Газодинамические функции 2005
.docГД
2004
Газодинамические
функции
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Газодинамические функции параметров торможения τ(λ), π(λ), ε(λ).
Зависимости между истинными параметрами состояния газа и параметрами торможения приобретают особенно удобный для расчетов вид, если их представить с помощью безразмерных скоростей М и λ .Для того чтобы получить эти зависимости, определим сначала отношения температур Т*/Т и Т/Т*
Отношения давлений и плотностей можно выразить с помощью уравнений изоэнтропного процесса (2.33)1 через температуры. Тогда
(2.56)
(2.57)
(2.58)
и
(2.59)
(2.60)
(2.61)
Величины τ(λ), π(λ), и ε(λ) называются газодинамическими функциями параметров торможения. Они заранее рассчитываются для всех значений приведенной скорости λ (или числа М) и сводятся в таблицы газодинамических функций. Последние составляются для различных значений показателя изоэнтропы k, соответствующих разным газам.
Для воздуха (при k = 1,4) формулы, связывающие истинные параметры состояния с параметрами торможения, имеют следующий вид:
(2.62)
(2.63)
(2.64)
(2.65)
(2.66)
(2.67)
***
Пример расчета с помощью газодинамических функций
параметров торможения
В потоке воздуха измерено:
р = 101300 н/м2 (нормальное давление),
р*= 143000 н/м2,
Т* = 324 оК.
Определить скорость потока w.
Для воздуха показатель k=1,4; R=287,4.
1)Вычисляем .
2)По таблицам газодинамических функций для воздуха (k=1,4)
по величине π(λ)=0,7085 находим λ=0,75.
3) Определяем критическую скорость
м/сек.
4)Определяем скорость w= λaкр=0,75∙329,6=247,2 м/сек.
Как видно из приведенного примера, весь расчет сводится к очень простым операциям. Таблицы газодинамических функций особенно эффективны при массовых расчетах.
***
Газодинамические функции потока массы (расхода) q(λ), y(λ)
В практических расчетах площадь поперечного сечения потока F и плотность тока рw удобно относить к соответствующим величинам, взятым в критическом сечении. Если, например, рассматривать сопло Лаваля, то уравнение неразрывности можно записать, приравняв расход в любом сечении расходу в критическом сечении
ρwF = ρкр акр Fкр,
в следующем виде:
(2.78)
Левая часть этого равенства — безразмерная плотность тока — называется приведенным расходом или коэффициентом расхода. Она обозначается q(λ), т.е.
(2.79)
Плотность тока рw характеризует расход газа через единицу поверхности — площади поперечного сечения. Приведенный расход представляет собой расход через единицу площади, отнесенный к расходу через единицу площади в критическом сечении. Эта величина является функцией только приведенной скорости λ и показателя изоэнтропы k. Действительно, принимая во внимание формулы (2.61) и (2.45), можно написать
или
(2.80)
По формуле (2.80) легко определяются три характерные точки:
λ=0 q(λ)=0,
λ=1 q(λ)=1,
λ= q(λ)=0.
Промежуточные значения получаются численным расчетом. График зависимости приведенного расхода от приведенной скорости представлен на рис. 23.
Наибольшая величина q(λ)=1 получается, как видим, при λ=1. Следовательно, наибольшую плотность тока газ имеет в критическом сечении. При λ<1 расход уменьшается за счет уменьшения скорости, а при λ>1 — за счет уменьшения плотности газа.
Рассматривая график на рис. 23 и формулу (2.78), легко уяснить, почему сопло Лаваля имеет такую форму. Постоянство расхода требует того, чтобы площадь канала уменьшалась в тех местах, где возрастает плотность тока, и увеличивалась там, где плотность тока падает. В том сечении, где плотность тока проходит через максимум, канал должен иметь горло. Заметим, кстати, что одной из причин невозможности достижения максимальной скорости потока является то обстоятельство, что при w=wmax, т.е. λ=, приведенный расход q(λ)=0, следовательно, площадь поперечного сечения должна была бы равняться бесконечности. Поскольку в критическом сечении плотность тока достигает максимума, то максимально возможный расход через сопло Лаваля определяется площадью горла.
С помощью функции q(λ) удобно вычислять массовый расход в любом сечении потока. Он записывается так:
Принимая во внимание формулы (2.79), (2.45), (2.46), а также уравнение состояния совершенного газа (p=RT), можно предыдущее выражение представить в следующем виде:
Величина
для данного газа постоянна.
Для воздуха она равна ( k = 1,4; R = 287,4 дж/кг град) — m = 0,04037.
Окончательно формула расхода приобретает вид
(2.81)
Часто известной величиной бывает не р*, а статическое давление р.
Так как
то
Отношение для данного газа является функцией только приведенной скорости λ и обозначается y(λ). Действительно:
т.е.
(2.82)
Тогда
(2.83)
При вычислении расхода газа через сопло Лаваля или другой канал, в котором имеется критическое сечение, расчет ведется по параметрам в этом сечении. Так как в этом месте q(λ)=1, то расчетная формула имеет вид
(2.84)
Пример определения проходных сечений сопла Лаваля с помощью таблиц газодинамических функций.
3адано:
расход газа mсек = 10 кг/сек;
физичеcкие константы воздуха k=1,4; R=287,4 дж/кг град,
параметры перед соплом и за ним:
p 1* =37,24
p 2* =1,013
T 1* =324°K.
Определить:
скорость истечения w2,
площадь поперечного сечения в горле FГ,
площадь поперечного сечения на выходе F2.
Рассчитывается идеальный случай — энергоизолированное изоэнтропное течение, в котором соблюдаются условия постоянства давления и температуры заторможенного потока:
Т1*= ТГ* = Т2* = Т*= const,
р1*= рГ* = р2* = р*= const.
1.
2. По таблицам газодинамических функций для k=1,4 находим при
3.
-
w2 = aкр λ2 = 329,6∙1,964=647 м/сек.
-
Так как
то
По таблицам газодинамических функций при λ2=1,964 находим
q(λ2)=0,2362.
Тогда
F2 = 0,0012 / 0,2363 = 0,00507м2 = 50,7см2.
Размеры всех промежуточных сечений получаются при профилировании сопла.
символ Кронекера
1 См. файл Параметры торможения.pdf
стр.