喷管流动:亚音速、音速与超音速
在渐缩渐扩喷管内,流动的状态会经历三次变化:收敛段为亚音速,喉部恰好达到音速,喉部之后转为超音速;当喷管偏离设计工况时,还可能出现激波。
发生的顺序
燃气进入
→
亚音速
→
音速喉部
→
超音速
→
激波
在渐缩渐扩喷管内,流动的状态会经历三次变化:收敛段为亚音速,喉部恰好达到音速,喉部之后转为超音速;当喷管偏离设计工况时,还可能出现激波。
流动状态描述气体相对于该气体中音速的快慢,用马赫数表示:小于 1 是亚音速,恰好为 1 是音速,大于 1 是超音速。在渐缩渐扩喷管内,流动会依次经历这三种状态。
从亚音速到超音速的转变发生在很短的距離内,从外部无法看到。用剖面把流动画出来,这个顺序、以及它偏离设计时如何出错,就都一目了然了。
燃气以低速、被压缩的状态聚集在入口,此处流速远低于音速。这份储存的压力就是喷管将要转化为速度的能量。
在收敛段,流动低于音速,表现得像普通流体。随着通道收窄,燃气在接近喉部时不断加速。
在最窄点,燃气恰好达到音速。正是通过这个音速状态,后面一段的流动行为才发生翻转。
过了喉部通道变宽,而由于气流已经处于音速,变宽此时会让它加速而不是减速。燃气变为超音速,并在膨胀中持续加速。
如果喷管过膨胀,流动可能无法一路保持超音速。此时可能形成正激波——一道极薄的突变扰动——流动骤然降回亚音速,并损耗能量。这里仅作概念工况展示。
由截面面积与喷管两端的压力差决定。从低于音速开始,流动在喉部恰好达到马赫数 1,随后变为超音速。
一旦气流在喉部达到音速,变宽的通道就会让它继续加速。而在喉部之前,变宽通道会让它减速,因此狭窄的喉部就是转折点。
它是一道极薄的突变扰动,超音速流在其中骤然降为亚音速流。它出现在喷管过膨胀时,会消耗能量,因此发动机尽量避免它。
会。如果扩张段内形成激波,激波之后的流动即为亚音速,尽管通道仍在变宽。
只有压力差足够大时才会。压力差较小时,喉部可能始终达不到音速,整段喷管都保持亚音速。