- •Термодинамика потока.
- •Основное уравнение термодинамики потока сжимаемых сред (газа, пара).
- •2. Формализация полной термодинамической модели течения сжимаемых сред в канале.
- •Связь между величиной скорости потока w(X) и размером площади сечения канала f(X).
- •Связь скорости истечения с давлениями в начале и конце канала.
- •Связь массового расхода потока с давлениями в начале и конце канала.
- •Реальное течение пара или газа по каналам.
- •5.1. Дросселирование.
2. Формализация полной термодинамической модели течения сжимаемых сред в канале.
Уравнения (5.2) и (5.3) еще далеко не образуют расчетный аппарат для поиска параметров потока газа (пара) в канале. Присоединим к этим уравнениям еще один закон, закон сохранения: сохранения массы. Его еще называют условием неразрывности (сплошности) течения.
Предварительно проведем еще одно упрощение: будем рассматривать одномерное течение, т.е. все характеристики и параметры рабочего тела в любом месте сечения F(x) (см. рис. 5.1) будем считать одинаковыми по радиусу сечения. Они теперь будут зависеть только от продольной координаты х: р = р(х), Т = Т(х), w = w(x) и т.д. Тогда массовый расход рабочего вещества в канале равен:
G = ρ(x) F(x) w(x) → G = F(x) w(x)/v(x) = const, кг/с.
Это и есть формализация закона сохранения массы в канале. Теперь это выражение прологарифмируем и далее продифференцируем:
lnF(x) + lnw(x) – lnv = lnconst → dF/F + dw/w – dv/v = 0. (5.4)
Уравнение (5.4) представляет собой запись закона сохранения массы в дифференциальной форме или уравнение сплошности (неразрывности).
Замечание. Уравнение сплошности не справедливо для потока людей, идущих по коридору переменного сечения. В узкой части коридора люди уменьшают свою скорость w(x), чтобы не толкаться и не давить друг друга (вспомните толпу людей перед эскалатором в метро в часы пик). Зато молекулы газа (пара) в узкой части канала начинают двигаться быстрее.
Для газовой и паровой фазы еще справедливо уравнение адиабаты (см. лекцию 2) pvk=const. Опять прологарифмируем это уравнение, а затем продифференцируем его:
lnp + k lnv = ln const → dp/p + k lnv/v = 0. (5.5)
Наконец, если рабочее тело в канале находится в состоянии идеального газа, то еще
pv=RT→lnp+lnv– lnR–lnT= 0 →dp/p+dv/v–dT/T= 0.(5.6)
И одновременно в (5.5) k= ср/сvдля идеального газа.
Теперь напишем полную систему уравнений термодинамической модели потока газа (пара) в канале:
1. Уравнение энергии: dw2/2 +vdp= 0 илиdw2/2 +dh= 0. (5.2) и (5.3)
2. Уравнение сплошности: dF/F + dw/w – dv/v= 0. (5.4)
3. Уравнение адиабаты: dp/p+kdv/v= 0. (5.5)
4. Уравнение состояния идеального газа: dp/p+dv/v–dT/T= 0. (5.6)
Условия единственности решения:w(x = 0) = 0 или w(x = 0) = w0.(5.7)
p(x = 0) = p1 и p(x = L) = p2. (5.7-a)
T(x = 0) = T1. (5.7-b)
Всего искомых функций 5: w(x), p(x), v(x), T(x), h(x) и уравнений тоже 5. С точки зрения математики модель получилась замкнутой:число уравнений и число искомых функций одинаковы (это одно из условий корректности любой математической задачи). Заметим, что функция F(x) считается известной по постановке задачи.
Перечислим и назовем все гипотезы,предпосылки иупрощенияпри формализации модели, чтобы не было умолчаний и была ясна область применимости модели.
1 . Считаем, что канал теплоизолирован или скорость течения так велика, что процесс теплообмена не успевает произойти. Итак, адиабатичность. Одновременно, предполагаем отсутствие трения. Тогда s = const.
2. Канал, в котором движется поток газа (пара) – неподвижен. Тогда техническая работа потока нулевая.
3. Влиянием силы тяжести пренебрегаем, т.к. плотность газа (пара) ничтожно мала по сравнению с плотностью жидкости.
4. Все параметры и характеристики потока в любом сечении канала F(x) одинаковы по радиусу и зависят только от продольной координаты х.
5. Уравнение процесса в каждом сечении F(x) – политропа с показателем n = k.
6. Если рабочее тело в канале – идеальный газ, то параметры состояния еще,кроме политропы, связаны уравнением Клайперона-Менделеева pv = RT, аk= ср/сv.