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[转载]克罗科(Crocco)定理

(2012-05-03 09:42:24)
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龙卷风模式,外围热能转换成高速旋转机械能。而内部温度很低,这可能是将来的宇宙飞行器模式。适合人类。高歌将涡轮高速产生的机械能和热能余热,然后吸引转换成真空零点能。即是将两种能力相互转化混合搭配的过程。这是可以实现的。

 

 

第三节 理想气体等熵流动的主要性质

1.完全气体流动的基本性质和克罗科(Crocco)定理:


  (1)理想气体定常绝热连续流动中沿流线熵(s)不变。
  证明: 在绝热、连续流动的条件下,理想气体质点沿迹线熵的变化率等于零,定常流动中,流线与迹线重合。因此,每一条流线上的熵值是常数。

  (2)理想气体绝热定常流动沿流线http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/63.gif
  证明:由能量方程http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/30.gif, 又由定常绝热右端两项和左端第一项都等于零, 因此有http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/32.gifn为流线参数,证毕。

  (3)克罗科定理及其应用
  定理:理想气体的绝热定常流动中,若质量力可忽略不计,在全流场有下式成立:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/254.gif
  证明:由兰姆型方程出发
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/255.gif
定常流中http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/259.gif,代入兰姆型方程可得:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/260.gif
http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/261.gif为总偿。

  定义:熵值处处相等的流场称为均熵流场;总焓处处相等的流场称为均焓流场。对于均熵均烩的定常流动,由克罗科定理可得出以下推论:

  ①轴对称或平面流动中均熵均偿场必无旋。
  均熵流场中http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/268.gif,也即流场是无旋的。应用克罗科定理还可以得到以下推论;

  ②定常三维理想气体的均焓无旋流动必均熵;

  ③定常三维理想气体的均熵无旋流动必均焓;

  ④非均焓的定常三维理想气体均熵流动必有旋;

  ⑤非均熵的定常三维理想气体均焓流动必有旋。

  克罗科定理在理想气体的定常流动中有重要意义,利用它可以判断流场是否有旋。只要流场中存在总焓梯度或熵梯度,流动就有旋。又如,前面我们已证明:理想气体绝热定常连续流动中沿流线总焓和熵不变,如果二维理想气体绕流的来流速度、总烩和熵处处相等,则流场处处总烩和熵相等,即全场是均烩均摘的,因此流动是无旋的。这里流动连续是一项很重要条件,在高速气流中当气流速度超过当地声速时,可能产生激波,气体质点穿过激波时热力学状态发生突变,是不可逆过程,这时虽然气体质点是绝热的但它的熵将发生变化。因此定常超声速气流中有激波时,即使激波前流场是均熵无旋的,激波后流场可能是非均熵有旋的。

2. 理想常比热完全气体沿流线的等熵关系式:

  理想流体绝热定常连续流动时,沿流线熵值不变,我们称之为定常等熵流。在很多流动中,如:物体在静止大气中匀速运动;管道或叶轮机械信道中的气流运动等,当流动的粘性效应可忽略,流场与外界无热交换又不出现激波时,这些流动都可视为定常等熵流动。

  (1)理想常比热完全气体定常等熵流动的基本方程:
  定常绝热流动的能量关系式就是伯努利积分:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/269.gif
式中a是完全气体的当地声速。完全气体的定常理想绝热连续运动中的等熵方程可写
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/270.gif
式中C(n),B(n)是同一条流线上的积分常数。

  (2)驻点参数(滞止参数)、最大速度和临界参数。
  定义:在定常流动中,流体质点由状态http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/272.gif导出滞止温度公式如下:

  ①滞止温度
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/273.gif
其它滞止状态参数由滞止温度导出如下:
http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/276.gif
http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/273.gif可以看出:滞止温度是理想气体沿定常流动流线的最高温度。

  ②理想气体定常等熵流动中的最大速度。
  定义:在理想常比热完全气体定常流动中, 流体质点等熵地加速到http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/280.gif
  由能量方程式,令http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/277.gif,得:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/281.gif

  ③临界参数。
  定义:在理想气体定常等熵流动中,流体质点速度等于当地声速的状态称为临界状态。临界状态下的气体状态参数称为临界参数,分别用http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/282.gif来表示临界密度,临界压强,临界温度,临界焓等。
  根据定义:临界速度等于当地声速:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/283.gif
其它状态参数导出如下:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/284.gif
于是有:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/285.gif
再有等熵关系式,得:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/286.gif
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/287.gif

  (3)用马赫数表示的完全气体等熵关系式。
  前面我们用能量方程导出气体定常绝热流中流动参数的等熵关系式。对于完全气体,这些公式还可用马赫数为自变量来表示,它们更便于分析和计算。推导过程如下,由滞止温度公式http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/288.gif,可导出:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/289.gif
对于完全气体,http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/291.gif,代入滞止温度公式,得
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/292.gif
进一步代入其它状态公式,就有:
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/293.gif
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/294.gif
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/295.gif
(4)气体等熵流动的不可压缩近似

  一般来说,气体是可压缩流体。下面我们将说明,当理想气体定常流动的马赫数较小时,气体定常等烟流动可以近似为理想不可压缩流动。首先导出以下的压强系数公式:
  http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/296.gif    (*)
上式中phttp://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/17.gif时,我们可以将上式作泰勒级数展开,得:
  http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/297.gif    (**)
http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/298.gif,即:
      http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/299.gif
  它就是不可压缩理想流体定常流动的能量积分,或伯努利积分,由(**)式,我们还可以估计,近似公式适用的http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/11.gif=0.3时,公式(**)和伯努利公式的差为:0.0225,即2%左右,这对工程应用是允许的。因此,当流场中最大马赫数不超过0.3时,理想气体的定常等熵流动往往可以用不可压缩理想流体方程来近似。

  (5)速度系数

  定义:流体速度与临界速度(或临界声速)之比称为速度系数。记作:
      http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/300.gif
  速度系数http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/11.gif之间有-一对应关系。速度系数可写作:
     http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/301.gif  
     http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/302.gif

  (6) 用速度系数表示的等熵关系式

    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/303.gif
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/304.gif
    http://hy.tsinghua.edu.cn/edu/document/fluid/BJ/bj9/image1/305.gif
 

 

 

 

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