预备知识气动热力基础
第一部分 热力学和气动力学基础讲解
2018/11/8
发动机原理
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§1.1 气体的成分与状态参数
1.1.2 气体的基本状态参数
（2）压力P
如果气体作用于器壁表面积S上的垂直作用力为F，则壁面上的 压力为 F (N )
P
S（m 2）
SI单位 Pa 1bar 105 Pa bar 汞柱或水柱的高度来表示 标准大气压atm F
2018/11/8
发动机原理
13
§1.2 气体能量方程
1.2.2 气体能量存在的几种方式
能量形式
气体内能 u PV功 气体的焓 h 气体的动能 w 气体的位能 z
含
义
气体内部具有的能量，包括气体内部分子的动能以及分子间相 互吸引而具有的位能。内能=动能+位能 气体微团具有压力P 和占有体积V，PV为气体微团对抗外界压 力P占有空间V对外所做的功。 气体的内能和PV功之和。h=u+PV 气体运动速度的大小和方向与所选择额运动坐标系有直接的关 系，因此气体动能的大小也与所选择的坐标系有关。 气体的位能与气体的动能一样，其数值的大小与所选择的运动 坐标系及引力场有关。
h = u + pv J/kg h(T) = u(T) + RT 是温度T 的单值函数；
例: 向无张力的气球加热
qp cp(T )dT cp(T 2 T 1)
T1
T2
加热 = 内能增加 + 对外做功
cv(T 2 T 1) p(v2 v1)
(cv R)(T 2 T 1) h
理想气体：分子只有质量而没有体积、分子之间没有作用力的气体。 氧气、氮气、氢气、二氧化碳及其混合物空气、燃气、烟气在所 使用的温度和压力条件下均可视为理想气体； 大气中和燃气中所含的水蒸气，由于其质量浓度很低，也可视为 理想气体；
热工气动基础知识
1.1.2 状态和状态参数
⒈ 状态
热力系在在某一指定的瞬间所呈现的一切宏观性质 平衡态
是热力系与外界不发生相互作用时, 是热力系与外界不发生相互作用时, 其宏观性质不随时间而 变化的状态 平衡态是一个理想的概念。但在许多情况下, 平衡态是一个理想的概念。但在许多情况下, 热力中, 气体与气体、 是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 主要内容包括: 气体流动的基本方程, 变截面管流等。 主要内容包括: 气体流动的基本方程, 变截面管流等。
第1.1节 基本概念 1.1节
分类
闭口系－ 闭口系－热力系与外界无质量交换 开口系－ 开口系－热力系与外界有质量交换 绝热系－ 绝热系－热力系与外界无热量交换 孤立系－ 孤立系－热力系与外界既无质量的交换也无能量的交换 简单热力系－ 简单热力系－热力系与外界只交换热量和一种模式功量 简单可压系－ 简单可压系－由可压缩流体构成的简单热力系
引起耗散的因素有摩擦，电阻，磁滞，非弹性变形等 引起耗散的因素有摩擦，电阻，磁滞，
补充： 补充：热工气动知识
工程热力学
是研究能量及其转换的科学
主要内容包括: 热力学第一定律和热力学第二定律; 主要内容包括: 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 热力学第一定律：在热能和机械能（ 热力学第一定律：在热能和机械能（功）的相互转换过 程中, 程中, 能量的总和保持不变 热力学第二定律： 热力学第二定律：一切实际的宏观热力过程都具有方向 性、不可逆性
1.1.4 热力过程和热力循环
热力系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 热力过程按其性质分为
准静态过程
气动原理基础知识
气动原理基础知识气动原理是研究空气运动规律的一门科学，涉及到空气的流动、压力、速度和力的转换等方面。
了解气动原理的基础知识可以帮助我们更好地理解和应用气流控制、飞行、空气动力学等相关领域的知识。
首先，气体是由大量分子组成，具有分子间碰撞的性质，这使得气体在流动过程中会发生压缩和膨胀。
气体流动具有连续性，即质点流体的密度在任何时刻都是存在的，而不会出现断裂和空隙。
气体的流动是由于压差引起的，即高压区向低压区流动，利用这个原理可以实现气动元件的控制，如风门和活塞。
其次，气流具有速度和方向，可以通过空气流速和风向来进行描述。
空气流速一般使用速度单位来表示，常用的单位有米/秒和千米/小时。
气流的方向一般指的是气流运动的方向，如气流的进出口分别是进气口和出气口。
气动原理中的重要概念之一是气压，指的是气体分子对单位面积的撞击力。
气压越大，分子的数量和撞击力就越大，而气体密度会随着气压的增加而增大。
气压从高压区到低压区传播，这就是气压差引起的气流流动。
在气动原理中，还有一个关键概念是气流速度和静压力的关系。
当气流速度增加时，静压力会下降，这是由于流体动能增加所引起的。
静压力是气体分子撞击物体表面产生的力，当气流速度增加时，气体分子的动能增加，导致静压力降低。
在设计和应用气动设备时，能量转换也是一个重要的概念。
气动元件通过将气体的压力能和动能转换为机械能来实现其功能。
例如，喷气发动机利用燃烧产生的高温高压气体流动转化为机械能，推动飞机等载具进行运动。
此外，气动原理中还有一些常见的气流现象和定律。
例如，伯努利定理指出在稳态流动过程中，气流中的总能量保持不变。
当气流通过流道时，流速增大则静压力减小，流速减小则静压力增加。
此外，还有代表气流运动方向的斯托克斯定律和牛顿定律等。
总结来说，气动原理是研究空气运动规律的一门科学，涉及到气体流动、压力、速度和力的转换等方面。
了解气动原理的基础知识可以帮助我们更好地理解和应用气流控制、飞行、空气动力学等相关领域的知识。
第三章 气动力学的基本知识共19页
3.2声速和马赫数
1. 声速
➢ 扰动：在空间任意位置， 气体的压力、密度等参数 发生变化的现象。
➢ 波 ：扰动与未扰动之间的 分界面，其传播速度就是 声速，以a表示
➢ 波在任何介质中的传播速 度都很大；在传播过程中 介质与外界来不及换热， 其内部的摩擦生热亦可忽 略不计，因此波的传播过 程可视为绝热过程。
••
Q mq••Fra bibliotekWm m wm 表示1kg气体加热量和作功量
q u 1 c 1 2 / 2 g 1 p 1 v z 1 w m u 2 c 2 2 / 2 g 2 p 2 z v 2
c 2 c 2
q u 2 u 1221 g (z2 z 1 ) p 2 v 2 p 1 v 1 w m
3.3 管道截面积和流速的关系
➢ 喷管的类型
Ma<1,dA<0——亚声速喷管成收缩型 Ma>1,dA>0——超音速喷管成扩张型
3.3 管道截面积和流速的关系
➢ 扩压管的类型
Ma<1,dA>0——亚声速扩压管成扩张型 Ma>1,dA<0——超音速扩压管成压缩型
3.3 管道截面积和流速的关系
➢ 拉伐尔喷管的类型
vdpd(c2)cdc 2
表征气流流速和压力的变化关系
喷管：随着气流流动，使压力不断下降 而流速不断增加的管道 扩压管：反之，使压力不断升高而流速 不断下降的管道
3.3 管道截面积和流速的关系
➢ 根据伯努利方程，理想气体状态方程式和绝热过程方程式， 得出：
dA(Ma2 1)dc
A
c
表征：理想气体在绝热管道中作稳定流动时，管道 截面积的变化不仅与速度变化有关，而且与气体的 性质（或马赫数）有关。
《气动基础知识》课件
《气动基础知识》课件一、教学内容本节课主要围绕《气动基础知识》教材的第一章“气动系统概述”进行展开。
详细内容包括气动系统的基本组成、工作原理、气动元件的功能及分类等。
具体章节为1.1节“气动系统简介”，1.2节“气动系统的基本组成”及1.3节“气动元件的分类及功能”。
二、教学目标1. 了解气动系统的基本组成，掌握气动系统的工作原理。
2. 掌握气动元件的分类及功能，能够正确区分和应用各种气动元件。
3. 能够分析并解决简单的气动系统故障。
三、教学难点与重点教学难点：气动元件的分类及功能，气动系统的故障分析。
教学重点：气动系统的基本组成，气动系统的工作原理。
四、教具与学具准备1. 教具：气动系统演示模型、PPT课件、视频资料。
2. 学具：气动元件实物、气动系统图解、练习题。
五、教学过程1. 实践情景引入：通过展示气动系统演示模型，让学生直观地了解气动系统的实际应用，激发学习兴趣。
2. 理论讲解：1) 介绍气动系统的基本组成，解释工作原理。
2) 讲解气动元件的分类及功能，结合实物进行展示。
3. 例题讲解：分析一个简单的气动系统故障，引导学生运用所学知识解决问题。
4. 随堂练习：分发练习题，让学生现场解答，巩固所学知识。
六、板书设计1. 气动系统的基本组成2. 气动系统的工作原理3. 气动元件的分类及功能4. 气动系统故障分析及解决方法七、作业设计1. 作业题目：1) 列出气动系统的基本组成，并简述其工作原理。
2) 画出气动元件的分类图，并说明各类型元件的功能。
2. 答案：1) 气动系统的基本组成为：气源装置、执行元件、控制元件、辅助元件。
2) 气动元件分类图略。
3) 故障分析及解决方法略。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课学生对气动系统的基本概念和组成有了较为清晰的认识，但对气动元件的分类及功能掌握不够扎实，需要在下节课进行巩固。
2. 拓展延伸：引导学生了解气动系统在现代工业中的应用，探索气动技术的前沿发展。
预备知识气动热力基础
p1
p2
1 A过程
q cv (T2 T1)
v2 pdv
v1
q u2 u1 W
B过程 2
W v2 pdv v1
v v1 dwB dwAv2
U为状态量，而沿过程A和过程B，W是不同的
对静止气体的加热量及气体所作膨胀功是与过程有关的过程量
热力学第一定律解析式 dq du pdv
W
2
W vdp
a
1
1
面积a12ba
v
流动气体绝熱压缩功（或绝热膨胀功）
2
W vdp h
1
h
Cp (T2
T1)
Cp R
( p2v2
p1v1 )
Cp Cp Cv
(
p2v2
p1v1 )
h
1
p1v1 (
p2v2 p1v1
1)
1
RT1[(
静止或流动）
气体状态无论怎样变化，无非是气体能量从一种存 在形式转变为另一种存在形式，以及气体与外界之 间进行能量的相互传递与交换
能量的相互传递与交换需遵循一定的规律 －热力学定律
三、热力学第一定律
dq de dw
dq － 热量 de － 能量 dw － 机械能
第一定律的描述：外界对体系的热量交 换等于体系总能量的变化并对外界作功 揭示了各种形式的能量可以传递、相互 转换，但不能消失能量守恒
气体与外界的机械能交换dw
静止气体膨胀和受到压缩，与外界进行机械能交换
单位：J (焦耳）
例如：密闭气缸中气体膨胀，推动活塞做功dW
气动基础培训(1)
气动基础培训(1)
气动辅助元件
• 油雾器
气动传动中的各种阀和气缸一般 都需要润滑，油雾器是一种特殊 的注油装置，它以压缩空气为动 力，将润滑油喷射成雾状并混合 于压缩空气中，随着压缩空气的 进入需要润滑的部位，达到润滑 的目的。
• 消音器
气动装置的噪音一般比较大，尤 其当压缩气体直接从气缸或换向 阀排向大气时，由于阀内的气路 复杂且又狭窄，压缩气体以接近 声速（340 m/s)的流速从排气孔排向大气， 较高的压差使气体体积急剧膨胀， 产生涡流，引起气体的振动，发 出强烈噪音，一般可达 100~120dB，严重危害人的健康。
• 除油器
除油器安装在冷却器后的管道上，它的作用是分离压缩 空气中的油分、水分和灰尘等杂质，使压缩空气得到初 步的净化。
气动基础培训(1)
气动辅助元件
• 储气罐
作用是用于消除气体压力波动，保证输出气流的稳定性； 储存一定量的压缩空气，当空压机发生意外事故时，储 存罐中的压缩空气可以作为应急使用。
• 空气干燥器
• 气动系统可能出现的危险因素：
高压气流对人体的伤害； 存在高压气流的爆裂管路对人体的伤害； 气源中的润滑油对眼镜的伤害； 气缸的弹力能对人体的伤害； 气缸的势能对人体的伤害； 带有高压气体拆卸，气动元件在高压气体的作用下对人体的伤害等等。
做到尽可能的将危险因素全部辨识出来是维修人员的必要的技能！
牢记：一切事故都可以避免的
除干净,不清洁安装,零件装错、装反,装配时对中不良,紧固螺钉拧紧 力短不恰当.零件材质不符合要求.外购零件(如密封圈、弹簧)质量差 等.
• 设计错误，设计元件时对元件的材料选用不当加工工艺要求不合理等。
对元件的特点、性能和功能了解不够,造成回路设计时元件选用不当。 设计的空气处理系统不能满足气动元件和系统的要求,回路设计出现 错误.
《大气物理学》学习资料：大气热力学基础
修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向
于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式
流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止
。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意循环过程都都
适用的一个公式 ：dS=（dQ/T）。
对于绝热过程Q＝0，故S≥0，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在
17
克劳修斯主要科学贡献
在《论热的运动力……》一文中，克劳修斯首次提出了热 力学第二定律的定义：“热量不能自动地从低温物体传向 高温物体。”
推导了克劳修斯方程—关于气体的压强、体积、温度 和 气体普适常数之间的关系，修正了原来的范德瓦尔斯方程 。
1854年，最先提出了熵的概念,进一步发展了热力学理论 提出了气体分子绕本身转动的假说 推导出了气体分子平均自由程公式，找出了分子平均自由
。
1948年，香农在Bell System Technical Journal上发表了《通信的数
学原理》（A Mathematical Theory of Communication）一文，将21熵的 概念引入信息论中。
熵在热力学中是表征物质状态的参量之一，通常用符号 S表示。在经典热力学中，可用增量定义为dS＝(dQ/T) ，式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物 质的热量。下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过 程是可逆的。若过程是不可逆的，则dS＞(dQ/T)不可 逆。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度 的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程 不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无 序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。
Q
cpdT
2024年气动基础知识培训课件
2024年气动基础知识培训课件一、教学内容本次教学内容选自《气动技术基础》教材第1章至第3章，主要涉及气动元件的基础理论、气动系统的基本构成及工作原理。
详细内容包括：气动元件的分类及功能、气动系统的设计原则、气动控制阀的类型及选用、气缸的结构及性能参数、气动马达的应用、气动系统故障诊断与维护。
二、教学目标1. 掌握气动元件的分类、功能及选型原则，能够根据实际需求设计气动系统；2. 了解气动系统的基本构成和工作原理，能够分析气动系统故障并进行简单维护；3. 培养学生的动手实践能力和团队协作精神，提高解决实际问题的能力。
三、教学难点与重点教学难点：气动系统的设计原则、气动控制阀的类型及选用、气动系统故障诊断与维护。
教学重点：气动元件的分类及功能、气动系统的基本构成及工作原理、气缸的结构及性能参数。
四、教具与学具准备教具：气动元件实物、气动系统模型、PPT课件、黑板、粉笔。
学具：教材、笔记本、计算器、画图工具。
五、教学过程1. 导入：通过展示气动系统在实际应用中的图片和视频，引起学生的兴趣，引导学生进入学习状态。
2. 理论讲解：（1）讲解气动元件的分类、功能及选型原则；（2）介绍气动系统的基本构成和工作原理；（3）分析气动控制阀的类型及选用；（4）阐述气缸的结构及性能参数；（5）介绍气动马达的应用；（6）讲解气动系统故障诊断与维护。
3. 实践操作：（1）分组讨论，设计一个简单的气动系统，并选用合适的气动元件；（2）利用气动元件实物，搭建气动系统模型，观察并分析系统的工作状态；（3）进行气动系统故障诊断与维护的实践操作。
4. 例题讲解：结合教材，讲解气动系统设计的相关例题。
5. 随堂练习：布置一些气动系统设计的练习题，让学生巩固所学知识。
六、板书设计1. 气动元件的分类及功能；2. 气动系统的基本构成及工作原理；3. 气动控制阀的类型及选用；4. 气缸的结构及性能参数；5. 气动系统故障诊断与维护。
七、作业设计1. 作业题目：（1）简述气动元件的分类及功能；（2）阐述气动系统的基本构成和工作原理；（3）分析一个气动系统的故障原因，并提出解决方法。
气动基础知识培训课件
气动基础知识培训课件一、教学内容本课件基于《流体力学与气动基础》教材，主要涉及第三章“流体力学基础”和第四章“气动基础”的内容。
详细内容包括：流体的性质与分类，流体静力学，流体动力学基本方程，流体阻力和升力，气动元件的工作原理及运用等。
二、教学目标1. 掌握流体力学和气动基础的基本概念和原理。
2. 学会分析流体力学和气动元件在实际应用中的问题，并能够提出解决方案。
3. 培养学生的动手能力和实际操作技能，提高解决实际问题的能力。
三、教学难点与重点难点：流体动力学基本方程的理解和应用，气动元件的工作原理及其在实际应用中的选用。
重点：流体静力学，流体阻力和升力，气动元件的分类及功能。
四、教具与学具准备1. 教具：气动基础知识PPT，流体力学和气动元件实物模型。
2. 学具：笔记本电脑，学习手册，气动元件实操工具。
五、教学过程1. 实践情景引入（5分钟）：通过展示气动元件在实际应用中的视频，让学生了解气动技术的应用场景。
2. 理论讲解（10分钟）：讲解流体力学基础和气动基础知识，引导学生关注教学难点和重点。
3. 例题讲解（15分钟）：针对教学难点，通过例题讲解，使学生加深对流体动力学基本方程和气动元件工作原理的理解。
4. 随堂练习（10分钟）：布置相关练习题，让学生巩固所学知识。
5. 实操演练（15分钟）：分组进行气动元件的安装和调试，培养学生的动手能力。
六、板书设计1. 流体力学基础：流体的性质与分类，流体静力学，流体动力学基本方程。
2. 气动基础：流体阻力和升力，气动元件工作原理，气动元件分类及功能。
七、作业设计1. 作业题目：（1）简述流体的性质与分类。
（2）计算流体阻力和升力。
（3）论述气动元件的工作原理及其在实际应用中的选用。
2. 答案：（1）流体的性质与分类：流体具有无固定形状、可压缩性、粘性等特点。
根据流体的物理性质，可分为气体、液体和塑性流体。
（2）流体阻力和升力：根据流体动力学基本方程，计算物体在流体中受到的阻力和升力。
气动基础知识培训 ppt课件
• 设有缓冲装置的气缸，称缓冲气缸；否则，就是无缓冲气缸。无缓冲气缸适用于微型气 缸、小型单作用气缸和短行程气缸。
• 气缸的缓冲可分为弹性垫缓冲(一般为固定的)和气垫缓冲(一般为可调的)。弹性垫缓冲是 在活塞两侧设置橡胶垫,或者在两端缸盖上设置橡胶垫,吸收动能,常用于缸径小于25mm的 气缸。气垫缓冲是利用活塞在行程终端前封闭的缓冲腔室所形成的气垫作用来吸收动能 的,适用于大多数气缸的缓冲。
是压力损失）
• 设备厂家一般要求空气压力为大于0.5Mpa • 所以我们设备入口压力需要调整到0.55—0.65Mpa之间
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
气动基础知识培训
单向阀是流体只能沿进水口流动，出水口介质却无法回流，俗称单向阀。 单向阀又称止回阀或逆止阀。用于液压系统中防止油流反向流动,或者用 于气动系统中防止压缩空气逆向流动。单向阀有直通式和直角式两种。 直通式单向阀用螺纹连接安装在管路上。直角式单向阀有螺纹连接、板 式连接和法兰连接三种形式。
3.维修气缸结束后，应先检查身体任何部位未置于其行程范围内并 清除工具等杂物，方可接通气源试运行。接通气源时，应先缓慢通 入部分气体，使气缸缓慢充气运行到原始位置再完全接通气源；
4.手动运行几次直至气缸运行平稳。
气动基础知识培训
• 一.气源处理部分：
气动基础知识培训
• 一.气源处理部分
气动基础知识培训
• 与机械、液压、电气相比，气动技术也具有一定的缺 点
气动理论基础
i
A
X
l1 mvix t Z l1 容器内 N个分子在 t 时间内施与A面的冲量为：
mv I x I ix t i 1 i 1 l1
N N
2 ix
压强公式的简单推导
据压强定义，A 面受到的压强为：
N 2 vix N Ix m N 2 i 1 P v m ix N l2l3 t l1l2l3 i 1 l1l2l3
3 3 23 20 kT＝ 1.38 10 1273J 2.63 10 J 2 2 3RT 3 8.311273 2 3 v ＝ m / s 1.06 10 m / s 3 M mol 28 10
3 3 23 21 kT＝ 1.38 10 273J 5.65 10 J 2 2
3.理想气体状态方程
T不变
玻—马定律 PV=constant
克拉伯龙方程 PV=nRT
n=1mol
P不变
盖—吕萨克定律 V/T=constant
查理定律 P/T=constant
PV/T=R
V不变
理想气体状态方程
P
T1 T2 T3
P1
0
T1 T2
T3
等温线
V1
V
根据状态方程，系统的压强、体积、温度中任两 个量一定，就可确定系统的状态，因此常用P-V 图中 的一条曲线来表示系统的准静态过程，曲线上任一点 都表示气体的一个平衡态，这种图叫状态图。
三、气动理论的压强解释
安徽工业大学应用物理系
气体动理论的压强解释
1.理想气体微观模型
力学假设 (1)气体分子当作质点，不占体积，体现气态的特性。 (2)气体分子的运动遵从牛顿力学的规律； (3)分子之间除碰撞的瞬间外，无相互作用力，碰撞为
第1章 气动基础知识
一、气压传动的组成及工作原理
气压传动与控制技术简称气动，是
以压缩空气为工作介质来进行能量与信 号的传递，是实现各种生产过程、自动
控制的一门技术。
分 水 滤 气 器 压 力 控 制 阀
气压发生装置
方 向 油 控 雾 制 器 阀
汽 缸
消声器
流量控制阀
1.气动系统的组成
(1) 气源装置 获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压
实际空气
还含有油粒、灰尘和水蒸汽等杂质，会对气动系统设备和 元件造成损害。
2. 空气的性质
密度
空气是具有质量的，单位体积的空气中所含有的空气的 质量称为空气的密度。
m V
(kg / m )
3
V
m
F
压力
P F A ( N / m2 )
A
压力表示法
P>Pa
表压力 真空度 绝对压力
大气压P=Pa
空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，1m3的压缩空气
压缩空气中的水分 随着空气的压缩，空气的体积减小，压力和温度升高。
压缩空气的最大含水量与当达到最终温度下同样体积的饱和
空气的含水量相等。 看下面这个例子： 下面4个立方体分别代表温度为20℃、体积为1m3的空 气，相对湿度为50%。这就意味着每立方米的空气中都含 有8.7g的水蒸汽，饱和时含有17.4g的水蒸汽。
间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾气、管接
头及消声器等。
2.气压传动的优缺点
压缩空气的优点如下： 压缩空气也有如下不足之处：
适用性
贮存 设计和控制简单 运动的选择 经济
由于空气具有可压缩性，载荷
变化时运动平稳性稍差。 因工作压力低，不易获得较大 的输出力或转矩。 有较大的排气噪声。
航空发动机原理第二讲 发动机部件工作原理--气动热力学基础
4
第一节 气动热力基础
• • • • • 1、连续方程 2、能量方程 3、音速 4、马赫数 5、滞止参数
• • • • • 6、变截面管流 7、临界参数 8、速度系数 9、密流函数 10、激波
2014年9月22日
5
1、连续方程
qm 1 A1v1 2 A2v2
2014年9月22日星期一
4、马赫数
v T
Ma>0.6
Ma=0.3 Ma=0.6？
c
2014年9月22日
13
4、马赫数
v v 2 M 2 c RT ( 1) 1 RT 1
2 a 2 2
v 2
2
v 宏观气体动能 2 const cvT 分子无规则运动动能
2014年9月22日 14
2
作业
2014年9月22日
9
2、能量方程
• 示例2
– 以发动机的尾喷管为例。 – 尾喷管进口速度174m/s 进口温度507.6K – 尾喷管出口速度417m/s 出口温度442.6K
2014年9月22日
10
3、音速
dp c RT d
• 音速随当地温度变化而变化，并不是定值 • 示例: • T=15⁰C c=340.3m/s
• 同时可以看出，气体在变截面流管中的流 动，气流的速度与温度同时变化。 • 气体加速，T降低 宏观动能 ← 内部储 能 • 气体减速，T升高 宏观动能 → 内部储 能
2014年9月22日 8
2、能量方程
• 示例1
– 以发动机的进气道为例。 – V0=0 T0=288.15K – 进口速度124.3m/s 进口温度280.4K
• • • • • • 第一节 气动热力基础 第二节 进气道 第三节 尾喷管 第四节 压气机 第五节 涡轮 第六节 燃烧室
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对1kg静止气体 de du cvdT
dW pdv
解析式： dq du pdv
对气体的加热转换为气 体内能变化并对外做功
q cv
T2 dT
T1
v2 pdv
v1
q cv (T2 T1)
v2 pdv
v1
q u2 u1
v2 pdv
v1
对于静止气体
二、气体的熵
抽象的热力学参数
定义：ds dq T
因为熵增只取决于 始点和终点的 状态参数
熵也是状态量
ds du pdv dh vdp cpdT vdp
T
T
T
ds
cp
dT T
R
dp p
s
c
p
ln(T2 T1
)
R
ln(
p2 p1
)
温熵图(T-S)
T
各种热力过程均可以 描述在T－S图上
预备知识 气动热力学基础
工程热力学
研究工质的性质、能量守恒与转换规律 在遵循这些规律的条件下，如何才能使热机
将热能以最大可能、最经济地转换为机械能
气体动力学
研究对象为气体 研究气体在各种装置内流动中所遵循的规律
第一节 热力学第一定律
一、气体的状态参数
气体是由大量杂乱无章运动着的气体分子组成 研究气体性质时，将气体作为宏观物体 在燃气轮机的工作过程中
1
面积a21ba
W a
1
bv
静止气体绝熱压缩功（或绝热膨胀功）
2
W pdv u
1
u
Cv (T2
T1)
Cv R
( p2v2
p1v1 )
Cv Cp Cv
( p2v2
p1v1 )
u
1 1
p1v1 (
p2v2 p1v1
1)
1 1
RT1[(
p2 p1
1
引入焓h： dh du d ( pv) cpdT
du dh pdv vdp
获得另一种形式的第一定律解析式
dq dh vdp
对气体的加热转换为气 体焓值变化并对外做功
q cp
T2 dT
T1
p2 vdp
p1
q cp (T2 T1)
p2 vdp
n=0
v
第二节 热力学第二定律
一、热力学第二定律 热力学第一定律只说明能量可相互转换， 未涉及转换的方向性 第二定律指出能量转换的方向性
典型描述：
自然界中凡是关于热现象的自发过程都是不可逆的 如果不耗外功，热不可能从温度低的物体自发地传
给温度高的物体
应用于航空燃气轮机
工质从热源（燃烧室）所得到的热能，不可能全部 转换为机械能，只能将热能的一部分转换为机械能， 其余部分释放给冷源（高温气流从喷管排出后放热 于外界大气）
静止或流动）
气体状态无论怎样变化，无非是气体能量从一种存 在形式转变为另一种存在形式，以及气体与外界之 间进行能量的相互传递与交换
能量的相互传递与交换需遵循一定的规律 －热力学定律
三、热力学第一定律
dq de dw
dq － 热量 de － 能量 dw － 机械能
第一定律的描述：外界对体系的热量交 换等于体系总能量的变化并对外界作功 揭示了各种形式的能量可以传递、相互 转换，但不能消失能量守恒
定容比热 Cv
定压比热 Cp
比热比 = Cp/ Cv
Cp与Cv的关系
定容加热
对密闭容器内的气体从T1加热到T2 Qv=Cv(T2-T1)
加给气体的热能全部用于提高气体的温度
定压加热
对活塞中的气体从T1加热到T2，气体受热膨胀推动 活塞保持P不变
Qp=Cp (T2-T1) 加给气体的热能除用于提高气体的温度，还要推动 活塞运动而对外作功
W
2
W vdp
a
1
1
面积a12ba
v
流动气体绝熱压缩功（或绝热膨胀功）
2
W vdp h
1
h
Cp (T2
T1)
Cp R
( p2v2
p1v1 )ຫໍສະໝຸດ Cp Cp Cv(
p2v2
p1v1 )
h
1
p1v1 (
p2v2 p1v1
1)
1
RT1[(
)
1]
W
u
1
1
RT1[(
p2 p1
1
)
1]
过程线方程 p1v1 p2v2 const
气体靠内能减小对外作膨胀功 外界对气体作压缩功，增加气体内能
流动气体绝熱压缩功（或绝热膨胀功） 在P-V图上的表示
dq dh vdp p
2
dq 0
b
dh vdp
v2 pdv
v1
气体比容不变：V＝常数
2
p2 T2
p
p1 T1
气体温度与压力成正比
dv＝0，dw＝0
q ＝u＝Cv(T2-T1)
加入气体的热量，全部
1
用于增加气体的内能
v
定压过程
q u2 u1
v2 pdv
v1
气体压力不变：P＝常数
v2 T2
p
v1 T1
气体比容与温度成正比
1
P不变，W=p(v2-v1)
pv RT
q ＝u+W
cp cv R
q=Cv(T2-T1)+R(T2-T1)
q =Cp(T2-T1)= h
加入气体的热量，用于增加
气体的内能，并对外作功
加入的热量=焓值变化
2 W
v
定温过程
气体温度不变： pv RT
T＝常数，pv＝常数
p2 v1 p1 v2
气体温度同样升高1度，Cp>Cv， Cp＝Cv＋R
Qp>Qv，Q为与加热过程有关的物理量
能量e存在形式－内能
dq de dw
气体内部具有的能量
内动能：大量分子作无规则运动时内动能的总和 内位能：气体分子间相互作用（可忽略）
对1kg气体，内能用u表示： u=f(T) =Cv(T2-T1)
气体与外界的机械能交换dw
静止气体膨胀和受到压缩，与外界进行机械能交换
单位：J (焦耳）
例如：密闭气缸中气体膨胀，推动活塞做功dW
气体从状态1
膨胀到状态2
p
dW pAdx pdv
1
W v2 pdv v1
作功大小等于过程线以下 与横坐标构成的面积
2
v1 dv
v2 v
热力学第一定律解析式 dq de dw
气体从一个状态变化到另一个状态，中间所经历 的过程称为热力过程 航空发动机内气体经历的实际热力过程十分复杂。 经如下假设： 完全气体 理想的可逆过程 比热为常数 实际热力过程可近似为一些具有简单特征的特殊 热力过程
热力过程
定容过程
p
定压过程
定温过程
绝热过程
多变过程
v
定容过程
q u2 u1
a
bv
绝热过程
dq du pdv
dq=0 du=-dw 气体的内能 变化，用于 与外界进行 功的交换
pv const
称为绝热指数
du pdv 0
CvdT pdv 0 pv RT
pdv vdp RdT
C
v
(
pdv R
vdp
)
pdv
0
(Cv R) pdv Cv vdp 0
气体与外界不断有热量和机械能的交换 气体的状态不断的变化
表示气体状态的参数
压力、温度和比容 三个参数是气体的基本状态参数
压力p
大量分子作无规则运动时对壁面碰撞的总效应 数值上等于单位容积内气体分子平移动能的2/3
式中：n为单位容积内的分子数； w为分子平均直线运动速度
单位：帕Pa（N•m2）或 KPa 或 MPa。
气体压力与比容成反比
q cv (T2 T1)
v2 pdv
v1
q W 2 pdv 2 RT dv
1
1
v
q RT ln(v2 ) RT ln( p1 )
v1
p2
p1
dT＝0，u＝0
q ＝w=面积a12ba
加入气体的热量，全部用于 对外膨胀作功，内能不变
W 2
p
p1
p2
1 A过程
q cv (T2 T1)
v2 pdv
v1
q u2 u1 W
B过程 2
W v2 pdv v1
v v1 dwB dwAv2
U为状态量，而沿过程A和过程B，W是不同的
对静止气体的加热量及气体所作膨胀功是与过程有关的过程量
热力学第一定律解析式 dq du pdv
气体与外界的热量交换
热量和比热容
热量是气体与外界能量交换的一种形式，用Q表示，对每
kg气体，热量用q表示，单位:j/kg
解析形式：
Q=C(T2-T1)
dq de dw
实验证明：气体与外界的热能交换与气体的温差成正比
C：比热容（气体温度每升高1度所需热量）