流动性能，对理论性能参数提出了修正方法。本文研究内容为拉伐尔喷管的设计提供依据。

关键词：变截面；力学条件；性能参数；流动损失 1．引言

拉伐尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，如图1所示，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至喷管喉部。喉部之后又由小变大向外扩张。燃烧室中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过喉部后由后半部逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喷管叫跨音速喷管。瑞典工程师De Laval 在1883年首先将它用于高速汽轮机，现在这种喷管广泛应用于喷气发动机和火箭发动机。

图1 拉伐尔喷管结构图

2．拉伐尔喷管的几何条件 2．1变截面一维定常等熵流动

在变截面一维定常流动中只考虑截面积变化这一种驱动势，忽略摩擦、传热、重力等其他驱动势，因此流动是绝热无摩擦的，即等熵流动，变截面定常等熵流动模型如图2所示。

变截面一维定常等熵流动的控制方程组为：

Const m

VA ρ== (1) 0dp VdV ρ+= (2)

2102d h V ?

?+= ??

? (3)

2．2截面积变化对流动特性的影响

管道的形状变化可以用截面积变化dA 来表示。 (a) 截面积变化对流速的影响

对连续方程(1)取对数微分，得

图2 变截面一维定常等熵流动模型

0d dV dA

V A

ρ

ρ

+

+= (4) 将(2)两边同除以ρ，得

2

0dV dp d V V d ρρρ

+?= (5) 由声速公式及马赫数定义，得

()

21dV dA

M V A

-= (6) 这就是截面积变化与流速变化之间的关系。

(b) 截面积变化对压强的影响

将(2)代入(6)，由理想声速公式得到

22

1dp M dA

p M A

γ=?- (7) (c) 截面积变化对密度、温度、声速、马赫数的影响

联立(4)式与(6)式，消去速度项，得

22

1d M dA M A

ρ

ρ=?- (8) 联立(2)式与(3)式，并将(7)式代入，得

()2

211M dT dA T M A

γ-=?- (9) 将理想气体声速公式求对数微分，并将(9)式代入，得到

()()2

2121M da dA a A

M γ-=?- (10) 对马赫数定义取对数微分，并将(6)式和(10)式代入，得

2

21

12

1

M dM

dA

M

M A

γ-+

=?

- (11) 通过分析所得结果，截面积变化对各流动特性的影响可概括为：一维定常等熵流动具有膨胀加速或压缩减速额流动特性。收敛管道中的亚声速流和扩张管道中的超声速流是膨胀加速的，沿管道流速不断增加，而压强、密度和温度不断减小；扩张管道中的亚声速流和收敛管道中的超声速流是压缩减速的，沿流道流速不断降低，而压强、密度和温度却不断增加。 2．3流动极限状态——壅塞状态

收敛管道中的一维定常等熵流动流速只能连续变化到M=1，即达到临界状态，这是它的极限。在此之后，流速既不可能增大，也不可能减小，收敛管道中的这种现象称为流动壅塞。同样，超声速流也不可能通过收敛管道连续减速到亚声速流。

如果在临界截面之后使管道扩张，则当管道出口截面处的下游物理边界条件满足一定要求时，流动能够从声速流变为超声速流。这种先收敛后扩张的管道即为拉伐尔喷管。这种先收敛后扩张的管道形状是从初始亚声速流获得超声速流的必要条件，称为拉伐尔喷管的几何条件。

3．拉伐尔喷管的力学条件

拉伐尔喷管为实现亚声速流向超声速流的连续变化，除几何条件外，必须对喷管出口截面下游的环境压强（外界反压）做出限制，即拉伐尔喷管的力学条件。

为了分析外界反压对拉伐尔喷管流动的影响，假设出口截面外的环境压强a p 保持不变，而喷管进口截面的滞止压强0p 可变。当总压0p 变化时，喷管出口截面上的气体压强e p 随之变化。根据a p 和e p 的相对大小，气体在喷管中的流动状态分为以下三种情况。

(1) 最佳膨胀状态e a p p =

气体在喷管中得到了完全膨胀，这就是喷管的最佳膨胀状态，又称为设计状态，如图3所示。这种流动的主要特点是：

①喷管喉部达到了临界状态，出口流动为超声速，即Me>1； ②流体流出喷管后，既不膨胀，也不压缩，而是一平行射流；

③由于管内流动为超声速，当外界环境发生微小扰动时，扰动的传播速度（即声速）小于流动速度，扰动不能传进喷管内部，即喷管中的流动觉察不到外界反压的变化。

图3 喷管最佳膨胀时的流动

(2) 欠膨胀状态e a p p >

如果在最佳膨胀状态下提高喷管进口总压0p ，则出口e p 同时增大，有e a p p >。气体没有得到完全膨胀，其能量未充分发挥，即气体热能没有最大限度地转变成定向流动动能。这种流动称为欠膨胀状态或膨胀不足状态，如图4所示。欠膨胀状态流动主要特点是：

①喷管喉部达到了临界状态，出口仍为超声速M>1；

②气体在喷管外继续膨胀，直到压强等于a p 时为止，因此喷管出口处有一系列膨胀波； ③喷管外的压强扰动也不能逆向传入喷管。 (3) 过膨胀状态e a p p <

如果在最佳膨胀状态下减小喷管进口总压0p ，则喷管出口的气体压强也将减小，即

e a p p <。气体在喷管中作了过分的膨胀。这种流动称过膨胀状态。根据e p 小于a p 的程度

大小，气体在喷管中的流动状态又可分为下述四种情况。

①e p 稍小于a p

喷管出口的气体流动为超声速。在喷管外气体由于受到反压的突然压缩而产生不连续的压强增加，形成激波。因为e p 稍小于a p ，激波是附着在扩张段出口截面上的激波，如图5所示。气体经过斜激波后，压强升高到a p 。

②e p 比a p 小于一定值

随着压强差a e p p -的增大，喷管外的斜激波逐渐向喷管口收拢，并最终在e p 小于a p 一定值时演变成覆盖在喷管出口截面上的正激波，如图6所示。气体压强e p 经过正激波压缩后升高到a p ，这时的外界反压a p 称为第二临界反压。

③e p 进一步减小

当e p 比a p 小很多时，正激波从喷管出口截面向喷管内部移动，喷管扩张段内的流动以正激波为分界线。激波后的流动就是扩张管道中的亚声速流动，流动的马赫数将逐渐减小，压强逐渐升高，并在喷管出口截面升高到a p 。

④e a p p

如果e a p p ，则正激波最终移动到喉部。此时正激波消失，流动不再壅塞，全部喷管内的流动均为亚声速流，气体的压强、流速和质量流率都为外界反压所控制。这种流动状态称为亚临界流动状态，喷管喉部达不到临界状态。

a

p e

p e

图5 过膨胀状态的喷管流动图6 正激波位于喷管出口截面时的流动综上所述，若要在拉伐尔喷管出口截面获得超声速气流，喷管出口截面的气体压强必须达到或超过反压值，这一条件称为力学条件。

由此可知，拉伐尔喷管中的流动受几何条件和力学条件两方面的影响，在拉伐尔喷管的设计过程中必须同时考虑。

4．拉伐尔喷管的性能参数计算

拉伐尔喷管的性能参数主要包括喷管出口速度(排气速度)、质量流率、推力等。(1) 流速V和排气速度

e

V

根据式(3)可求出喷管内任一截面流速，即

V==(12) 将气体动力学函数代入(12)式，得到

V=(13)

令流速函数为

V

F=(14) 得到流速：

v

V=(15) 排气速度：

()

,

e V e

V Fγζ

=(16)排气速度衡量火箭发动机性能高低的一个重要参数。火箭是利用燃气的高速喷出获得推动力的，所以排气速度越高，获得的推力就越大。

(2) 质量流率

当喷管的喉部截面达到临界状态时，临界截面积就是喉部截面积At。

质量流率为：

m=

(17) (3) 推力F

对于给定的固体火箭推进剂，γ和RT均为常数，当喷管进口总压

p和喷管喉部面积一定时，质量流率是确定的，火箭发动机的推力仅是扩张比的函数。对于一定值的环境压强，

由于喷管处于最佳膨胀状态所具有的最大推力为最佳推力，用

opt

F表示，即

opt e V V t t

F mV F F p A

===Γ

(18) (4) 推力系数

推力系数

F

C定义为

F

t

F

C

p A

=(19) 5．拉伐尔喷管中的流动损失

进口截面出口截面

p

p e2=p a

上述对拉伐尔喷管流动的讨论基于一维定常等熵流动假设，实际流动过程与这种理想情况存在一定差别，如喷管热损失、摩擦损失、非理想气体效应等。在拉伐尔喷管设计中，为得到喷管的实际性能，必须对理论性能参数进行修正。

通常需要考虑的流动损失主要包括：两相流损失、流量损失、边界层损失和喷管扩张损失等，这些流动损失一般用修正系数来表示，定义为

φ=

实际性能参数

理论性能参数

(1) 两相流损失

在理想性能参数计算中，假设燃气为理想气体，实际上，应当考虑凝聚相影响。计算两相流损失的修正系数用如下经验公式

3

2410.150.081c c s s tp c t e t

c n

d p d ?ε=- (20)

式中s n －凝聚相微粒浓度；

s d －凝聚相微粒直径； t p －燃烧室压强； t d －喷喉直径；

2e e εζ=－面积扩张比。

(2) 流量损失

燃气从喷管收敛段流到喷管喉部时，由于气流的惯性作用，流线不能完全适应流道截面变化，使实际喷喉直径减小，使流量下降。流量损失系数为

()2

10.11210.3t m g A A φβ??

??

??=-- ? ?????

?

?

(21) 式中t A －喷喉面积；

g A －挡药板通气面积，无挡药板时可使用燃烧室末端面积； β－喷管的收敛半角。

(3) 边界层损失

边界层损失是指喷管壁面摩擦及散热所造成的损失，修正系数为

()0.8

20.2

0.81

0.211210.0169t t c p t d t bl e t

p c e d

?ε-?? ?'=-+?+-???? ???

(22) 式中t －发动机工作时间；

c1、c2－与喷管有关的常数，一般取c1=0.2357，c2=0.0605。 (4) 喷管扩张损失

在理想喷管流动中，一维流动的方向平行于轴线，流动参数在垂直于轴线截面上均匀一致。实际上，燃气沿锥形向外扩张流动，这种流动更接近源流，即所有流线从源点出发向外扩张流动。

火箭喷管流动计算主要关心出口截面即排气面上的流动参数。采用源流假设时，排气参数只有在球面s A 上才是均匀一致的，分别为压强s p 、密度s ρ、速度s v 等，而喷管出口截面e A 上的参数仍用e p 、e ρ、e v 等表示。

图5 喷管源流示意图

考虑喷管扩张损失，推力公式可改写成

()()1cos 2

c

e e e a e e e a F mV

A p p mV

A p p αα?+=+-=+- (23) 修正系数 1cos 2

c

ααφ+= (24)

6．结束语

本文从原理上对拉伐尔喷管设计中的几何条件以及力学条件分别进行了推导与分析。在火箭发动机拉伐尔喷管的设计过程中，必须同时满足先收敛后扩张的几何条件以及喷管出口截面的气体压强必须达到或超过反压值的力学条件。列举了拉伐尔喷管各性能参数的计算方法。由于实际运用中拉伐尔喷管存在流动损失，本文最后引入针对各流动损失的修正方法。

参考文献：

[1] 吴望一. 流体力学[M]. 北京：北京大学出版社，2010

[2] 武晓松，陈军，王栋. 固体火箭发动机气体动力学[M]. 北京：国防工业出版社，2005 [3] 董师颜等. 固体火箭发动机原理[M]. 北京:国防工业出版社,1983

[4] 刘志友等. 环境压力大偏差条件下拉瓦尔喷管发动机高空推力的确定[J]. 航空动力学报，2006，21（3）：610-614

拉法尔喷管

1、临界状态 在一个恰当的压强比下，气流在收缩段内加速，至喉部马赫数 ，然后在扩张段内减速，至出口，且，这种流动状态称为拉伐尔尾喷管的临界状态。气流的静压沿喷管轴线的变化如图 7.12 中的曲线所示。临界状态的特点是： ，，（完全膨胀），喷管内无激波，如果不计 摩擦，管内的整个流动可视为等熵流动。记临界状态下的压强比为，可 见当时，尾喷管的流动为临界状态。临界状态下的有关参数计算如下： 喷管出口马赫数：由面积比公式（ 7.16a ）可计算得到，即 （） 出口静压与进口总压之比 由于 （ 7.17 ） 所以是面积比的函数。 通过尾喷管的质量流量

（ 7.18 ）2.亚临界状态 尾喷管内的流动全部为亚声速时，称为亚临界状态。例如当 时，整个喷管内无流动，静压等于总压且沿尾喷管不变，如图 7.12 中的平行于轴的直线所示，这是亚临界状态的一种极限情况。 当时，气流在喷管收缩段内加速，至喉部仍然是，之后 在扩张管内减速，至出口，，如图 7.12 中的曲线 a 属于亚临界的流动状态。 因此亚临界状态的特点是：，，，气流在喷管内得到完全膨胀，整个喷管为亚声速流动。亚临界状态的有关参数计算如下：出口马赫数可按下式计算： 出口静压 通过喷管的流量 （ 7.19 ）3.超临界状态

当时，尾喷管内的流动称为超临界状态。气流在喷管收缩段加 速，至喉部，之后在扩张管内的流动根据的大小不同可能有如下几种情况： （1）气流在扩张管内继续加速，至出口，同时气流在喷管出口达到完 全膨胀，，整个扩张管内无激波，出口外也无激波和膨胀波，静压沿喷 管的变化如图 7.12 中的曲线所示。这种情况即是所谓的设计状态，记该状 态下的压强比，可见当时，尾喷管的流动为超临界状态，且气流在喷管出口达到完全膨胀。 其特点是：，，，因此喷管出口的马赫数可用等熵面积比公式（7.16a）计算，即 （） 出口静压： （ 7.20 ） 通过喷管的流量：由于，所以流量达到最大值，仍可用式（ 7.18 ）计算 （2）当时，气流在扩张段加速直到出口的，气流在喷 管内没有得到完全膨胀，即，因此超声速气流在喷管出口产生膨胀波束。在这个压强比范围内，反压的变化不会影响喷管内的流动，因为外界的扰动是以声速传播的，而喷管出口为超声速流动。其流动特点为

二维超音速喷管型线设计仿真研究_刘晓东

*基金项目：西北工业大学基础研究基金（JC201141）；新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0078）收稿日期：2014-03-06 陕西 西安 710072 刘晓东高丽敏李永增/西北工业大学 中图分类号：V211.754文献标志码：A 文章编号：1006-8155（2014）04-0025-06Design and Numerical Simulation on the Two-Dimensional Supersonic Nozzle Profile Liu Xiaodong,Gao Limin,Li Yongzeng/Northwestern Polytechnical University Abstract:In this paper,the research results about numerical simulation on the flow field of four classic convergent curves are gained by computational software FLUENT,which provides basis for selecting a kind of optimal curve to design the supersonic nozzle convergent profile. Based on the theory of characteristics line, the curve of supersonic nozzle expansion is designed with analytical method.Finally,comparing total pressure recovery coefficient and uniformity of flow field parameters, the angle of expansion curve and nozzle length are confirmed.The results show that exit velocity of the supersonic nozzle achieves the design requirements for Mach number and uniformity when Bipartite Cubic is the method of the contraction profile and the angle of expansion profile is 3.5°.Key words: two-dimension nozzle; characteristics theory;numerical simulation 0引言 在各类空气动力学研究中，风洞是 试验研究的重要设备，而喷管则是风洞构成的主要部件之一。其主要作用是使气流等熵膨胀加速，保证在试验段获得设计马赫数下的均匀流场。对于喷管型线的设计，很多学者已经进行了相关研究：何霖、易仕和[1] 等人基于特征线理论， 对目标马赫数为3.8的超音速喷管完成了设计，得到了满意的流场分布；王海涛、席德科[2]等人针对气流粉碎机上超音速喷管的使用特点，根据超音速风洞喷管设计的一般原理以及三元特征线理论和附面层修正的理论提出了一种实用的三元轴对称超音速喷管的设计方法；陈鑫、钟兢军[3]等人在矩形叶栅风洞设计过程中，分析了不同收缩段及不同长度的流场分布，得到了满足实验室要求较为理想的收缩段型线；李记东[4]通过求解特 Abstract ■摘要：采用计算软件FLUENT ，对四种经典收缩段型线下的流场特性进行数值模拟，为选择超声速风洞收缩段的型线提供依据。基于特征线理论，利用解析法完成超音速喷管膨胀段型线设计，通过分析总压恢复系数及均匀度等流场参数，确定型线膨胀角角度及喷管长度。结果表明，收缩段型线选用双三次曲线，膨胀角度3.5°的情况下，超音速喷管出口达到了设计要求马赫数，并获得了较好的气流品质。■关键词：二维喷管；特征线理论；数值仿真

工程热力学-名词解释

1.第一章基本概念及定义 2.热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能所得到动力的整套设备（包括辅助设备）统称热能动力装置。 3.工质：热能和机械能相互转化的媒介物质叫做工质，能量的转换都是通过工质状态的变化实现的。 4.高温热源：工质从中吸取热能的物系叫热源，或称高温热源。 5.低温热源：接受工质排出热能的物系叫冷源，或称低温热源。 6.热力系统：被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。 7.闭口系统：如果热力系统与外界只有能量交换而无物质交换，则称该系统为闭口系统。（系统质量不变） 8.开口系统：如果热力系统与外界不仅有能量交换而且有物质交换，则称该系统为开口系统。（系统体积不变） 9.绝热系统：如果热力系统和外界间无热量交换时称为绝热系统。（无论开口、闭口系统，只要没有热量越过边界） 10.孤立系统：如果热力系统和外界既无能量交换又无物质交换时，则称该系统为孤立系统。 11.表压力：工质的绝对压力>大气压力时，压力计测得的差数。 12.真空度：工质的绝对压力<大气压力时，压力计测得的差数，此时的压力计也叫真空计。 13.平衡状态：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态。充要条件是同时到达热平衡和力平衡。 14.稳定状态：系统参数不随时间改变。（稳定未必平衡） 15.准平衡过程(准静态过程)：过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破环后自动恢复平衡所需的时间很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平 衡状态，那么这样的过程就称为准平衡过程。它是无限接近于平衡状态的过程。 16.可逆过程：完成某一过程后，工质沿相同的路径逆行回复到原来的状态，并使相互作用所涉及的外界亦回复到原来的状态，而不留下任何改变。可逆过程=准 平衡过程+没有耗散效应（因摩擦机械能转变成热的现象）。 17.准平衡与可逆区别：准平衡过程只着眼工质内部平衡;可逆过程是分析工质与外界作用产生的总效果，不仅要求工质内部平衡，还要求工质与外界作用可以无 条件逆复。 18.功：功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。 19.热量：热力系统与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。 20.两者不同：功是有规则的宏观运动的能量传递，在做功的过程中往往伴随着能量形态的转化。热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量传递，传递过程中不出 现能量形态的转化。功转变成热量是无条件的而热量转变成功是有条件的。 21.正向循环（热动力循环）：热能转化成机械能的循环叫做正循环，它使外界得到功Wnet。 22.逆向循环：工质在循环中消耗机械能（或其他能量）把热量从低温热源传给高温热源的过程称为逆循环，消耗外功。 23.第二章热力学第一定律 24.热力学第一定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭，但可以从一种形态转变为另一种形态，在能量的转换过程中能量的 总量保持不变。（热力学第一定律就是能量守恒和转换定律在热现象中的体现）。内能的改变方式有两个：做功和热传递ΔU = W + Q。 25.第一类永动机：不消耗能量便可以永远对外做功的动力机械。 26.热力学能（内能）：分子间的不规则运动的内动能，分子间的相互作用的内位能，维持分子结构的化学能，原子核内部的原子能，电磁场作用下的电磁能等一 起构成热力学能。 27.总能（总存储能）：内能（热力学能），外能（宏观运动动能及位能）的总和称总能。 28.推动功：工质在开口系统中流动而传递的功称为推动功mpv。 29.流动功：系统为维持工质流动所需的功称为流动功(推动功差p2V2-p1V1）。 30.技术功：机械能可以全部转变为技术上可以利用的功，称为技术功（技术上可资利用的功）。 31.体积功：工质因体积的变化与外界交换的功。 32.焓：在热力设备中，工质总是不断的从一处流到另一处，随着工质的移动而转移的能量，即热力学能和推动功之和u+pv。 33.稳定流动过程：流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间而变，则这种流动过程称为稳定流动过程。反之，则为不稳 定流动过程或瞬变流动过程。 34.节流：工质流过阀门等设备时，流动界面突然收缩，压力下降，这种现象称为节流。 35.第三章气体和蒸汽的性质 36.标准大气压：在纬度45°的海平面上，当温度为0℃时，760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。 37.理想气体：1.分子间是弹性的、不具有体积的质点；2.分子间相互没有作用力。 38.摩尔气体常数：R=MRg=8.314 5 J/(mol·K)，与气体种类状态都无关。Rg与气体种类有关，状态无关。Rg物理意义是1 kg某种理想气体定压升高1 K对外作 的功。 39.定压比热容Cp：压力不变的条件下，1kg物质在温度升高1K所需的热量称为定压比热容。 40.定容比热容Cv：体积不变的条件下，1kg物质在温度升高1K所需的热量称为定容比热容。Cp- Cv=Rg气体常数。Cp/Cv=γ比热容比。 41.湿饱和蒸汽：水蒸气和水的混合物称为湿饱和蒸汽。 42.干饱和蒸汽：即饱和蒸汽，水全部变成蒸汽，这个时候的蒸汽称为干饱和蒸汽 43.过热蒸汽：对饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度升高，比体积增大，此时的蒸汽称为过热蒸汽。 44.饱和状态：当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量。 45.饱和温度：处于饱和状态的汽、液的温度相同称为饱和温度。 46.饱和压力：处于饱和状态的蒸汽的压力称为饱和压力。 47.过冷水：水温低于饱和温度时称为过冷水或未饱和水。 48.过热度：温度超过饱和温度之值称为过热度 49.汽化潜热：1kg质量的某种液相物质在汽化过程中所吸收的热量。简称汽化潜热（液体蒸发吸收的热量）。 50.第四章气体与蒸汽的基本热力 51.第五章热力学第二定律 52.热力学第二定律（克劳修斯说法）：热不可能自发的、不付代价的从低温物体传至高温物体。 53.热力学第二定律（开尔文说法）：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。 54.造成过程不可逆的两大因素：1、耗散效应。2、有限势差作用下的非准平衡变化。

拉伐尔喷管的设计

拉伐尔喷管的设计 Prepared on 24 November 2020

拉伐尔喷管的设计 摘 要：本文针对拉伐尔喷管的几何条件和力学条件进行了推导。建立了喷管截面积变化与流速、压强、密度、温度等流动性能参数间的关系，分析了喷管出口截面下游的外界反压对拉伐尔喷管工作过程的影响。推导建立了拉伐尔喷管主要性能参数的计算方法。针对实际流动损失的存在，为得到喷管的实际流动性能，对理论性能参数提出了修正方法。本文研究内容为拉伐尔喷管的设计提供依据。 关键词：变截面；力学条件；性能参数；流动损失 1．引言 拉伐尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，如图1所示，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至喷管喉部。喉部之后又由小变大向外扩张。燃烧室中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过喉部后由后半部逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喷管叫跨音速喷管。瑞典工程师De Laval 在1883年首先将它用于高速，现在这种喷管广泛应用于喷气发动机和火箭发动机。 图1 拉伐尔喷管结构图 2．拉伐尔喷管的几何条件 2．1变截面一维定常等熵流动 在变截面一维定常流动中只考虑截面积变化这一种驱动势，忽略摩擦、传热、重力等其他驱动势，因此流动是绝热无摩擦的，即等熵流动，变截面定常等熵流动模型如图2所示。 变截面一维定常等熵流动的控制方程组为： Const m VA ρ== (1) 0dp VdV ρ+= (2) 2102d h V ? ?+= ?? ? (3) 2．2截面积变化对流动特性的影响 管道的形状变化可以用截面积变化dA 来表示。 图2 变截面一维定常等熵流动 模型

工程热力学名词解释

热力系统：将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔出来的研究对象，称之为热力系统。简称系统。边界：分隔系统与外界的分界面，作用：确定研究对象，将系统与外界分隔。 外界：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。系统与外界作用通过分界面进行，有三种形式：功交换、热交换、物质交换。 闭口系统：没物质穿过边界的系统。又称为控制质量系统。 开口系统：有物质穿过边界的系统。 绝热系统：系统与外界无热量交换的系统。 孤立系统：系统与外界不发生任何能量传递和物质交换的系统。 热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。简称状态。热力状态反应大量分子热运动的平动特征。 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，系统内外同时建立了热和力平衡，这时系统的状态，称为平衡状态。 状态参数：描述工质状态特征的各种物理量。 基本状态参数：可以直接或间接地用仪表测量出来的参数。 比容：单位质量工质所具有的容积，称为工质的比容。 密度：单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。 温度：描述热力平衡系统冷热状况的物理量。温度的数值标尺简称温标。 压力：垂直作用于器壁单位面积上的力。（也称压强） P=F/A 相对压力（表压力）=大气压力+绝对压力：以大气压力作为基准所表示的压力。 绝对压力：以绝对真空作为基准所表示的压力。状态参数。 道尔顿分压定律：混合气体总压力为P，等于各组成气体分压力Pi之和。 分容积：假象混合气体中组成气体具有混合气体相同温度和压力时，单独占有的容积。 准静态过程：由一系列非常接近平衡态的状态所组成的过程。（是理想化过程） 可逆过程：当系统进行正反两个过程后，系统与外界均能完全回复到初始状态的过程。反之为不可逆过程。（理想化过程）可逆过程实现条件(特征)：1.过程势差无限小，即准静过程。2.没有耗散效应。 体积功：由于系统体积发生变化而通过界面向外界传递的机械功。（体积增大为膨胀功，体积减小为压缩功） 热力循环：工质从某一初态出发，经过一系列的中间状态变化，又回复到原来状态的全部过程。 理想气体：科学抽象的假象气体模型。气体分子是一些弹性的、不占有体积的质点，气体分子间无相互作用力。 比热容：单位物量的物质，温度升高或降低1K所吸收或放出的热量。 定容比热容：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化1K所吸收或放出的热量。 定压比热容：在定容情况下，单位物量的气体，温度变化1K所吸收或放出的热量。Cp-Cv=R（适用于理想气体） 绝热指数（比热容比）κ：定压比热Cp与定体积比热Cv之比。 混合气体成分：混合气体中各组成气体的含量与混合气体总量的比值。分为：质量、容积、摩尔成分。 热力学第一定律：自然界一切物质都有能量，能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转换成另一种形式，或从一个系统转移到另一个系统，而其总能量保持恒定。或者，第一类永动机是不可能制成的。 系统储存能（系统总能）：是指热力学能（内能）、外部储存能（宏观动能和重力位能）的总和。 膨胀功（容积功）：在压力差作用下，由于系统工质容积发生变化而传递的机械功。 轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功。 流动功（推动功）：为推动流通通过控制界面而传递的机械功。 技术功：热力过程中可被直接用来做功的能量，膨胀功与流动功代数和。

拉伐尔喷管的设计

拉伐尔喷管的设计 摘要：本文针对拉伐尔喷管的几何条件和力学条件进行了推导。建立了喷管截面积变化及流速、压强、密度、温度等流动性能参数间的关系，分析了喷管出口截面下游的外界反压对拉伐尔喷管工作过程的影响。推导建立了拉伐尔喷管主要性能参数的计算方法。针对实际流动损失的存在，为得到喷管的实际流动性能，对理论性能参数提出了修正方法。本文研究内容为拉伐尔喷管的设计提供依据。 关键词：变截面；力学条件；性能参数；流动损失 1．引言 拉伐尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，如图1所示，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至喷管喉部。喉部之后又由小变大向外扩张。燃烧室中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过喉部后由后半部逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喷管叫跨音速喷管。瑞典工程师De Laval在1883年首先将它用于高速汽轮机，现在这种喷管广泛应用于喷气发动机和火箭发动机。 图1 拉伐尔喷管结构图 2．拉伐尔喷管的几何条件 2．1变截面一维定常等熵流动 在变截面一维定常流动中只考虑截面积变化这一种驱动势，忽略摩擦、传热、重力等其他驱动势，因此流动是绝热无摩擦的，即等熵流动，变截面定常等熵流动模型如图2所示。

变截面一维定常等熵流动的控制方程组为： (1) (2) (3) 2．2截面积变化对流动特性的影响 管道的形状变化可以用截面积变化dA 来表示。 (a) 截面积变化对流速的影响 对连续方程(1)取对数微分，得 (4) 将(2)两边同除以，得 (5) 由声速公式及马赫数定义，得 (6) 这就是截面积变化及流速变化之间的关系。 (b) 截面积变化对压强的影响 将(2)代入(6)，由理想声速公式得到 (7) (c) 截面积变化对密度、温度、声速、马赫数的影响 联立(4)式及(6)式，消去速度项，得 (8) 控制体 p +dp dx ρ+d ρ V +dV T +dT A +dA p T A 图2 变截面一维定常等熵流动模型

工程热力学思考题答案

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第七章 气体与蒸汽的流动 对改变气流速度起主要作用的是通道的形状还是气流本身的状态变化 答：改变气流速度主要是气流本身状态变化，主要是压力变化直接导致流速的变化。 如何用连续性方程解释日常生活的经验：水的流通截面积增大，流速就降低 答：日常生活中水的流动一般都为稳定流动情况11221212f f m m m Ac A c q q q v v === =，对于不可 压缩流体水1v =2v ，故有流速和流通截面积成反比关系。 在高空飞行可达到高超音速的飞机在海平面上是否能达到相同的高马赫数 答：不能，因为速度和压比有个反比关系，当压比越大最大速度越小，高空时压比小，可 以达到高马赫数，海平面时压比增大，最大速度降低无法达到一样的高马赫数。 当气流速度分别为亚声速和超声速时，下列形状的管道（图7-16）宜于作喷管还是宜于作扩压管 答：气流速度为亚声速时图7-16中的1 图宜于作喷管，2 图宜于作扩压管，3 图宜于作喷 管。当声速达到超声速时时1 图宜于作扩压管，2 图宜于作喷管，3 图宜于作扩压管。4 图不改变声速也不改变压强。

当有摩擦损耗时，喷管的流出速度同样可用 c= 2 f 相同，那么摩擦损耗表现在哪里呢 答：摩擦损耗包含在流体出口的焓值里。摩擦引起出口速度变小，出口动能的减小引起出口焓值的增大。 考虑摩擦损耗时，为什么修正出口截面上速度后还要修正温度 答：因为摩擦而损耗的动能被气流所吸收，故需修正温度。 考虑喷管内流动的摩擦损耗时，动能损失是不是就是流动不可逆损失为什么 答：不是。因为其中不可逆还包括部分动能因摩擦损耗转化成热能，而热能又被气流所吸收，所造成的不可逆。 在图7-17 中图（a）为渐缩喷管,图（b）为缩放喷管。设两喷管的工作背压均为，进口 c可忽略不计。1）若两喷管的最小截面面积相等，问两截面压力均为1 MPa，进口流速 1f 喷管的流量、出口截面流速和压力是否相同2) 假如沿截面2’-2’切去一段，将产生哪些后果出口截面上的压力、流速和流量起什么变化 答：1）若两喷管的最小截面面积相等，两喷管的流量相等，渐缩喷管出口截面流速小于缩放喷管出口截面流速，渐缩喷管出口截面压力大于缩放喷管出口截面压力。 2) 若截取一段，渐缩喷管最小截面面积大于缩放喷管最小截面面积，则渐缩喷管的流 量小于缩放喷管的流量，渐缩喷管出口截面流速小于缩放喷管出口截面流速，渐缩喷管出口截面压力大于缩放喷管出口截面压力。

工程热力学-名词解释

1. 第一章 基本概念及定义 2. 热能动力装置：从燃料燃烧中得到热能，以及利用热能所得到动力的整套设备（包括辅助设备）统称热能动力装置。 3. 工质：热能和机械能相互转化的媒介物质叫做工质，能量的转换都是通过工质状态的变化实现的。 4. 高温热源：工质从中吸取热能的物系叫热源，或称高温热源。 5. 低温热源：接受工质排出热能的物系叫冷源，或称低温热源。 6. 热力系统：被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。 7. 闭口系统：如果热力系统与外界只有能量交换而无物质交换，则称该系统为闭口系统。（系统质量不变） 8. 开口系统：如果热力系统与外界不仅有能量交换而且有物质交换，则称该系统为开口系统。（系统体积不变） 9. 绝热系统：如果热力系统和外界间无热量交换时称为绝热系统。（无论开口、闭口系统，只要没有热量越过边界） 10. 孤立系统：如果热力系统和外界既无能量交换又无物质交换时，则称该系统为孤立系统。 11. 表压力：工质的绝对压力>大气压力时，压力计测得的差数。 12. 真空度：工质的绝对压力<大气压力时，压力计测得的差数，此时的压力计也叫真空计。 13. 平衡状态：无外界影响系统保持状态参数不随时间而改变的状态。充要条件是同时到达热平衡和力平衡。 14. 稳定状态：系统参数不随时间改变。（稳定未必平衡） 15. 准平衡过程(准静态过程)：过程进行的相对缓慢，工质在平衡被破环后自动恢复平衡所需的时间很短，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡状态，那么这样的过程就称为准平衡过程。它是无限接近于平衡状态的过程。 16. 可逆过程：完成某一过程后，工质沿相同的路径逆行回复到原来的状态，并使相互作用所涉及的外界亦回复到原来的状态，而不留下任何改变。可逆过程=准平衡过程+没有耗散效应（因摩擦机械能转变成热的现象）。 17. 准平衡与可逆区别：准平衡过程只着眼工质内部平衡;可逆过程是分析工质与外界作用产生的总效果，不仅要求工质内部平衡，还要求工质与外界作用可以无条件逆复。 18. 功：功是热力系统通过边界而传递的能量，且其全部效果可表现为举起重物。 19. 热量：热力系统与外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传递的能量。 20. 两者不同：功是有规则的宏观运动的能量传递，在做功的过程中往往伴随着能量形态的转化。热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量传递，传递过程中不出现能量形态的转化。功转变成热量是无条件的而热量转变成功是有条件的。 21. 正向循环（热动力循环）：热能转化成机械能的循环叫做正循环，它使外界得到功Wnet 。 22. 逆向循环：工质在循环中消耗机械能（或其他能量）把热量从低温热源传给高温热源的过程称为逆循环，消耗外功。 23. 第二章 热力学第一定律 24. 热力学第一定律：自然界中的一切物质都具有能量，能量不可能被创造，也不可能被消灭，但可以从一种形态转变为另一种形态，在能量的转换过程中能量的总量保持不变。（热力学第一定律就是能量守恒和转换定律在热现象中的体现）。内能的改变方式有两个：做功和热传递 ΔU = W + Q 。 25. 第一类永动机：不消耗能量便可以永远对外做功的动力机械。 26. 热力学能（内能）：分子间的不规则运动的内动能，分子间的相互作用的内位能，维持分子结构的化学能，原子核内部的原子能，电磁场作用下的电磁能等一起构成热力学能。 27. 总能（总存储能）：内能（热力学能），外能（宏观运动动能及位能）的总和称总能。 28. 推动功：工质在开口系统中流动而传递的功称为推动功mpv 。 29. 流动功：系统为维持工质流动所需的功称为流动功(推动功差p2V2-p1V1）。 30. 技术功：机械能可以全部转变为技术上可以利用的功，称为技术功（技术上可资利用的功）。 31. 体积功：工质因体积的变化与外界交换的功。 32. 焓：在热力设备中，工质总是不断的从一处流到另一处，随着工质的移动而转移的能量，即热力学能和推动功之和u+pv 。 33. 稳定流动过程：流动过程中，开口系统内部及其边界上各点工质的热力参数及运动参数都不随时间而变，则这种流动过程称为稳定流动过程。反之，则为不稳定流动过程或瞬变流动过程。 34. 节流：工质流过阀门等设备时，流动界面突然收缩，压力下降，这种现象称为节流。 35. 第三章 气体和蒸汽的性质 36. 标准大气压：在纬度45°的海平面上，当温度为0℃时，760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。 37. 理想气体：1.分子间是弹性的、不具有体积的质点；2.分子间相互没有作用力。 38. 摩尔气体常数：R=MRg=8.314 5 J/(mol ·K)，与气体种类状态都无关。Rg 与气体种类有关，状态无关。Rg 物理意义是1 kg 某种理想气体定压升高1 K 对外作的功。 39. 定压比热容Cp ：压力不变的条件下，1kg 物质在温度升高1K 所需的热量称为定压比热容。 40. 定容比热容Cv ：体积不变的条件下，1kg 物质在温度升高1K 所需的热量称为定容比热容。Cp- Cv=Rg 气体常数。Cp/Cv=γ比热容比。 41. 湿饱和蒸汽：水蒸气和水的混合物称为湿饱和蒸汽。 42. 干饱和蒸汽：即饱和蒸汽，水全部变成蒸汽，这个时候的蒸汽称为干饱和蒸汽 43. 过热蒸汽：对饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度升高，比体积增大，此时的蒸汽称为过热蒸汽。 44. 饱和状态：当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量。 45. 饱和温度：处于饱和状态的汽、液的温度相同称为饱和温度。 46. 饱和压力：处于饱和状态的蒸汽的压力称为饱和压力。 47. 过冷水：水温低于饱和温度时称为过冷水或未饱和水。 48. 过热度：温度超过饱和温度之值称为过热度 49. 汽化潜热：1kg 质量的某种液相物质在汽化过程中所吸收的热量。简称汽化潜热（液体蒸发吸收的热量）。 50. 第四章 气体与蒸汽的基本热力 51. 第五章 热力学第二定律 52. 热力学第二定律（克劳修斯说法）：热不可能自发的、不付代价的从低温物体传至高温物体。 53. 热力学第二定律（开尔文说法）：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。 54. 造成过程不可逆的两大因素：1、耗散效应。2、有限势差作用下的非准平衡变化。 55. 卡诺循环：工作于温度分别为1T 和2T 的两个热源之间的正向循环，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。 56. 概况性卡诺循环：双热源间的极限回热循环称为概括性卡诺循环。 57. 回热：用工质原本排出的热量加热工质本身的方法。 58. 熵产：由耗散热产生的熵增量叫做熵产。（闭口系内不可逆绝热过程中，存在不可逆因素引起耗散效应，使损失的机械能转化为热能被工质吸收，导致熵增大）。

拉伐尔喷管的设计

拉伐尔喷管的设计 摘 要：本文针对拉伐尔喷管的几何条件和力学条件进行了推导。建立了喷管截面积变化与流速、压强、密度、温度等流动性能参数间的关系，分析了喷管出口截面下游的外界反压对拉伐尔喷管工作过程的影响。推导建立了拉伐尔喷管主要性能参数的计算方法。针对实际流动损失的存在，为得到喷管的实际流动性能，对理论性能参数提出了修正方法。本文研究内容为拉伐尔喷管的设计提供依据。 关键词：变截面；力学条件；性能参数；流动损失 1．引言 拉伐尔喷管是火箭发动机和航空发动机最常用的构件，由两个锥形管构成，如图1所示，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。喷管的前半部是由大变小向中间收缩至喷管喉部。喉部之后又由小变大向外扩张。燃烧室中的气体受高压流入喷嘴的前半部，穿过喉部后由后半部逸出。这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化，使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。所以，人们把这种喷管叫跨音速喷管。瑞典工程师De Laval 在1883年首先将它用于高速汽轮机，现在这种喷管广泛应用于喷气发动机和火箭发动机。 图1 拉伐尔喷管结构图 2．拉伐尔喷管的几何条件 2．1变截面一维定常等熵流动 在变截面一维定常流动中只考虑截面积变化这一种驱动势，忽略摩擦、传热、重力等其他驱动势，因此流动是绝热无摩擦的，即等熵流动，变截面定常等熵流动模型如图2所示。 变截面一维定常等熵流动的控制方程组为： Const m VA ρ== (1) 0dp VdV ρ+= (2) 2102d h V ? ?+= ?? ? (3) 2．2截面积变化对流动特性的影响 管道的形状变化可以用截面积变化dA 来表示。 (a) 截面积变化对流速的影响 图2 变截面一维定常等熵流动模型

工程热力学思考题答案,第七章

第七章 气体与蒸汽的流动 7.1对改变气流速度起主要作用的是通道的形状还是气流本身的状态变化？ 答：改变气流速度主要是气流本身状态变化，主要是压力变化直接导致流速的变化。 7.2如何用连续性方程解释日常生活的经验：水的流通截面积增大，流速就降低？ 答：日常生活中水的流动一般都为稳定流动情况11 221212f f m m m Ac A c q q q v v ====， 对于不可压缩流体水1v =2v ，故有流速和流通截面积成反比关系。 7.3在高空飞行可达到高超音速的飞机在海平面上是否能达到相同的高马赫数？ 答：不能，因为速度和压比有个反比关系，当压比越大最大速度越小，高空时压比小，可以达到高马赫数，海平面时压比增大，最大速度降低无法达到一样的高马赫数。 7.4当气流速度分别为亚声速和超声速时，下列形状的管道（图7-16）宜于作喷管还是宜于作扩压管？ 答：气流速度为亚声速时图7-16中的1 图宜于作喷管，2 图宜于作扩压管，3 图宜于作喷管。当声速达到超声速时时1 图宜于作扩压管，2 图宜于作喷管，3 图宜于作扩压管。4 图不改变声速也不改变压强。 7.5当有摩擦损耗时，喷管的流出速度同样可用2f c =无摩擦损耗时相同，那么摩擦损耗表现在哪里呢？ 答：摩擦损耗包含在流体出口的焓值里。摩擦引起出口速度变小，出口动能的减小引起出口焓值的增大。 7.6考虑摩擦损耗时，为什么修正出口截面上速度后还要修正温度？ 答：因为摩擦而损耗的动能被气流所吸收，故需修正温度。 7.7考虑喷管内流动的摩擦损耗时，动能损失是不是就是流动不可逆损失？为什么？ 答：不是。因为其中不可逆还包括部分动能因摩擦损耗转化成热能，而热能又被气流所吸收，所造成的不可逆。 7.8在图7-17 中图（a ）为渐缩喷管,图（b ） 为缩放喷管。设两喷管的工作背压均为0.1MPa ，进口截面压力均为1 MPa ，进口流速1f c 可忽略不计。1）若两喷管的最小截面面积相等，问两喷管的流量、出口截面流速和压力是否相同？2) 假如沿截面2’-2’切去一段，将产生哪些后果？出口截面上的压力、流速和流

喷嘴设计及计算

第一章喷头改进设计的必要性 喷雾喷头是通过一定方法，将液体分离细小雾滴的装置，目前在使用的一般是采用减小喷口直径，这些喷头雾化效率低，水量小， 第二章喷嘴设计及计算 喷嘴是喷头的重要部件，也是直接影响喷灌质量和喷头水力性能的一个部件。它不但要最大限度地把水流压能变成动能，而且要保持稳流器整理过的水流仍具有较低的紊流程度。 喷嘴的结构形式一般有下列三种： 1． 圆锥形喷嘴 圆锥形喷嘴由于其结构简单，加工方便而被大量应用于喷头，其结构如图。圆锥形喷嘴的主要结构参数是：喷嘴直径D c,喷嘴圆柱段长度l,喷嘴内腔锥角。 有的喷头为了提高雾化程度或增加喷头近处的水量，而在喷嘴出口处增加一粉碎螺钉，其结构见图。由于射流撞击在螺钉上，增加了碰撞阻力以致影响了喷头的射程及喷洒均匀度，所以现在除了个别喷头外已很少采用加粉碎螺钉的结构。 2． 流线形喷嘴 为了使水流平顺，有的喷头设计成流线形，以减少水流冲击损失。流线 形喷嘴结构如图所示。 苏联维多新斯基为流线形喷嘴的设计提供了计算公式：

实验表明，水流不很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头射程能增 加8~12%。但水流很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头的射程增加很微小。由此可见，流线形喷嘴能使水流平稳从而提高喷头射程。 3。流线圆锥形喷嘴 流线圆锥形喷嘴是上述两种形式之结合，图12就是这种形式的喷嘴。从图可以看出来，水流自喷管先经过喷嘴的流线形段，继而经过圆锥形段。从加工来说，凸流线形喷嘴易于加工。由于圆锥形喷嘴有结构简单，加工方便等优点，所以目前喷头大多采用圆锥形喷头。 第二节 喷嘴直径的确定 喷嘴直径是一个重要的数值，它直接影响到喷灌质量，如喷灌强度，均匀度和雾化程度。它又和喷头的结构和水力性能有极为密切的关系，诸如喷灌直径Dcm ，喷头流量，射程和工作压力等。 由于喷头喷出的射流是高压高速水流的孔口出流，所以可应用水力学的圆形孔口出流公式计算。即： Q= 2 24 gH D 式中： 0H =2 H 其中， Q—喷嘴流量 --流量系数 0D -射流收缩断面的直径0H -射流收缩断面的压力 -流速系数 H-喷头工作压力

工程热力学名词解释及公式汇总

工程热力学基础知识介绍 一、基本概念 工质：工作介质的简称。工质的状态参数有六个：1）压力 2）温度 3）比容：指单位工质所具有的容积。用γ表示。 γ=V/m (单位：mз/kg) 气体比容的倒数为气体的密度。 4）内能：指气体的内位能与内动能之和，用u表示。 5）焓：是一个表示能量的状态参数，用h表示。它由内能和推动功组成，即 h=u+pv 6) 熵：是一个导出的状态参数，它表示能量的传递方向。 用s表示。 二、热力学两大定律 热力学第一定律：热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热。 热力学第二定律：热量不可能自发的，无条件的从低温物体传到高温物体。 三、热力过程 热力过程指工质由一种状态变化为另一种状态所经过

的途径。常见的热力过程有：定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程。 理想气体状态方程：PV=nRT 1)定容过程：V=定值, P1/P2=T1/T2 定容过程中，工质不输出膨胀功，加给工质的热量未转化为机械能，全部用于增加工质的热力学能，因而工质温度升高。2）定压过程：P=定值，V1/V2=T1/T2 定压过程中，工质流过换热器等设备时，不对外做技术功，这时工质吸收热量转化的机械能全部用来维持工质的流动。3）定温过程：T=定值，P1V1=P2V2 定温过程中，由于热力学能不变，所以在定温膨胀时吸收的热量，全部转化未膨胀功。 4）绝热过程：ΔQ=0 绝热过程中，工质所作的技术功等于焓降，与外界无能量交换，过程功只来自工质本身的能量转换。 四、热力循环 一个热力系统经过一系列的热力变化，最后又回到原来完全相同的状态称为热力循环。余热电站的热力循环即为简单的朗肯循环。

碳化硅脱硫喷嘴布置设计原理

喷嘴布置设计原理 （1）喷管管数的确定 根据单层浆体总流量Q1和单个喷嘴流量Q S,可得单层喷嘴个数n Q1=480.68/4=120.17（L/s） 而单个喷嘴流量为Q S=0.75L/s N=Q1/Q S 所以N=120.17/0.75=160.22 取整数值161个 单喷管最大流量 Q max，s=(π/4 )* Dmax *V 主管管数 N=int（Q1/Q max，s）+1 D max 单喷淋管可选最大管径，0.04m： V 为喷淋管内最大流速，6m/s Q max，s=(π/4 )* Dmax *V=0.25*3.14*0.04*0.04*6=7.536L/s N=int（Q1/Q max，s）+1=int（120.17/7.536）+1=16 （2）各喷管间距的确定 根据脱硫塔直径、喷嘴个数等参数，各喷管之间间距： L sp=D im/N sp 式中D im为脱硫塔内径 N sp为喷u字间距 （3）各支喷管直径的确定 根据布置在主管、各支管的喷嘴个数以及单喷嘴流量，可以确定主管各段、各支管喷管管径Di=√4Q i/πV 式中Q i为节点i处浆体流量，m3/s;D i为节点i处喷管直径，m。 （4）喷淋层在塔内覆盖率的确定 喷淋层在脱硫塔内覆盖率为： α=(A EFF/A)*100 则α=(A EFF/A)*100=20/（π*0.25*3.82）=176% 式中AEFF为单层喷嘴在脱硫塔内的有效覆盖面积，20m2 A为脱硫塔面积，11.3m2 计算主要包括喷淋层内主管管数、各支喷管的管径及流速、喷嘴在塔内位置等的计算与设计。根据上述设计方法、结合实际经验，确定喷淋层内各喷管直径、各个喷嘴位置等几何参数。 在确定喷嘴布置设计中，需要确定喷嘴在塔内的位置坐标在确定各支喷管直径时，要根据厂家提供的标准管径来选取。在确定各个支喷管直径后，还要根据厂家提供的喷嘴与各主、支喷管之间间距要求，对初步喷嘴位置进行调整，以避免喷出的液滴与喷管发生喷射碰撞。 在喷嘴布置完成后，需要确定喷淋层在塔内的覆盖率以及多层覆盖状况，验证喷嘴布置的合理性。 4.1.2.2 进行喷嘴在塔内布置设计中应该注意以下问题： （1）选择合理的喷嘴覆盖高度，通常根据喷嘴特性及两层喷淋之间距离来确定。 （2）选择合理的单层喷嘴个数。一般来说，喷嘴个数根据工艺计算来确定。 （3）当喷嘴覆盖高度确定以后，就可以计算单个喷嘴的覆盖面积，

工程热力学

4-6 3 kg 空气从1 p = 1 MPa、 1 T = 900 K ，可逆绝热膨胀到 2 p = 0.1 MPa 。设比热容为定值，绝热指数κ= 1.4，求： （1）终态参数2 T 和2 v ；（2）过程功和技术功；（3）ΔU 和ΔH 。

4-9 某气缸中空气初始参数p1 = 8 MPa，t1 = 1 300 °C，进行了一个可逆多变过程后， 终态p2 = 0.4 MPa，t 2 = 400 °C，空气的气体常数R g = 0.287 kJ/(kg ?K)，试按下列两种方法计算空气该过程是放热还是吸热？（1）按定值热容，c V=0.718 kJ/(kg K) ?； Q大于0，故为吸热。 7-6 空气流经渐缩喷管。在喷管某一截面处，压力为0.5MPa，温度为540℃，流速为 200m/s，截面积为0.005m2。试求： （1）气流的滞止压力及滞止温度（2）该截面处的音速及马赫数；(3)若喷管出口处的马赫数等于1，求出口截面积、出口温度、压力及速度。（3）Ma 2= 1 7-9 内燃机排出的废气压力为0.2MPa ，温度为550℃，流速为110m/s ，若将之引入渐缩喷管，试确定当背压为0.1MPa 时废气通过喷管出口截面的流速并分析若忽略进口流速时引起的误差。若忽略初流速，则

10-4 利用地热水作为热源，R134a作为工质的朗肯循环（T ?s 图如图10-1），在R134a 离开锅炉时状态为85℃的干饱和蒸气，在气轮机内膨胀后进入 冷凝器时的温度是40℃，计算循环热效率。 汽轮机输出功w T= h1 ?h2 = 427.6 kJ/kg ?408.8 kJ/kg = 18.8 kJ/kg

工程热力学期末试卷及答案

一．是非题 1．两种湿空气的相对湿度相等，则吸收水蒸汽的能力也相等。（） 2．闭口系统进行一放热过程，其熵一定减少（） 3．容器中气体的压力不变，则压力表的读数也绝对不会改变。（） 4．理想气体在绝热容器中作自由膨胀，则气体温度与压力的表达式为 k k p p T T 1 1212-??? ? ??=（） 5．对所研究的各种热力现象都可以按闭口系统、开口系统或孤立系统进行分析，其结果与所取系统的形式无关。（） 6．工质在相同的初、终态之间进行可逆与不可逆过程，则工质熵的变化是一样的。（） 7．对于过热水蒸气，干度1>x （） 8．对于渐缩喷管，若气流的初参数一定，那么随着背压的降低，流量将增大，但最多增大到临界流量。（） 9．膨胀功、流动功和技术功都是与过程的路径有关的过程量（） 10．已知露点温度d t 、含湿量d 即能确定湿空气的状态。（） 二．选择题（10分） 1．如果热机从热源吸热100kJ ，对外作功100kJ ，则（）。 （A ）违反热力学第一定律；（B ）违反热力学第二定律； （C ）不违反第一、第二定律；（D ）A 和B 。 2．压力为10bar 的气体通过渐缩喷管流入1bar 的环境中，现将喷管尾部截去一小段，其流速、流量变化为（）。 A 流速减小，流量不变（ B ）流速不变，流量增加 C 流速不变，流量不变（ D ）流速减小，流量增大 3．系统在可逆过程中与外界传递的热量，其数值大小取决于（）。 （A ）系统的初、终态；（B ）系统所经历的过程； （C ）（A ）和（B ）；（D ）系统的熵变。 4．不断对密闭刚性容器中的汽水混合物加热之后，其结果只能是（）。 （A ）全部水变成水蒸汽（B ）部分水变成水蒸汽 （C ）部分或全部水变成水蒸汽（D ）不能确定 5．（）过程是可逆过程。 （A ）.可以从终态回复到初态的（B ）.没有摩擦的 （C ）.没有摩擦的准静态过程（D ）.没有温差的 三．填空题（10分） 1．理想气体多变过程中，工质放热压缩升温的多变指数的范围_________ 2．蒸汽的干度定义为_________。 3．水蒸汽的汽化潜热在低温时较__________，在高温时较__________，在临界温度为__________。 4．理想气体的多变比热公式为_________ 5．采用Z 级冷却的压气机，其最佳压力比公式为_________ 四、名词解释（每题2分，共8分） 1．卡诺定理： 2．．理想气体 3．水蒸气的汽化潜热 5．含湿量 五简答题（8分） 1.证明绝热过程方程式 2.已知房间内湿空气的d t 、wet t 温度，试用H —d 图定性的 确定湿空气状态。 六．计算题（共54分） 1．质量为2kg 的某理想气体，在可逆多变过程中，压力从0.5MPa 降至0.1MPa ，温度从162℃降至27℃，作出膨胀功267kJ ，从外界吸收热量66.8kJ 。试求该理想气体 的定值比热容p c 和V c [kJ/(kg ·K)]，并将此多变过程表示在v p -图和s T -图上 （图上先画出4个基本热力过程线）。（14分） 2．某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为p1=13.5bar ，t1=370℃,汽轮机出口蒸汽参数为p2=0.08bar 的干饱和蒸汽，设环境温度t0=20℃,试求：汽轮机的实际功量、理想功量、相对内效率（15分） 3．压气机产生压力为6bar ，流量为20kg/s 的压缩空气，已知压气机进口状态1p =1bar ，1t =20℃，如为不可逆绝热压缩，实际消耗功是理论轴功的1.15倍，求 压气机出口温度2t 及实际消耗功率P 。（已知：空气p c =1.004kJ/(kgK)，气体常数 R=0.287kJ/(kgK)）。（15分） 4．一卡诺循环，已知两热源的温度t1=527℃、T2=27℃,循环吸热量Q1=2500KJ ，试求：（A ）循环的作功量。（B ）排放给冷源的热量及冷源熵的增加。(10分) 一．是非题（10分） 1、× 2、× 3、× 4、√ 5、√ 6、× 7、× 8、√ 9、×10、× 二．选择题（10分） 1、B 2、A3、A4、A5、C 三．填空题（10分）