工程热力学 第九章 图文
工程热力学第8-9章
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
工程热力学第九章lm
p0
cdc vdp
T
0
p1
1
2
p2
s
喷管设计
喷管形式选择：
pc 2 p1 k 1
k k 1
pb pc pb pc
亚音速，渐缩喷管 超音速，渐缩渐扩喷管
喷管尺寸计算：
f min
l d 2 d min 2 tan
mmax vc cc
2 c12 c2 h0 h1 h2 2 2
h c pT
c12 T0 T1 2c p
T 0 1 2 s p0 p1 p2
c12 T0 T1 2c p
p0
T0 p1 T 1
T1 1 T 0
k k 1
pv const
k
v0 v ( )
T
p1 1 p2 2’
c2 ' 速度系数 c2
喷管效率
2
（0.94～0.98）
s
2 c2' 2 h1 h2' 2 2 c2 h1 h2 2
（0.9～0.95）
引射器原理
气流速度增加，压力减小 气流速度降低，压力增加
p1
pb
pb > pm
p1<pm<pb
应用实例：飞机环控系统
水蒸气流速及流量
1. 首先计算pc，判断喷管内气体流动状态
pc 2 p1 k 1
k k 1
过热蒸汽：k＝1.3 干饱和蒸汽：k=1.135
pc 0.546 p1 pc 0.577 p1
2. 根据喷管内气体流动状态，进行流速和流量计算 出口流速： 2 44.72 h1 h2 c
《工程热力学》第九章 气体动力循环 (2)
27
一、概述--燃气轮机工作过程
燃料 燃烧室 2 压气机 发电机
3
空气
1
4
废气
开式装置示意图
28
闭式燃气轮机装置示意图
空气 2 加热器 压气机 燃料
3
Ws
1
冷却器
4
29
二、定压加热理想循环(Bryden Cycle)
1、定压加热理想循环组成 2、定压加热参数计算 3、循环热效率计算及其提高途径 4、轴功计算及其最大值与增温比关系
1、汽油机的实际工作循环 2、对汽油机的工作循环的简化及抽象--定容加 热循环 Otto Cycle 3、定容加热循环参数计算 定容加热循环参数关系 热效率计算及分析 循环净功计算 提高循环热效率的途径
15
定容加热循环 Otto Cycle
P 3
T 1-2：绝热压缩过程 2-3：定容燃烧过程 3-4：绝热膨胀过程 4-1：定容放热过程 4
1、三种循环压缩比ε 相同，放热量q2相 同 （书中以吸热量q1相同分析） η t，V> η t,C> η t,P
2、循环最高压力Pmax> η , η t，P> η t,C及最高温度Tmax相同 t V
以P-V图、T-S图分析！
23
9-5 活塞式热气发动机及循环
自学
24
作业: 9-5,9-11
C P 0 (T3 T4 ) C P 0 (T2 T1 )
1 ( k 1) / k w0 C P 0 T3 (1 ( k 1) / k ) T1 ( 1)
当W0达最大，可有增压比选择
max, w 0
T3 ( ) T1
k 2 ( k 1)
工程热力学与传热学9)_气体动力循环PPT课件
1压缩 2-3：定容吸热 3-4：定压吸热
4-5：绝热膨胀
5-1：定容放热
三、柴油机理想循环及其热效率
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
2
2
5
5
1 1
v
s
定义几个柴油机特性参数
p
3
2
压缩比 v1
反映 气缸
4
v2 容积
5
定容升压比
p3 p2
1 定压预胀比 v4
工程热力学研究方法，先对实际动力循 环进行抽象和理想化，形成各种理想循 环进行分析，最后进行修正。
§9-1 柴油机实际循环和理想循环
一、四冲程柴油机实际工作循环
进气
压缩 燃烧和膨胀
排气
温度370~400 K， 压力
0.07~0.09MPa
进气行程
排气门关闭
下止点 上止点
活塞
P
进气门开启
大气压力线 r a
下止点 上止点
活塞
Z P
c
大气压力线 r
作功终了：温度 1300~1600 K， 压 力0.3~0.5 MPa
示功图
b
a V
下止点 上止点
活塞
进气门关闭 排气行程
排气门打开
Z P
残余废气
c b
大气压力线 r
V 示功图
温度900~1200 K 压力 0.105~0.115 MPa
温度300-370K 压力0.0785～ 0.0932MPa
第九章 气体动力循环
动力循环研究目的和分类
动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的 热量的一部分转换成对外的净功
工程热力学(沈维道_童钧耕主编)第四版-全书完整课件_第九章
2. cV
定容过程 dv=0
若为理想气体
cV
u T
v
u u(T )
u T
v
du dT
cV
du dT
du
cVdT
cV cV (T ) 温度的函数
7
3. cp
据一般表达式
cp
u T
v
u v
T
第三章 气体和蒸气的性质
Properties of gas and vapor
3-1 理想气体 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能、焓和熵 3-4 饱和状态、饱和温度和饱和压力
3-5 水的定压加热汽化过程 3-6 水和水蒸气状态参数 3-7 水蒸气图表和图
1
3-1 理想气体
一、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设
加热，使温度升高如 t'，保持定 值，系统建立新的动态平衡。与之 对应，p变成ps'。
所以 Ts ps 一一对应，只有一个独立变量，即 ts f ps
如
ps
ts 100
4
ps atm ts C
28
t/ ℃ p/ MPa
0
20
50
100
120
0.0 006 112 0.0 023 385 0.0 123 446 0.1 013 325 0. 198 483
20
讨论： 如图：
Tb Tc Td
uab uac uad hab hac had
工程热力学第九章_第23-24节讲解
一般取10°~12 °
l
2 tan
2
背压变化的影响
假定入口参数不变
渐缩喷管
渐缩渐扩喷管
膨胀不足
过度膨胀
突击压缩 膨胀不足
具有摩擦的绝热流动
h1
h2
1 2
(c22
c12 )
T
实际焓降小于理论焓降，实际出口小于理论
出口速度。通常用速度系数或喷管效率描述
实际过程与理想过程之间的差异
p1 1
cc
2
k k 1
p1v1
k 2 k 1 RT1
cc 44.72 h1 hc
流量与临界流量
m
稳态稳流，各截面流量均相等： c m max b
m1 m2 ....... m const
对于渐缩喷管：出口处M≤1
p2 pc M 1
0
pc / p1
m
f 2 c2 v2
dc>0 dc < 0
dp < 0 dp > 0
管道截面变化规律
a
( p )
s
v
2
p v
s
cdc vdp
连续性方程： dc df dv 0 cfv
c2 dc 1 v
a2
c
v
p
s
dp
Mc a
M 2 dc dv cv
由于局部阻力，使流体压力降低的一种特殊的流动过程。
稳态稳流能量方程：
q
dh
1 2
dc2
gdz
ws
dh 0
工程热力学(喷管)
c22 c22 c22
12
N
h1 h2 h1 h2
2
工程热力学 Thermodynamics 二、第二定律分析
s sg 0 I qmT0sg
s
cp
T2 T1
Rg
ln
p2 p1
s2 s1
理想气体 蒸气
T2 c2 2cp T1 T2 c2
s2 h2 , p2查 h2 c2 c2
1、绝热滞止：气体在绝热流动过程中，因受某种物体的阻碍，或 经扩压管后，气体流速降低为零的过程称为绝热滞止过程。
2、滞止参数：气流速度在绝热滞止过程中滞止为0的状态称 为滞止状态，其状态参数称为滞止参数。
h0
h1
c12 2
T0
T1
c12 2cp
p0
工程热力学 Thermodynamics
工程热力学 Thermodynamics
1、比体积 ：比体积就是单位质量的工质所占的体积。即
v V m3 /kg m
2、压力 ：压力即物理学中的压强，单位是Pa。
绝对压力：p
大气压力：pb
pe ：表压力 pv ：真空度
p pb pe p pb pv
工程热力学 Thermodynamics
三、研究步骤
1、*定熵流动的基本规律； 2、有黏性摩阻的流动。
工程热力学 Thermodynamics
第一节 一维稳定流动的基本方程
一、连续性方程
qm1
qm2
A1c1 v1
A2c2 v2qm NhomakorabeaAc v
const
dA dc dv 0 Ac v
工程热力学 Thermodynamics
解：a) 确定出口压力：
工程热力学讲义第9章[1].doc
![工程热力学讲义第9章[1].doc](https://img.taocdn.com/s3/m/5dcde12e53ea551810a6f524ccbff121dd36c5a5.png)
工程热力学讲义第9章[1].doc第9章气体和蒸汽的流动基本要求：1．深入理解喷管和扩压管流动中的基本关系式和滞止参数的物理意义，熟练运用热力学理论分析亚音速、超音速和临界流动的特点。
2．对于工质无论是理想气体或蒸汽，都要熟练掌握渐缩、渐缩渐扩喷管的选型和出口参数、流量等的计算。
理解扩压管的流动特点，会进行热力参数的计算。
3．能应用有摩擦流动计算公式，进行喷管的热力计算。
4．熟练掌握绝热节流的特性，参数的变化规律。
基本知识点：9．1 绝热流动的基本方程一、稳态稳流工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化。
二、连续性方程由稳态稳流特点， ====m m m .......21const而 vfc m =得：0=-+vdv fdf cdc 该式适用于任何工质可逆与不可逆过程三、绝热稳定流动能量方程sw gdz dcq dh δδ---=221对绝热、不作功、忽略位能的稳定流动过程得：dh cd-=22说明：增速以降低本身储能为代价。
四、定熵过程方程由可逆绝热过程方程 k pv =const得：0=+vdv kpdp五、音速与马赫数音速：微小扰动在流体中的传播速度。
定义式： sp a )(ρ=注意：压力波的传播过程作定熵过程处理。
特别的，对理想气体：kRTa = 只随绝对温度而变马赫数（无因次量）：流速与当地音速的比值ac M =M>1，超音速M=1 临界音速 M<1 亚音速9．2 定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系对定熵过程，由dh=vdp ，得到：vdpcdc -= 适用于定熵流动过程。
分析：1。
气流速度增加(dc>0)，必导致气体的压力下降(dp<0)。
2。
气体速度下降(dc<0)，则将导致气体压力的升高(dp>0)。
二、管道截面变化的规律联立vdp cdc -=、连续性方程、可逆绝热过程方程得到：cdc Mfdf )1(2-=分析：对喷管：当M<1，因为dc>0，则喷管截面缩小df<0，称渐缩喷管。
工程热力学第六版素材第09章 气体和蒸汽的流动
第九章气体和蒸汽的流动1．基本概念稳态稳流：稳态稳流是指开口系统内每一点的热力学和力学参数都不随时间而变化的流动，但在系统内不同点上，参数值可以不同。
为了简化起见，可认为管道内垂直于轴向的任一截面上的各种参数都均匀一致，流体参数只沿管道轴向或流动方向发生变化。
音速：音速是微小扰动在物体中的传播速度。
定熵滞止参数：将具有一定速度的流体在定熵条件下扩压，使其流速降低为零，这时气体的参数称为定熵滞止参数。
减缩喷管：当进入喷管的气体是M < 1的亚音速气流时，这种沿着气体流动方向喷管截面积逐渐缩小的喷管称为渐缩喷管。
渐扩喷管：当进入喷管的气体是M > 1的超音速气流时，这种沿气流方向喷管截面积逐渐扩大的喷管称为渐扩喷管。
缩放喷管：如需要将M < 1的亚音速气流增大到M > 1的超音速气流，则喷管截面积应由d f < 0逐渐转变为d f > 0，即喷管截面积应由逐渐缩小转变为逐渐扩大，这种喷管称为渐缩渐扩喷管，或简称缩放喷管，也称拉伐尔（Laval）喷管。
临界参数：在渐缩渐扩喷管中，收缩部分为亚音速范围，而扩张部分为超音速范围。
收缩与扩张之间的最小截面处称为喉部，此处M＝1，d f = 0。
该截面称为临界截面，具有最小截面积f min，相应的各种参数都称为临界值，如临界压力p c、临界温度T c、临界比体积v c、临界流速c c等。
应予注意，临界流速c c为临界截面处的当地音速。
节流：节流过程是指流体（液体、气体）在管道中流经阀门、孔板或多孔堵塞物等设备时，由于局部阻力，使流体压力降低的一种特殊流动过程。
这些阀门、孔板或多孔堵塞物称为节流元件。
若节流过程中流体与外界没有热量交换，称为绝热节流，常常简称为节流。
在热力设备中，压力调节、流量调节或测量流量以及获得低温流体等领域经常利用节流过程，而且由于流体与节流元件换热极少，可以认为是绝热节流。
冷效应区：在转回曲线与温度纵轴围成的区域内所有等焓线上的点恒有μj > 0，发生在这个区域内的绝热节流过程总是使流体温度降低，称为冷效应区。
《工程热力学》学习资料 (2)
连续的，转速高，输出功率大。
34
燃气轮机(gas turbine)装置简介
35
q2
排气
燃烧室
4
q1
3
2
泵
压气机
汽轮机
燃料
1 进气
燃 气 轮 机 装 置 示 意 图
36
循环示意图
2 燃烧室 3
压气机
燃气轮机
1
4
理想化： 1）工质：数量不变，定比热理想气体 2）闭口 循环 3）可逆过程
作业：结合思考题看书。9-1、9-15
66
本章结束
67
思考
同样是柴油机 为什么有混合加热循环和定压加热循环之分？
p
3 2
4
5 1
v
p 2(3)
4 5 1 v
29
高速柴油机与低速柴油机循环图示
p 34
p
tp
1
k 1
k1k 1
2
2(3) 4 1
5
5
1
v
高速柴油机，压燃式、轻 柴油、高压油泵供油。
1
v
低速柴油机，压燃式、重柴 油、压缩空气喷油。
30
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
2 2＇
4 停止喷柴油
4—5 多变膨胀
p0
p5=0.3~0.5MPa
0
t5500℃ 5—1‘ 开阀排气
，V
降压
1‘—0 排气,完成循环。
5 1＇
1 V
17
四冲程高速柴油机的理想化
工程热力学(高教社第四版)课件 第9章2
9-6 燃气轮机装置循环用途：航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船燃气轮机装置燃气轮机的利用燃气轮机装置简介燃气轮机示意图和理想化(布雷顿循环)23燃烧室工质：数量不变，定比热理想气体2）闭口⇒3）布雷顿循环（Brayton Cycle )图示s12341234布雷顿循环的计算Ts1234吸热量：()1p 32q c T T =−放热量：()2p 41q c T T =−热效率：12241t 1113211w q q q T T q q q T T η−−===−=−−布雷顿循环热效率的计算s1234热效率：t 12111k kp p η−=−⎛⎞⎜⎟⎝⎠循环增压比21p p π=111k kπ−=−πtηktη布雷顿循环净功的计算s1234循环增温比31T T τ=()()324134211111p p p w c T T c T T T T T c T T T T =−−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净1111k k k kp c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠对净功的影响s123431T T τ=1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净3’4’当不变π不变τw 净但T 3 受材料耐热限制111t k kηπ−=−τ对净功的影响s31T T τ=1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净当不变τ太大πw 净π3T 太小πt ηt ηw 净存在最佳，使最大πw 净111t k kηπ−=−1T最佳增压比（w 净）的求解s1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净令opt π3T 2(1)opt ()k k w πτ−=净1T 0w π∂=∂净最大循环净功()211opt p w c T τ=−9-7 燃气轮机装置的定压加热实际循环s1234压气机：绝热压缩燃气轮机：绝热膨胀2’4’'21c 12h h h h η−=−定义：'34oi 34h h h h η−=−燃气轮机的实际循环的净功Ts12342’4’()()'''314221oi 34cw h h h h h h h h ηη=−−−−=−−净净功吸热量''2113312ch h q h h h h η−=−=−−'21c 12h h h h η−=−'34oi 34h h h h η−=−'21c 12h h h h η−=−燃气轮机的实际循环的热效率s12342’4’1'''111111oik ckk c kw q τηηπητηπ−−−==−−−净t 热效率影响燃气机实际循环热效率的因素1'''111111oik ckk c kw q τηηπητηπ−−−==−−−净t·oi ηc η'tη·π一定，τ't η·τ一定，有最佳()'opt t πη·τ()'opt t πη右移和的关系()'opt tπη()'optw π净()'optw π净()'opt tπη()'opt wπ净tητπ受材料耐热限制取最佳()'opttπη有无其它途径2T 4T 4 500o C 1344p T 4>T 2回热一、回热9-8 提高燃气轮机装置循环热效率的措施布雷顿循环回热示意图234压气机燃气轮机燃烧室回热器4R2A回热在Ts 图上的表示21344R2R2A回热度2222A R h h h h σ−=−0.6~0.9t t 1w q ηη=>净回简2R 4R 2A压气机间冷的图示23燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’压气机间冷在Ts 图上的表示21342’65AB t 1w q η=净间1234162’256联合工作？压气机间冷热效率的推导A B tA 1A tB 1B t 1A 1B 1A 1B 1A 1B tA tB 1A 1B 1A 1Bw w q q q q q q q q q q q q ηηηηη++==++=+++净净间tA tBηη>tA tBt ηηη>>间tA tB ηη<tA tB t ηηη<<间tA tBηη=tA tBt ηηη==间间冷＋回热示意图3燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’回热器4R 2R间冷＋回热在Ts 图上的表示21342’65t t 1w q ηη=>净间+回简4R2R再热示意图23压气机燃气轮机燃烧室1燃烧室23’5再热在Ts 图上的表示2133’4’4t t ηη<再简w w >再简5结论：再热＋回热示意图123压气机燃气轮机燃烧室2回热器燃烧室14R2R53’再热＋回热在Ts图上的表示2 133’4’454R2R2t+t11qqηη=−>再回回w w>再+回回再热+间冷+回热示意图1234压气机燃气轮机燃烧室2回热器间冷器燃烧室12R4R结论：再热+间冷+回热在Ts 图上的表示3T s 214t t +1w q ηη=>净再+间+回再回t t t t ηηηη>>>再+间＋回再+回回简w w w w >>=再+间＋回再+回回简+w w >再+间+回再回2R4R无穷多级的极限情况2 13 4两个等温过程两个等压过程+回热概括性卡诺循环2~3第9章小结活塞式内燃机循环：燃气轮机循环：提高热效率的手段：t ηη=简124w 净1’2’0 w=净动力循环的一般规律:热能代价以作功为目的升压是前提加热是手段作功是目的放热是必须顺序不可变步骤不可缺。
工程热力学-第九章气体和蒸汽的流动之喷管设计
sound)
cf a pcrvcr RTcr
pcr Tcr vcr 称临界压力(critical pressure)、临界温度
及临界比体积。
2）当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：
01
a）收缩喷管(convergent nozzle)出口截面上流速 cf2,max=c2（出口截面上音速）
b）以低于当地音速流入渐扩喷管(divergent nozzle) 不可能使气流可逆加速。
c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩 渐扩喷管(convergent- divergent nozzle)—拉伐尔 (Laval nozzle)喷管。
01
3）背压(back pressure)pb是指喷管出口截面外工作环境 的压力。正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于 背压pb，但非设计工况下p2未必等于 pb。
pb pc，则p2 pb
选择缩放喷管
喷管校核 已知减缩喷管， 确定其出口压力
pb pc，则p2 pb
pb pc，则p2 pb pc
已知缩放喷管， 确定出口压力
pb pc，则p2 pc
p2 pb
THANK YOU
4）对扩压管(diffuser)，目的是 p上升，通过cf下降使动 能转变成压力势能，情况与喷管相反。
a) 当Ma 1时 b) 当Ma 1时
Ma2 1 0 dcf 0 dA 0 Ma2 1 0 dcf 0 dA 0
01 归纳：
1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是使流动可逆必 不可少的条件；
第九章 气体和蒸汽 的流动 之
喷管设计
CONTENTS
01. 喷管形式分析 02. 喷管设计
工程热力学第九章图文ppt课件
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
Tmax 和 pmax 保持不变
T
3
q2 相等
2p
t
1
q2 q1
1 T2 T1
2m 2v
4
1
q1p q1m q1v
tp tm tv
s
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
分析循环的步骤：
将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上
对理想循环进行分析计算
计算循环中有关状态点（如最高压力 点、最高温度点）的参数，与外界交换的 热量、功量以及循环热效率或工作系数。
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
研究目标：
分析以气体为工质的内燃机循环、 燃气轮机循环的热力性能，揭示能量利 用的完善程度与影响其性能的主要因素， 给出评价和改进这些装置热力性能的方 法与措施。
q2p q2m q2v
T
2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4v
4p4m
tp tm tv
s
q ？？Tmax和 1相同，图示 tp ,tm ,t大v 小
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
2019-清华大学热工基础课件工程热力学加传热学10第九章-导热、稳态导热、非稳态、数值解法-文档资料
(a) 第一类边界条件
给出边界上的温度分布及其随时间的变化规律：
twf,x,y,z
(b) 第二类边界条件
给出边界上的热流密度分布及
其随时间的变化规律：
t
qw
qw
t n
w
t n w
qw
n
26
用电热片加热物体表面可实现第二类边界条件。
如果物体的某一表面是绝热的, 即qw = 0 , 则
界条件。 27
上式描述的第三类边界条件是线性的, 所以也称为 线性边界条件，反映了导热问题的大部分实际情况。
如果导热物体的边界处除了对流换热还存在与周 围环境之间的辐射换热, 则边界面的热平衡表达式为
nt whtwtf qr
qr 为物体边界面与周围环境之间的净辐射换热热
流密度，它与物体边界和周围环境的温度和辐射特性 有关, 是温度的复杂函数。这种对流换热与辐射换热 叠加的复合换热边界条件是非线性的边界条件。
❖ 导热微分方程式与单值性条件一起构成具体导热 过程完整的数学描述。
❖ 单值性条件一般包括：几何条件、物理条件、 时间条件、边界条件。
24
1)几何条件 说明参与导热物体的几何形状及尺寸。几何条件决定 温度场的空间分布特点和分析时所采用的坐标系。
2)物理条件 说明导热物体的物理性质, 例如物体有无内热源以及
t 、 t 、 t 分别为x、y、z 方向的偏导数; i、j、k 分 x y z 别为x、y、z 方向的单位矢量。
（4）热流密度 (heat flux)
q d dA
热流密度的大小和方向可以
用热流密度矢量q 表示
nt
dA q
d
q d n
dA
《工程热力学》第九章 气体动力循环
9-4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
一、压缩比相同、吸热量相同时的比较 压缩比相同，1-2重合
吸热量相同，q1v q1m q1p
q2v q2m q2 p
tv tm tp
或
T 2v T 2m T 2 p
T 1v T 1m T 1p
tv
tm
tp
二、循环最高压力和最高温度相同时的比较
放热量相同：
又称萨巴德循环 12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热
特性参数：
压缩比(compression ratio) v1
v2 定容增压比(pressure ratio) p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio) v4
v3
反映气缸容积 反映供油规律
热效率
t
wnet q1
t
1
1
1
1
1
(9 7)
讨论：
v1 p3
v2
p2
v4
v3
a)循环1-2’-3’-4’-5-1
压缩比
Tm1 t
b)循环1-2-3”-4”-5-1
定容增压比
Tm1 t
c)循环1-2-3’”-4’”-5-1
定压预胀比
Tm1 t
二、定压加热理想循环（狄塞尔循环） 柴油机定压加热过程
3-4 等熵膨胀(燃气轮机内) 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
热效率ηt
q1 h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
cp
T3 T2
q2
h4
h1
c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
工程热力学第九章
第九章 气体与蒸汽的流动第一节 绝热流动基本方程第二节 定熵流动的基本特征第三节 喷管计算第六节 绝热节流本章主要研究流体流过边界面短管（喷管和扩 压管）时，其热力状态、流速与截面积之间的变化 规律。
方法是由于流动管道短、流速快、流动过程轴 功为0，因此先假设管壁无摩擦，简化为可逆绝热 流动，从流动过程遵循的基本方程入手，找出流动 的特性和规律。
然后对于实际过程，在考虑摩擦等 不可逆因素的影响，加以修正。
二、连续性方程流量： 其中：f ：面积 c ： 速度；v ：比体积求导三、稳流能量方程对于喷管 q= 0 ,Δz= 0 ,w s= 0 第一节 稳定流动基本方程const m= & vfc m= & vdv c dc f df = + sw z g c h q + D + D + D = 221 221 ch D - = D \ )21( 2c d dh = - cdcdh = - 一、稳态稳流——一维流动 适用条件适用条件四、定熵过程方程pv k = const五、音速及马赫数由代入音速计算公式有：0 = + vdvk p dp 音速是微小扰动在流体中的传播速度。
其传播速度a 为：sp a ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ = r s v p v ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ - = 2 0 = + v dv k p dp v dv k p dp - = Þ vpk v p - = ¶ ¶ Þ kRT kpv a = = 马赫数M 定义为：kpvca c M == M<1 亚音速M=1 音速 M>1 超音速一、气体流速变化与状态参数间的关系由热一律有： dq= dh vdp 由绝热可知： dh=vdp 由稳定流动方程： dh=cdc 得：vdp= c dc 喷管：流动特性dc > 0 dp < 0扩压管：流动特性 dc < 0 dp > 0第二节 定熵流动的基本特征二、管道截面变化规律0 = + vdv k p dp 由vdpcdc - = 及kp dp v dv - = 得： kpv vdp - = kpv cdc = c dc kpv c 2= c dc a c 22= cdc M 2 = 又根据连续方程：vdvc dc f df = + c dc v dv f df - = c dc c dc M - = 2 cdc M ) 1 ( 2- = cdc M f df ) 1 ( 2- = \1.对于喷管：dc > 0， c 增加；① 若入口为亚音速 M < 1，出口也为亚音速 M < 1，则为渐缩喷管： df < 0 ②若入口为亚音速 M < 1，出口为超音 速 M > 1，则对于df ：先是 df < 0，然后df > 0，为缩放喷管——拉法尔喷管 ③若入口为超音速 M > 1，则 df > 0， 为渐扩喷管。
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5
开口闭口循环 3. 燃烧外界加热
p0 0
1’ 1
4. 排气向外界放热
5. 多变绝热
V
6. 不可逆可逆
7. 开式循环闭口循环
1、理想混合加热循环（萨巴德循环）
p
T
4
3
4
3
2
5
2
5
1 1
vห้องสมุดไป่ตู้
s
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量?
混合加热理想循环热力分析
t
wnet q1
1 q2 q1
q2 cV (T5 T1 )
q1 q1,V q1, p cV (T3 T2 ) c p (T4 T3 )
tm
1
cv (T3
cv (T5 T1 ) T2 ) c p (T4
T3 )
1
(T3
T5 T1 T2 ) k(T4
T3 )
混合加热理想循环热力分析
tm
1
cv (T3
cv (T5 T1 ) T2 ) c p (T4
燃烧室(combustion chamber)
燃气轮机(gas turbine)
特点
1.开式循环(open cycle)，工质流动； 2.运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快； 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率
分析循环的步骤：
2. 将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上
3. 对理想循环进行分析计算
计算循环中有关状态点（如最高压力 点、最高温度点）的参数，与外界交换的 热量、功量以及循环热效率或工作系数。
4. 探讨提高循环效率的途径 5. 对理想循环的计算结果引入必要的修正
分析动力循环的一般方法
t
1
q2 q1
1 T2 T1
q2p q2m q2v
T
2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4v
4p4m
tp tm tv
s
q ？？Tmax和 1相同，图示 tp ,tm ,t大v 小
9-3 燃气轮机装置循环
一、燃气轮机装置简介
用途： 航空发动机/尖峰电站/移动电站/大型舰船
构成
压气机(compressor)
方法： 1）第一定律分析法
数量的角度 2）第二定律分析法
品质的角度
以气体动力循环为例：
熵分析法 火用分析法
工作流体 气体性质
理想气体 燃烧 与空气相同 排气
从高温热源吸热 向低温热源放热
9-2 活塞式内燃机循环
活塞式内燃机分类：
按燃料：煤气机、汽油机和柴油机； 按点火方式：点燃式和压燃式； 按冲程：四冲程和二冲程
四冲程高速柴油机工作过程
0—1 吸入空气
p3
1—2′多变压缩
2
一般n =1.34~1.37
2'
p2′=3~5MPa t2'=600~800℃
柴油自燃t =335℃
p0
0
1
2′ 喷入柴油
V
2 开始燃烧
2—3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
二、分析动力循环的一般步骤
1. 实际循环（复杂不可逆） 抽象、简化 可逆理论循环
分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径
指导改善 实际循环
2. 分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法
分析循环的步骤：
1. 将实际循环抽象和简化为理想循环
任何实际热力装置中的工作过程都 是不可逆的，且十分复杂。为了进行热 力分析，需要建立实际循环相对应的热 力学模型，即理想的可逆循环代替实际 不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过 程简化为可逆的吸热过程…
结 论： ε,
2.定压加热理想循环 （Diesel循环）
例如：高增压柴油机，船用柴油机
只有等压燃烧， 没有定容燃烧
定压加热理想循环热力分析
q1 c p (T3 T2 )
q2 cV (T4 T1)
tp
1
cv (T4 cp (T3
T1) T2 )
tp
1
k 1 k1k ( 1)
结论：ε,
ε=v1/v2 ρ＝v4/v3
3. 定容加热理想循环 （Otto循环）
例如煤气机、汽油机
燃烧过程在接近 定容的过程下完成
没有一边燃烧 一边膨胀的定压过 程
定容加热理想循环热力分析
q1 cV (T3 T2 ) q2 cV (T4 T1)
tv
1
(T4 (T3
T1) T2 )
tv
1
1
k 1
tv tm tp
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
Tmax 和 pmax 保持不变
T
3
q2 相等
2p
t
1
q2 q1
1 T2 T1
2m 2v
4
1
q1p q1m q1v
tp tm tv
s
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
tv tm tp
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
pmax 和 q1 相同
结论：ε
ε=v1/v2
定容加热理想循环热力分析
t
1 T2m T1m
循环最高温度不变， ε
ε不变， 不变
q1wnet
汽油机的常用压比
Typical Compression Ratios for Gasoline Engines
汽油机，受预混燃料空气混合物爆燃条件的限 制。采用5~12级压缩：轻型机械
第九章 气体动力循环
能源与动力学院 毛军逵
研究目标：
分析以气体为工质的内燃机循环、 燃气轮机循环的热力性能，揭示能量利 用的完善程度与影响其性能的主要因素， 给出评价和改进这些装置热力性能的方 法与措施。
9－1 循环分析的目的与 一般方法
一、分析循环的目的：
在热力学基本定律的基础上分析循环过程 中能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向 及途径。
2
t4可达1700~1800℃
2'
5
4 停止喷柴油
p0
1'
4—5 多变膨胀
0
1
p5=0.3~0.5MPa t5500℃
V
5—1′ 开阀排气， V 降压
1′—0 活塞推排气,完成循环
四冲程高速柴油机的理想化
1.工质定比热、 理想气体、
p3 4
工质数量不变
2
P-V图p-v图
2’
2. 0-1和1’-0抵消
T3 )
1
(T3
T5 T1 T2 ) k(T4
T3 )
压缩比：ε=v1/v2 定容增压比：λ=P3/p2 定压预胀比：ρ＝v4/v3
反映气缸容积 反映供油规律
tm
1
k 1[(
k 1 1) k(
1)]
推推看？
混合加热理想循环热力分析
tm
1
k 1[(
k 1 1) k(
1)]
ε=v1/v2 λ=P3/p2 ρ＝v4/v3
柴油机的常用压比
k=1.4
柴油机，不受空气压缩的限制。采用 14~20级压缩：重型机械
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
q1 和 相同
t
1
q2 q1
1 T2 T1
q2v q2m q2p
T 2
1
3v 3m 3p 4p
4m
4v
tv tm tp
s
平均温度法
活塞式内燃机各种理想循环热力比较