第四篇 喷管.ppt

第四章 燃气在喷管中的流动 一、喷管理论 二、喷管内燃气流动的参数计算 喷管是火箭发动机的一个重要部件，它的主要功能有三个： 通过喷管喉部面积的大小控制燃气的流量，使燃烧室内的燃气保持预定的压强，确保装药正常燃烧； 使推进剂燃烧产物通过喷管膨胀加速，将其热能充分转换为燃气的动能，从而使发动机获得推进动力—推力； 在导弹发动机中通过喷管实施推力大小和方向的调节与控制。 目前火箭发动机中最常用的是几何喷管，它是依靠喷管本身特殊的几何形状来实现以上功能的。 本章主要讨论燃气在几何喷管中流动的基本规律，它是研究火箭发动机性能参数的主要理论基础。 1. 流动假设 实践证明，燃气在喷管中的流动可简化为理想气体的一维定 常等熵流动问题来考虑，其具体假设条件为： 由于燃气的轴向流动速度分量大大地超过横向流动速度，认 为喷管横截面上的气动参数（速度、压强、密度和温度）的分布 是均匀一致的，可按喷管横截面上的平均值表示，且其值不随时 间变化； 燃烧产物为均质的、组成不变的理想气体； 燃气在喷管中为绝热、无磨擦的等熵流动。 根据以上假设条件，在喷管通道内，沿x轴取dx段微元体来 建立流动的基本方程。在x与x+dx处燃气压强、密度、温度、速 度与截面积分别用 表示。 * 根据定常流动的假定，且由于 喷管内无燃气生成，则通过流动通 道各截面处气体的质量流量均相 等，故有 dx m . m . 在dt时间内,微元 体中质量的变化量 在dt时间内, 气流迁移使 微元体产生的质量变化量 即作用在所取微元体内气体上的力应等于单位时间气体沿力 的方向上动量的变化。上式的负号表示动量的增量和力的增量正 好相反。 （2）动量方程 （3）能量方程 喷管中燃气能量方程为 对于组分和比热不变的完全 气体，其化学能不再变化，因此 可用物理焓H的变化来代替总焓 的变化，于是能量方程可写成 上式表明在一维定常绝能流动中，气体的焓和动能可以互相转 换，但其总和保持不变。此式对有无磨擦的情况都是适用的。 （4）补充方程 状态方程： 等熵方程： 故完全气体在喷管中的一维定常等熵流动的控制方程为： 几何喷管是依靠通道截面积变化使燃气膨胀加速，以将燃气热能转换为动能。因此，研究燃气在喷管中的流动特性就是研究在一维定常等熵流动条件下，通道截面积的变化对燃气流动特性的影响。从而得到燃气流动参数沿喷管轴线的分布规律。 3. 拉瓦尔喷管的理论基础 （1）喷管截面变化对流速的影响 由连续方程： 由动量方程： 两式消去 ，得： M＜1 dA＜0 V增大 p减小 M＞1 dA＜0 V减小 p增大 收敛管道中的流动变化 V减小 p增大 M＜1 dA0 V增大 p减小 M1 dA0 扩张管道中的流动变化 扩张段 收敛段 喉部 亚声速区 M1 超声速区 M1 M=1 M1 进口截面 拉瓦尔喷管原理图 （2）喷管截面变化对其他参数的影响 0 0 0 0 dM/M 0 0 0 0 dV/V 0 0 0 0 dT/T 0 0 0 0 d?/? 0 0 0 0 dp/p M1 M1 M1 M1 扩张管道dA0 收敛管道dA0 变化方向 参数 条件 由上表可得出如下基本规律： 压强（或密度）的变化方向与流速变化方向总是相反的。故可将流动分为两 类：膨胀（dp0）加速(dV0)流动和压缩（dp0）减速(dV0)流动，对应的管道 分别称为收敛与扩张管道。 截面积增大(dA0)和截面积减小(dA0)对气体流动参数变化的影响正好相反。 亚声(音)速流(M1)和超声速流(M1)对流动参数变化的影响正好相反。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 T/T0 p/p0 ?/?0 M （3）喷管流动的壅塞 M1=1 M2=? dA0 从前面分析得知，亚声速流动在收敛管道（dA0）中将膨胀加速（dV0）。当亚声速流动马赫数达到M=1时，如果管道继续收敛，流动速度将如何变化？ 首先，假设流速减小，dM 0，则有M2M1，即声速流减速到亚声速流动。但亚声速流动在收敛管道中应是加速的，即dM 0，这与假设是矛盾的。所以，流速不可能减小； 其次，假设流速增大，dM 0，则有M2M1=1，即声速流加速到超声速流动。但超声速流动在收敛管道中应是减速的，即有dM 0，这与假设也是矛盾的。所以，流速也不可能增大； 那么能否维持M =1流动下去呢？这也是不可能的。因为截面积变化是一个驱动势，是物理要求，在其作用下流动参数必然发生变化。 由此可见，在收敛管道中，一维定常等熵流动的流速只能连续变化到M =1，即达到临界状态，这是它