- •Лекция 12. Элементы газовой динамики
- •12.1.Адиабатное течение невязкого идеального газа
- •12.2. Газодинамические функции
- •12.3. Изменение параметров одномерного адиабатного потока газа вдоль трубы переменного сечения
- •12.4. Прямой скачок уплотнения
- •12.5. Истечение газа через сопло
- •12.6. Адиабатное течение идеального газа с трением в трубе постоянного сечения
- •12.7. Изотермическое течение в трубе
- •12.8. Распространение малых возмущений. Обтекание тел при малых возмущениях
- •12.9. Косые скачки уплотнения
12.6. Адиабатное течение идеального газа с трением в трубе постоянного сечения
Расчетная система уравнений одномерного потока вязкого газа без энергообмена с внешней средой включает в себя:
уравнение неразрывности
(12.49)
уравнение состояния
(12.50)
уравнение энергии (Бернулли)
(12.51)
где работа сил вязкости (потери), отнесенные к единице массы в движущемся газе.
Поскольку данное течение энергетически изолировано, температура и энтальпия торможения, а также критическая скорость постоянны (const,const, const). С учетом этого из предыдущей системы можно получить
(12.52)
Поскольку всегда , дозвуковой поток (М<1) под влиянием трения ускоряется (>0), а сверхзвуковой (М>1) тормозится (<0). Непрерывный переход через скорость звука под влиянием только трения невозможен.
Соотношение между параметрами газового потока в двух сечениях трубы выражаются формулами:
(12.53)
(12.54)
(12.55)
Работа сил трения на участке трубы длиной может быть приближенно выражена гидравлической зависимостью Вейсбаха - Дарси
(12.56)
где гидравлический коэффициент трения, зависящий от числа Рейнольдса, как и для несжимаемой жидкости;средняя скорость;диаметр трубы. Здесь для коэффициента трения употреблено обозначение, для отличия его от безразмерной скорости.
Используя эту зависимость, уравнение можно привести к виду
(12.57)
Полагая =const (что допустимо ввиду малого изменения числаReпо длине трубы), в результате интегрирования можно получить
(12.58)
где расстояние между начальным сечениеми расчетным сечением трубы 2. Обозначая
(12.59)
и определяя приведенную длину трубы как
(12.60)
уравнение представляем в форме
(12.61)
Так как при функциядостигает минимума, то при заданномидостигается некоторая критическая максимальная приведенная длина трубы
(12.62)
Зависимость показана на рис.12.5. При заданныхи длине трубы критическая скорость может быть достигнута в конце трубы.
Рис.12.5. Зависимость приведенной критической длины трубы
от начальной скорости
Скорость дозвукового потока на входе в трубу заданной приведенной длины не может превышать значения, определяемого уравнением
(12.63)
Если < 1и заданное значение приведенной длины трубы, то на выходе. Если жето. Приреализация заданного значенияв начале трубы невозможна.
Если поток на входе в трубу сверхзвуковой (>1) и приведенная длина, тот.е. на выходе из трубы поток сохранится сверхзвуковым (однако). При>1 и. Когда при>1 заданонекотором сечении трубы возникает скачок уплотнения, за которым устанавливается дозвуковой ускоренный поток.
Положение скачка, предполагая его прямым, определяем следующим образом. Скорости перед скачком и за нимсвязаны формулой Прандтля
В то же время связана с координатой скачкауравнением
(12.64)
С учетом того, что , можно написать
(12.65)
где приведенная длина трубы, откуда
(12.66)
Решая совместно два последних уравнения, находим и.
Для обеспечения заданного значения на входе в трубу заданной приведенной длины требуется вполне определенный перепад давлений между входным и выходным сечениями.
Если полное давление во входном сечении, адавление в среде, в которую газ вытекает из трубы, то значение , называемое располагаемым отношением давлений, будет определяться массовый расход и другие параметры газа в данной трубе. Если на выходе из трубы устанавливается критическая скорость (=1), то соответствующее отношение давлений называется критическим:
(12.67)
При заданном располагаемом отношении давлений расчет истечений через трубу заданных размеров производят по следующей схеме. Выражая расход во входном сечении через полное давление в выходном сечении через статическое давление, получаем
(12.68)
Ввиду адиабатности течения и, следовательно,
(12.69)
Если , то или
(12.70)
Скорости исвязаны уравнением
(12.71)
Отсюда находятся скорости икак функции заданных величини. Приведенные уравнения справедливы при . Минимальное значение, при котором , определяют по уравнению
(12.71)
При значениях на выходе из трубы
и(12.72)