拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)——小論文

1、拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)摘要：要：本文針對(duì)拉伐爾噴管的幾何條件和力學(xué)條件進(jìn)行了推導(dǎo)。建立了噴管截面積變化與流速、壓強(qiáng)、密度、溫度等流動(dòng)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(duì)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(jì)算方法。針對(duì)實(shí)際流動(dòng)損失的存在，為得到噴管的實(shí)際流動(dòng)性能，對(duì)理論性能參數(shù)提出了修正方法。提出了拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)方法。本文研究內(nèi)容為拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)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)；

2、流動(dòng)損失1引言引言拉伐爾噴管是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)最常用的構(gòu)件，由兩個(gè)錐形管構(gòu)成，如圖1所示，其中一個(gè)為收縮管，另一個(gè)為擴(kuò)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(kuò)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DeLava

3、l在1883年首先將它用于高速汽輪機(jī)，現(xiàn)在這種噴管廣泛應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1.1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(dòng)在變截面一維定常流動(dòng)中只考慮截面積變化這一種驅(qū)動(dòng)勢(shì)，忽略摩擦、傳熱、重力等其他驅(qū)動(dòng)勢(shì)，因此流動(dòng)是絕熱無摩擦的，即等熵流動(dòng)，變截面定常等熵流動(dòng)模型如圖2所示。控制體pdpdxρdρVdVTdTAdApρVTA圖2.1變截面一維定常等熵流動(dòng)模型變截面一維定常等熵流動(dòng)的

4、控制方程組為：(2.1.1)ConstmVA???(2.1.2)0dpVdV???到亞聲速流。如果在臨界截面之后使管道擴(kuò)張，則當(dāng)管道出口截面處的下游物理邊界條件滿足一定要求時(shí)，流動(dòng)能夠從聲速流變?yōu)槌曀倭鳌＿@種先收斂后擴(kuò)張的管道即為拉伐爾噴管。這種先收斂后擴(kuò)張的管道形狀是從初始亞聲速流獲得超聲速流的必要條件，稱為拉伐爾噴管的幾何條件。3拉伐爾噴管的力學(xué)條件拉伐爾噴管的力學(xué)條件拉伐爾噴管為實(shí)現(xiàn)亞聲速流向超聲速流的連續(xù)變化，除幾何條件外，必

5、須對(duì)噴管出口截面下游的環(huán)境壓強(qiáng)（外界反壓）做出限制，即拉伐爾噴管的力學(xué)條件。為了分析外界反壓對(duì)拉伐爾噴管流動(dòng)的影響，假設(shè)出口截面外的環(huán)境壓強(qiáng)保持不變，而噴管進(jìn)口截面的滯止壓強(qiáng)可變。當(dāng)總壓變化時(shí)，噴管出ap0p0p口截面上的氣體壓強(qiáng)隨之變化。根據(jù)和的相對(duì)大小，氣體在噴管中的流epapep動(dòng)狀態(tài)分為以下三種情況。(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(jì)狀態(tài)，如圖3.1所示。這種流動(dòng)的主要特

6、點(diǎn)是：①噴管喉部達(dá)到了臨界狀態(tài)，出口流動(dòng)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由于管內(nèi)流動(dòng)為超聲速，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)的傳播速度（即聲速）小于流動(dòng)速度，擾動(dòng)不能傳進(jìn)噴管內(nèi)部，即噴管中的流動(dòng)覺察不到外界反壓的變化。出口截面進(jìn)口截面ptPe=papepepepaMae1ptpa進(jìn)口截面出口截面圖3.1噴管最佳膨脹時(shí)的流動(dòng)圖3.2欠膨脹狀態(tài)時(shí)的噴管流動(dòng)(2)欠膨脹狀態(tài)eapp?如果在最佳膨脹狀

7、態(tài)下提高噴管進(jìn)口總壓，則出口同時(shí)增大，有0pep。氣體沒有得到完全膨脹，其能量未充分發(fā)揮，即氣體熱能沒有最大限eapp?度地轉(zhuǎn)變成定向流動(dòng)動(dòng)能。這種流動(dòng)稱為欠膨脹狀態(tài)或膨脹不足狀態(tài)，如圖3.2所示。欠膨脹狀態(tài)流動(dòng)主要特點(diǎn)是：①噴管喉部達(dá)到了臨界狀態(tài)，出口仍為超聲速M(fèi)1；②氣體在噴管外繼續(xù)膨脹，直到壓強(qiáng)等于時(shí)為止，因此噴管出口處有一ap系列膨脹波；③噴管外的壓強(qiáng)擾動(dòng)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