Дозвуковое и сверхзвуковое течения газов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

При скоростях движения жидкости сравнимых со скоростью звука или их превышающих, на первый план выдвигаются эффекты, связанные с сжимаемостью жидкости. Такое движение на практике наблюдается в газах. Поэтому о гидродинамике больших скоростей говорят обычно как о газодинамике.

Чаще всего в газодинамике приходится иметь дело с очень высокими значениями чисел Рейнольдса. За исключением отдельных случаев (наиболее ярким из которых является отрыв сверхзвукового потока) при высоких значениях числа Рейнольдса вязкость оказывается не существенной для движения газа практически во всем пространстве. Поэтому в газодинамике часто газ рассматривают как идеальную жидкость.

Движение газа имеет существенно различный характер в зависимости от того, является оно дозвуковым или сверхзвуковым.

С изучением сверхзвуковых течений связано решение ряда практических проблем, возникающих при создании самолетов, ракет, турбин, снарядов, аэродинамических труб для получения потоков со сверхзвуковыми скоростями.

1. Адиабатическое установившееся течение газа

Изучение движения газов с высокими скоростями, достигающими скорости звука, является предметом газовой динамики. Одной из фундаментальных задач последней является исследование течений без учёта сопротивлений и в отсутствие теплообмена (т.е.) адиабатических. В этих условиях уравнение баланса удельной энергии имеет вид:

.

Уравнение адиабаты идеального газа представим в виде:

.

Будем отмечать в дальнейшем индексом "0" величины, характеризующие газ, находящийся в покое, или, как говорят в газодинамике, в заторможенном состоянии, подставим в уравнение неразрывности:

и после интегрирования:

.

При установившемся течении весовой расход газа во всех сечениях по длине газопровода одинаков в течение всего процесса движения.

Следовательно, при установившемся течении:

,

что является выражением условия неразрывности при движении газа (и также сжимаемых жидкостей). В трубопроводе постоянного сечения одинаковой по длине трубопровода будет также весовая скорость:

.

Изменение в удельном весе (плотности) идеального газа при изменении давления и температуры выражаются законом Клайперона-Менделеева:

,

где Т - абсолютная температура газа, R - газовая постоянная.

В технике имеют особое значение изотермическое и адиабатическое течения газа. При изотермическом (Т=const) течении идеального газа зависимость между давлением и плотностью имеет вид:

,

при адиабатическом:

,

где - показатель адиабаты, cp - удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении, cv - удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме.

Имея в виду последнее соотношение, можно записать:

,

получаем:

.

Имея в виду, что v = 0 при p=p0 (состояние покоя), найдём:

,

или:

.

2. Уравнение Гюгонио. Сопло Лаваля

Запишем уравнение Бернулли в дифференциальной форме:

.

Преобразуем уравнение Бернулли для газа так, чтобы можно было ввести число Маха. Имеем:

,

квадрат скорости звука:

,

тогда:

.

Поделим на a2, получим:

,

или в окончательном виде:

,

где M - число Маха.

Другим уравнением, необходимым для анализа течений газа в трубе переменного сечения, является уравнение неразрывности, или сохранения массы.

Будем рассматривать одномерное установившееся течение газа вдоль трубы переменного сечения, при этом предположим, что параметры потока газа, такие, как скорость потока, давление и плотность, одинаковы во всех точках каждого из конечных сечений, перпендикулярных к оси трубы.

Это предположение довольно хорошо соответствует действительности для элементарной трубки тока, но его применяют и для труб конечных размеров, используя средние величины по сечениям трубы.

Через каждое поперечное сечение трубы в случае одномерного течения проходит за 1 с масса газа m=Sv, где S - площадь поперечного сечения трубы, v - скорость течения газа, - плотность газа. При установившемся течении через все поперечные сечения должна пройти одна и та же масса газа, т.е.

.

Прологарифмируем это уравнение сохранения массы. Получим:

.

Считая переменными величины S, v, , возьмём полные дифференциалы от обеих частей. Имеем:

.

Это и есть уравнение неразрывности для установившегося одномерного течения идеального газа в трубе переменного сечения.

Рис. 1

Из уравнения неразрывности и уравнения Бернулли исключим величину. Получим:

.

Это уравнение носит название уравнения Гюгонио.

Используя уравнение Гюгонио, проанализируем характер возможных течений газа в трубе переменного сечения.

Из уравнений следует:

1) при M<1, что соответствует дозвуковым течениям, знаки величин dS и dv противоположны, т.е. там, где возрастает S, в направлении течения скорость должна убывать, и наоборот,

2) для сверхзвуковых течений M>1, знаки dS и dv одинаковы, т.е. сверхзвуковой поток расширяется противоположно дозвуковому. Чтобы увеличить его скорость, трубу следуeт расширить,

3) при M = 1 имеем dS = 0, т.е. в этом случае S достигает максимума или минимума. Можно показать, что M = 1 может быть только в самом узком сечении трубы, где S=Smin.

Выводы о характере течений газа в трубах переменного сечения нашли применение в конструкциях сопел современных ракетных двигателей и аэродинамических трубах больших скоростей. Для получения больших сверхзвуковых скоростей выходящего из сопла газа следует сначала сопло сужать, чтобы получить звуковую скорость газа в узком сечении сопла, а затем сопло надо расширять для дальнейшего увеличения скорости выходящего из него газа.

Рис. 2

Наибольшая скорость, которая может быть получена на выходе из сопла, зависит от площади выходного сечения и должна обеспечиваться необходимым для данной скорости давлением на входе в сопло (рис. 2).

3. Уравнение состояния

Опыт показывает, что между основными параметрами, характеризующими состояние газа (давлением, плотностью и температурой), существует определённая зависимость.

Уравнение , устанавливающее связь между этими параметрами, называется уравнением состояния.

Поэтому состояние любого газа определяется двумя параметрами (например, плотностью и температурой), так как третий параметр (давление) можно найти из уравнения состояния.

Для идеального газа уравнение состояния можно записать в виде:

,

где R - газовая постоянная, зависящая от относительной молекулярной массы газа m. Для воздуха m = 29, .

Под идеальным газом принято понимать газ, в котором взаимодействие молекул между собой осуществляется посредством упругих столкновений, а линейный размер молекулы по сравнению со средним молекулярным расстоянием мал.

Существенное отличие свойств воздуха от свойств идеального газа наблюдается при высоких давлениях и низких температурах.

4. Удельные теплоёмкости газа

Рассмотрим некоторый произвольный термодинамический процесс. Количество теплоты dq, подведенное к 1 кг газа в этом процессе, выразим через приращение температуры газа dT:

.

Множитель c, представляющий собой количество теплоты, необходимое для подогрева 1 кг газа на 1 град в данном процессе, называется удельной теплоёмкостью.

Удельная теплоёмкость существенно зависит от характера процесса.

Рассмотрим теплоёмкости, соответствующие процессам, происходящим при постоянном объёме cV и давлении cp. Зависимость между удельными теплоёмкостями идеального газа cV и cp определяется следующим соотношением:

.

В термодинамике и газодинамике важное значение имеет отношение теплоёмкостей:

.

Величина k зависит от структуры молекулы газа. Так, для идеальных одноатомных газов k = 1.66, для двухатомных газов, в том числе и для воздуха, k = 1.4.

5. Первый закон термодинамики

Пусть некоторое количество газа находится в равновесии. Обозначим через dQ количество подведённой к газу извне теплоты. В общем случае подвод теплоты приводит к изменению внутренней энергии газа dU и объёма. При изменении объёма газ совершает внешнюю работу, равную dL=pdV. Поэтому:

,

или, относя все величины к 1 кг массы газа, получаем:

,

где dq - суммарная теплота, подведенная к 1 кг массы газа извне, du - изменение внутренней энергии 1 кг массы газа, - работа, затрачиваемая на расширение (1 - объём, занимаемый 1 кг массы газа).

При постоянном объёме dV = 0, dQ=dU или dq=du, т.е. вся теплота, подводимая к газу, тратится на увеличение его внутренней энергии. Поэтому:

.

Пренебрегая зависимостью cV от температуры и имея в виду, что при T=0 u = 0, имеем:

.

Внутренняя энергия является одной из функций состояния газа.

Используя формулы:

.

Уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики.

Энтальпия. Введём ещё одну функцию состояния i, определяемую соотношением:

.

Или, пренебрегая изменением cp:

.

Эта функция называется энтальпией. Из определения энтальпии следует, что её приращение di представляет собой приращение теплоты dq в процессе p=const. Имея это в виду, из первого закона термодинамики:

,

интегрируя его в предположении p=const, получим:

.

Используя уравнение состояния и соотношение:

,

имеем:

.

Энтропия. При изучении течения газа часто используют понятие энтропии. Эта функция определяется дифференциальным соотношением:

.

газовый адиабата теплоемкость энтропия

Найдём связь между энтропией и энтальпией:

,

из первого закона термодинамики:

следует:

.

При скоростях движения жидкости сравнимых со скоростью звука или их превышающих, на первый план выдвигаются эффекты, связанные с сжимаемостью жидкости. Такое движение на практике наблюдается в газах. Поэтому о гидродинамике больших скоростей говорят обычно как о газодинамике.

Чаще всего в газодинамике приходится иметь дело с очень высокими значениями чисел Рейнольдса. За исключением отдельных случаев (наиболее ярким из которых является отрыв сверхзвукового потока) при высоких значениях числа Рейнольдса вязкость оказывается не существенной для движения газа практически во всем пространстве. Поэтому в газодинамике часто газ рассматривают как идеальную жидкость.

Движение газа имеет существенно различный характер в зависимости от того, является оно дозвуковым или сверхзвуковым.

С изучением сверхзвуковых течений связано решение ряда практических проблем, возникающих при создании самолетов, ракет, турбин, снарядов, аэродинамических труб для получения потоков со сверхзвуковыми скоростями.

Размещено на Allbest.ru