拉伐爾噴管的設(shè)計

1、拉伐爾噴管的設(shè)計摘要：要：本文針對拉伐爾噴管的幾何條件和力學(xué)條件進行了推導(dǎo)。建立了噴管截面積變化與流速、壓強、密度、溫度等流動性能參數(shù)間的關(guān)系，分析了噴管出口截面下游的外界反壓對拉伐爾噴管工作過程的影響。推導(dǎo)建立了拉伐爾噴管主要性能參數(shù)的計算方法。針對實際流動損失的存在，為得到噴管的實際流動性能，對理論性能參數(shù)提出了修正方法。本文研究內(nèi)容為拉伐爾噴管的設(shè)計提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：變截面；力學(xué)條件；性能參數(shù)；流動損失1引言引言拉伐爾噴管

2、是火箭發(fā)動機和航空發(fā)動機最常用的構(gòu)件，由兩個錐形管構(gòu)成，如圖1所示，其中一個為收縮管，另一個為擴張管。拉瓦爾噴管是推力室的重要組成部分。噴管的前半部是由大變小向中間收縮至噴管喉部。喉部之后又由小變大向外擴張。燃燒室中的氣體受高壓流入噴嘴的前半部，穿過喉部后由后半部逸出。這一架構(gòu)可使氣流的速度因噴截面積的變化而變化，使氣流從亞音速到音速，直至加速至超音速。所以，人們把這種噴管叫跨音速噴管。瑞典工程師DeLaval在1883年首先將它用于高

3、速汽輪機，現(xiàn)在這種噴管廣泛應(yīng)用于噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機。圖1拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)圖2拉伐爾噴管的幾何條件拉伐爾噴管的幾何條件21變截面一維定常等熵流動在變截面一維定常流動中只考慮截面積變化這一種驅(qū)動勢，忽略摩擦、傳熱、重力等其他驅(qū)動勢，因此流動是絕熱無摩擦的，即等熵流動，變截面定常等熵流動模型如圖2所示。控制體pdpdxρdρVdVTdTAdApρVTA圖2變截面一維定常等熵流動模型變截面一維定常等熵流動的控制方程組為：(1)ConstmVA

4、????(2)0dpVdV???(3)2102dhV????????22截面積變化對流動特性的影響管道的形狀變化可以用截面積變化dA來表示。(a)截面積變化對流速的影響對連續(xù)方程(1)取對數(shù)微分，得(1)最佳膨脹狀態(tài)eapp?氣體在噴管中得到了完全膨脹，這就是噴管的最佳膨脹狀態(tài)，又稱為設(shè)計狀態(tài)，如圖3所示。這種流動的主要特點是：①噴管喉部達到了臨界狀態(tài)，出口流動為超聲速，即Me1；②流體流出噴管后，既不膨脹，也不壓縮，而是一平行射流；③

5、由于管內(nèi)流動為超聲速，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生微小擾動時，擾動的傳播速度（即聲速）小于流動速度，擾動不能傳進噴管內(nèi)部，即噴管中的流動覺察不到外界反壓的變化。出口截面進口截面ptPe=papepepepaMae1ptpa進口截面出口截面圖3噴管最佳膨脹時的流動圖4欠膨脹狀態(tài)時的噴管流動(2)欠膨脹狀態(tài)eapp?如果在最佳膨脹狀態(tài)下提高噴管進口總壓，則出口同時增大，有。氣體0pepeapp?沒有得到完全膨脹，其能量未充分發(fā)揮，即氣體熱能沒有最大限度地

6、轉(zhuǎn)變成定向流動動能。這種流動稱為欠膨脹狀態(tài)或膨脹不足狀態(tài)，如圖4所示。欠膨脹狀態(tài)流動主要特點是：①噴管喉部達到了臨界狀態(tài)，出口仍為超聲速M1；②氣體在噴管外繼續(xù)膨脹，直到壓強等于時為止，因此噴管出口處有一系列膨脹波；ap③噴管外的壓強擾動也不能逆向傳入噴管。(3)過膨脹狀態(tài)eapp?如果在最佳膨脹狀態(tài)下減小噴管進口總壓，則噴管出口的氣體壓強也將減小，即0p。氣體在噴管中作了過分的膨脹。這種流動稱過膨脹狀態(tài)。根據(jù)小于的程度eapp?epa

7、p大小，氣體在噴管中的流動狀態(tài)又可分為下述四種情況。①稍小于epap噴管出口的氣體流動為超聲速。在噴管外氣體由于受到反壓的突然壓縮而產(chǎn)生不連續(xù)的壓強增加，形成激波。因為稍小于，激波是附著在擴張段出口截面上的激波，如epap圖5所示。氣體經(jīng)過斜激波后，壓強升高到。ap②比小于一定值epap隨著壓強差的增大，噴管外的斜激波逐漸向噴管口收攏，并最終在小于aepp?ep一定值時演變成覆蓋在噴管出口截面上的正激波，如圖6所示。氣體壓強經(jīng)過正激ap

8、ep波壓縮后升高到，這時的外界反壓稱為第二臨界反壓。apap③進一步減小ep當(dāng)比小很多時，正激波從噴管出口截面向噴管內(nèi)部移動，噴管擴張段內(nèi)的流動epap以正激波為分界線。激波后的流動就是擴張管道中的亞聲速流動，流動的馬赫數(shù)將逐漸減小，壓強逐漸升高，并在噴管出口截面升高到。ap④eapp=如果，則正激波最終移動到喉部。此時正激波消失，流動不再壅塞，全部噴eapp=管內(nèi)的流動均為亞聲速流，氣體的壓強、流速和質(zhì)量流率都為外界反壓所控制。這種流