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CD 喷嘴流场模拟器

收缩—扩张喷嘴把压力变成速度。拖动两个滑杆设定入口总压与背压, 看喉部如何壅塞、内部如何站起一道正激波,或让气流以超声速喷出。

入口 喉部 A* 出口 Aₑ 收缩段 扩张段 沿程马赫数分布 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 沿喷嘴位置 s 0 1.0 2.0 3.0 马赫数 亚声速 超声速 正激波
压比 Pᵦ / P₀
0.375
流态
—
出口马赫数 Mₑ
—
发生的顺序 入口 P₀ → 喉部 A* → 扩张段 → 正激波 → 出口 Mₑ
显示模式

详细说明

什么是 CD 喷嘴模拟器?

收缩—扩张喷嘴是一条先收窄到喉部、再重新扩张的管道。它是把储存的压力变成高速射流的经典方式,蒸汽轮机、喷气发动机尾喷管和火箭发动机都依赖这个形状。

这个模拟器让你设定两个数值:入口总压 P₀ 与背压 Pᵦ。它据此判断喉部是否壅塞、激波站在哪里,以及气流在出口能达到多大的马赫数。

为什么要看内部?

从外面看它只是一根管子。把流场着色和马赫数图表揭示出来,才能看清两个关键现象:喉部达到马赫数 1,以及扩张段内站定的一道正激波。

两个要点最关键:喉部一旦壅塞,质量流量就不再随压力升高而增加;出口马赫数由压比决定,而不是由你推得多用力决定。

部件及其作用

1. 设定驱动压力

入口总压 P₀ 是气流进入喷嘴时携带的能量,背压 Pᵦ 是出口所面对的压力。二者之比 Pᵦ / P₀ 决定了后面所有现象。

2. 喉部壅塞

管道收窄时气流加速、静压下降。当压比低于约 0.53,喉部达到马赫数 1;此后继续加大入口压力也无法再提高质量流量。

3. 扩张段继续加速

过了喉部截面积开始变大。在超声速流动中,面积变大意味着流速更快,于是同样的空气质量继续加速,马赫数向出口一路爬升。

4. 内部可以站住一道正激波

如果背压高于超声速出口所能匹配的压力,喷嘴会把一道正激波逼进扩张段。气流穿过这层薄薄的突跃面时从超声速跳到亚声速,压力随之骤升。

5. 出口马赫数最终确定

没有激波时,气流以面积比所决定的完全超声速马赫数离开;有激波时,出口气流变为亚声速,出口马赫数更低,与图表一致。

收缩—扩张喷嘴是做什么的?

它把压力变成速度。管道先收窄到喉部、再重新扩张,亚声速气流在收缩段加速、在喉部达到马赫数 1,随后在扩张段继续加速直到超声速。

什么是壅塞?

当背压与入口总压的比值低于约 0.53 时,喉部达到马赫数 1。此后即使继续提高入口压力,质量流量也不再增大,这就叫壅塞。

喷嘴内部为什么会出现激波?

当背压高于超声速出口所能匹配的压力时,喷嘴会把一道正激波逼进扩张段。气流穿过激波时从超声速骤降到亚声速,压力明显抬升。

出口马赫数由什么决定?

它由背压与入口总压的比值决定。完全超声速出口时,马赫数由面积比锁定;背压升高会把激波推进管内,出口马赫数随之降低。

两种着色分别代表什么?

蓝色代表亚声速,橙色代表超声速。看着两种颜色就能判断喷嘴在哪里达到马赫数 1,以及激波在哪里把气流翻回亚声速。

图表在激波处为什么是跳变?

正激波是突变而不是渐变。马赫数曲线在激波位置几乎竖直下落,随后以亚声速一路延伸到出口。

常见误区

管道越窄流速一定越快。 哪里收窄,哪里流速就升高。
这只对亚声速成立。 超声速时管道扩张流速反而更快,所以扩张段在给气流加速。
继续加压流量会一直变大。 提高入口压力总能增加质量流量。
喉部壅塞后流量就被锁定。 喉部一旦达到马赫数 1,再加多少压力质量流量都不再上升。
激波停在喉部。 人们以为突变就发生在最窄处。
激波站在扩张段。 正激波只能站在超声速区,所以它落在喉部之后。
出口一定是超声速。 CD 喷嘴总是喷出超声速气流。
出口取决于背压。 背压过高会把激波逼进管内,气流以亚声速离开。
免责声明:本图解为教学目的做了大幅简化,真实系统变量与复杂度远超此处。不可用于工程生产用途,也不构成金融、政治或专业建议。