拉伐爾噴管的設計——小論文

1、拉伐爾噴管的設計摘要：要：本文針對拉伐爾噴管的幾何條件和力學條件進行了推導。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間的關系，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。推導建立了拉伐爾噴管主要性能參數的計算方法。針對實際流動損失的存在，為得到噴管的實際流動性能，對理論性能參數提出了修正方法。提出了拉伐爾噴管的設計方法。本文研究內容為拉伐爾噴管的設計提供依據。關鍵詞：關鍵詞：變截面；力學條件；性能參數；

2、流動損失1引言引言拉伐爾噴管是火箭發(fā)動機和航空發(fā)動機最常用的構件，由兩個錐形管構成，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，現在這種噴管廣泛應用于噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機。圖1.1拉伐爾噴管結構圖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動勢，忽略摩擦、傳熱、重力等其他驅動勢，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?？刂企wpdpdxρdρVdVTdTAdApρVTA圖2.1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

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張，則當管道出口截面處的下游物理邊界條件滿足一定要求時，流動能夠從聲速流變?yōu)槌曀倭?。這種先收斂后擴張的管道即為拉伐爾噴管。這種先收斂后擴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拉伐爾噴管的力學條件拉伐爾噴管的力學條件拉伐爾噴管為實現亞聲速流向超聲速流的連續(xù)變化，除幾何條件外，必

5、須對噴管出口截面下游的環(huán)境壓強（外界反壓）做出限制，即拉伐爾噴管的力學條件。為了分析外界反壓對拉伐爾噴管流動的影響，假設出口截面外的環(huán)境壓強保持不變，而噴管進口截面的滯止壓強可變。當總壓變化時，噴管出ap0p0p口截面上的氣體壓強隨之變化。根據和的相對大小，氣體在噴管中的流epapep動狀態(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)，又稱為設計狀態(tài)，如圖3.1所示。這種流動的主要特

6、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由于管內流動為超聲速，當外界環(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3.1噴管最佳膨脹時的流動圖3.2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

7、態(tài)下提高噴管進口總壓，則出口同時增大，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3.2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ap系列膨脹波；③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