喷嘴如何让流体加速
喷嘴把流动的流体挤进更小的面积,它就只能加速——而压力也随之下降。跟着从宽而慢的进口一路走到又快又窄的射流。
发生的顺序
宽而慢
→
被挤压
→
加速
→
压力下降
喷嘴把流动的流体挤进更小的面积,它就只能加速——而压力也随之下降。跟着从宽而慢的进口一路走到又快又窄的射流。
喷嘴就是一段越变越窄的通道。它自身并不提供推力——只是让流体穿过越来越小的开口,逼着流体加速。凡是需要又快又集中的射流的地方,从花园水管到喷气发动机,都靠这个形状。
从外面看,喷嘴不过是一根逐渐变细的管子。但真正在工作的是它的形状:收窄通道的角度,决定了流体能加速到什么程度、压力能下降多少。
在进口处,流体压力高、速度慢,因为这里的管子很宽,给了流体足够的空间。这是喷嘴平静而高压的一侧。
管身逐渐收窄。由于每一秒都要通过同样多的流体,而现在可用的面积变小了,它就被迫加快速度。流动开始被拉长、加速。
让流体加速是要付出能量的,而这些能量正是从流体的压力里取出的。于是速度越爬越高,压力越来越低——推力正在被转换成运动。在最窄处,流体最快、压力最低。
到了出口,流体已经把大部分压力换成了速度。它以一股又窄又快、压力很低的射流离开——正因为跑得这么快,这股水才能射得很远、切得很准、或是带动别的东西。
它把通道收窄。因为同样的流量必须穿过更小的面积,流体就被迫加快速度——这就是连续性原理。
来自压力。用来加快流体所耗的能量是从它的压力里取出的,所以速度升高时压力下降。用压力换速度,就得到了喷嘴。
原因和“运动快的流体压力总是更低”一样:它的能量此刻以运动而非推力形式存在。所以最窄的喉部就是压力最低的地方。
凡是需要又快又集中的射流的地方:水管、喷头、喷射泵、水刀和火箭发动机,都用收窄的通道把压力换成速度。
对液体来说几乎不会——通常视为不可压缩,所以挤进更小的面积必然变成更高的速度。气体确实会略有压缩,但加速效果是一样的。