二、高速風(fēng)洞原理一維定常等熵流、正激波關(guān)系.

1、二、 高速風(fēng)洞原理：一維定常等熵流、正激波關(guān)系。,第三章 實驗 裝置,高速風(fēng)洞,跨聲速風(fēng)洞 0.8 5,以一維定常等熵流和正激波理論為理論基礎(chǔ)。,復(fù)習(xí)：一維、無粘、定常連續(xù)流（等熵關(guān)系）,基本方程：,,定常、無粘、絕熱,,一維、變截面、完全氣體,復(fù)習(xí)：一維、無粘、定常連續(xù)流（等熵關(guān)系）,基本方程：,,定常、無粘、絕熱,,一維、變截面、完全氣體,復(fù)習(xí)：一維、無粘、定常連續(xù)流（等熵關(guān)系）,,,連續(xù)：,動量：,面積關(guān)系,,能量：,

2、等熵關(guān)系：,復(fù)習(xí)：一維、無粘、定常連續(xù)流（等熵關(guān)系）,? = 1.4,復(fù)習(xí)：一維、無粘、定常連續(xù)流（等熵關(guān)系）,復(fù)習(xí)：一維定常間斷流（正激波關(guān)系）,,聲波的傳播,復(fù)習(xí)：一維定常間斷流（正激波關(guān)系）,激波的傳播,斜激波,正激波,復(fù)習(xí)：一維定常間斷流（正激波關(guān)系）,,,,,復(fù)習(xí)：正激波關(guān)系,,,,,復(fù)習(xí)：正激波關(guān)系,,,總壓比：,復(fù)習(xí)：正激波關(guān)系,激波前后熱力學(xué)靜參數(shù)：,,,,復(fù)習(xí)：正激波關(guān)系小結(jié)：,激波前后總參數(shù)：,波后馬赫數(shù)：,,復(fù)習(xí)：

3、正激波關(guān)系小結(jié)：,1. 超聲速風(fēng)洞（Supersonic Wind Tunnel）的特點,亞聲速 (M 0超聲速 (M > 1): dA > 0, dv > 0,連續(xù) ＋ 動量,,超聲速風(fēng)洞的特點,超聲速風(fēng)洞特點之一： 需要一個先收縮后擴(kuò)張的噴管（Lavel噴管） 最小截面是聲速截面,推論：超聲速風(fēng)洞試驗段M數(shù)由噴管面積比（AT / A*）唯一確定。 改變試驗段

4、M數(shù)需要改變噴管面積比（換噴管、柔壁 噴管）。,超聲速風(fēng)洞的特點,問題：是否先收縮后擴(kuò)張的噴管都能產(chǎn)生超聲速氣流嗎？回答：否,超聲速風(fēng)洞的特點,超聲速風(fēng)洞特點之二： 噴管前后需要足夠的壓力比，維持超聲速流動。,超聲速風(fēng)洞特點之三： 需要一個倒置的Lavel噴管，作為擴(kuò)張段。,超聲速風(fēng)洞的特點,如果全部按等熵流動計算， 例：AT = 0.2m X 0.2m, MT = 2.0, De = 0.5m

5、 Ae/AT = 4.909, Me=0.09 P0 = Pe(1+0.2Me)3.5 = 1.001atm, （不可能?。?超聲速風(fēng)洞的特點,高速風(fēng)洞,超聲速風(fēng)洞特點之四： 超聲速風(fēng)洞起動過程一定會產(chǎn)生起動激波。,,推論：起動壓比遠(yuǎn)大于運行壓比。,超聲速風(fēng)洞的特點,起動激波前為超聲速氣流，起動激波后亞聲速氣流。只有把起動激波到試驗段下游，風(fēng)洞才能起動。,,超聲速風(fēng)洞的特點

6、,超聲速風(fēng)洞的特點,超聲速風(fēng)洞特點之五： 在低溫下氣流中的水蒸汽會凝結(jié)為水。,推論：超聲速風(fēng)洞中氣流需要干燥。,超聲速風(fēng)洞的特點,小結(jié)：1. 需要一個先收縮后擴(kuò)張的噴管（Lavel噴管）2. 噴管前后需要足夠的壓力比，維持超聲速流動。3. 需要一個倒置的Lavel噴管，作為擴(kuò)張段。4. 超聲速風(fēng)洞啟動過程一定會產(chǎn)生啟動激波。5. 在低溫下氣流中的水蒸汽會凝結(jié)為水。,超聲速風(fēng)洞的特點,2. 超聲速風(fēng)洞主要部件,超聲速風(fēng)洞

7、的型式： 吸氣式（Indraft）、 吹氣式（Blow-Down）、 壓力真空式（Pressure-Vaccum）、 吹引式（Injection）,吹氣暫沖式超聲速風(fēng)洞,壓力真空式超聲速風(fēng)洞,吹引式超聲速風(fēng)洞,AT-1型超聲速風(fēng)洞,3. 超聲速風(fēng)洞的起動和運行過程,（1）噴管內(nèi)的起動過程,,曲線（a）, 曲線（b）:這兩種情況，噴管內(nèi)都是等熵流動。噴管內(nèi)任一截面M 數(shù)和壓力由下式計算

8、,取亞聲速解：,其中Me，Ae為出口氣流M數(shù)和面積。先由出口壓力比Pe/Po計算出口M數(shù)Me，再由面積關(guān)系計算出任一截面M數(shù)，最后由等熵關(guān)系計算出當(dāng)?shù)貕毫。在面積關(guān)系中取亞聲速解。,曲線（c） 當(dāng)背壓Pe進(jìn)一步下降到（c）時，喉道下游部分開始出現(xiàn)超聲速氣流。如果假設(shè)喉道下游管道內(nèi)全部為超聲速等熵流，則喉道下游出口壓力應(yīng)為（f）遠(yuǎn)低于（c），為了滿足出口條件，在噴管下游喉道中要出現(xiàn)一道正激波。正激波前為超聲速

9、等熵流，正激波后為亞聲速等熵流，激波前后出現(xiàn)壓力突躍、M數(shù)突躍。,激波前和激波后為等熵流動。穿過激波按激波關(guān)系計算。激波前后有不同的總壓。,曲線（d） 當(dāng)背壓進(jìn)一步下降，達(dá)到（d）時，正激波也進(jìn)一步向下游移動，激波增強(qiáng)，仍然能滿足邊界條件。激波前后壓力可用下式計算：,激波前和激波后為等熵流動。穿過激波按激波關(guān)系計算。激波前后有不同的總壓。,吹氣式超聲速風(fēng)洞起動過程壓力分布,問題：風(fēng)洞起動后，起動激波應(yīng)位于何處？,

10、擴(kuò)散段出口為一個大氣壓，隨著穩(wěn)定段內(nèi)壓力P0不斷增大，從前面的介紹我們知道，在噴管內(nèi)會產(chǎn)生一道起動激波。當(dāng)這道正激波推出實驗段后，實驗段內(nèi)就建立起超聲速氣流，認(rèn)為起動過程完畢。在起動過程中，認(rèn)為正激波前是等熵流，激波后也是等熵流。因此啟動時穩(wěn)定段內(nèi)需要的最高壓力P01，它對應(yīng)于：,這是正激波位于實驗段時激波前后的總壓比，也是風(fēng)洞啟動時應(yīng)滿足的最小壓比，稱為理想啟動壓比。,不同試驗馬赫數(shù)時對應(yīng)的理想起動壓比：,,,和“特點之二”中，對應(yīng)的

11、壓比相比較：,為什么？,理想起動壓比,特點二（無激波）,噴管起動（有激波、波后等熵）,4. 第二喉道的功能：,（1）啟動時第二喉道應(yīng)滿足的關(guān)系： 流量計算,第二喉道的功能,激波前流量：,激波后流量：,假設(shè)啟動激波在試驗段內(nèi)，第二喉道處為聲速喉道。,?*1 = ?*2 ，T10 = T20 , 有 P10 A*1 =P20 A*2 。 因為 P10 > P20 ，所以 A*1 ?*2

12、，稱為堵塞(chocking)。,如果發(fā)生堵塞，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？,,這時激波前后的流量必須相等，啟動激波會向上游移動，激波強(qiáng)度減弱，P02增大。其結(jié)果試驗段內(nèi)為亞聲速流動，風(fēng)洞不能啟動。 所以，第二喉道面積必須大于某個值。這個第二喉道的最小面積是：,如果用試驗段面積AT表示，有,（2）第二喉道的功能，理想運行壓比,,問題：風(fēng)洞起動后，起動激波應(yīng)位于何處？,當(dāng)啟動激波推出試驗段的瞬間，起動激波應(yīng)在何處？,理想情況是：風(fēng)洞起動

13、以后，減小第二喉道面積，使得A2 = A*1，同時降低P01，這樣風(fēng)洞行時間最長。這種情況稱為理想運行壓比。（事實上是不可能的）實際情況是：風(fēng)洞起動以后，減小第二喉道面積，使得A2 > A*1，同時降低P01，激波位于第二喉道下游不遠(yuǎn)處。,,M<1,,（3）固定第二喉道運行壓比 改變第二喉道，可以增加運行時間，但是很不方便。在馬赫數(shù)不太高的情況，常常不減小第二喉道面積，只降低總壓

14、，使激波位于第二喉道下游不遠(yuǎn)處。此時稱為固定第二喉道運行壓比。,,具體算例：MT = 3, AT = 0.2m X 0.2m.,,步驟：1. 計算啟動時，第二喉道最小面積。,2. 計算激波位于第二喉道時，激波強(qiáng)度。,3. 計算固定第二喉道運行壓比。,理想啟動壓比和固定第二喉道運行壓比比較：,小結(jié)：風(fēng)洞起動、運行時，應(yīng)滿足壓力匹配和流量匹配。風(fēng)洞啟動時一定會產(chǎn)生起動激波。起動激波位于試驗段時，對應(yīng)的壓比叫“理想啟動壓比”。為了滿

15、足流量匹配，第二喉道應(yīng)大于A2 min 。減小第二喉道，使其等于第一喉道面積，降低總壓，使激波位于第二喉道處，對應(yīng)的壓比叫“理想運行壓比”。第二喉道不變，降低總壓，使激波位于第二喉道處，對應(yīng)的壓比叫“固定第二喉道運行壓比”。,,A1*,A2*,P01,P02,問題：1. 為什么一個管道中會出現(xiàn)二個不同的喉道？2. 當(dāng)起動激波在試驗段內(nèi)時，如果減小第二喉道面積，使A2<A2 min , 會發(fā)生什么現(xiàn)象？3.當(dāng)起動激波在試驗

16、段內(nèi)時，如果減小第二喉道面積，使A2<A2 min , 提高總壓，會發(fā)生什么現(xiàn)象？,5 超聲速風(fēng)洞運行參數(shù)計算,A. 試驗段內(nèi)參數(shù)計算 認(rèn)為風(fēng)洞已經(jīng)起動完畢，從穩(wěn)定段到試驗段為等熵流動。穩(wěn)定段內(nèi)速度很低，穩(wěn)定段內(nèi)壓力、溫度、密度近似等于總壓、總溫、總密度。試驗段內(nèi)參數(shù)為：,M數(shù)：,靜壓：,密度：,靜溫：,聲速：,動壓：,流量：,單位Re數(shù)：,(1/m),B. 風(fēng)洞運行時間 風(fēng)洞有兩

17、種運行方式：等動壓運行和等流量運行。,等動壓運行：,q = 常數(shù)， P0 = 常數(shù),優(yōu)點：吹風(fēng)過程中氣動力是常數(shù)； 缺點：吹風(fēng)過程中Re數(shù)不是常數(shù)。,等流量運行：,流量不變，需要P0不變T0不變。,優(yōu)點：氣動力是常數(shù)，Re數(shù)是常數(shù)。,,,,吹氣式等流量運行時間計算：,等溫 n = 1.0 多變 n 等熵 n=1.4,,,儲氣罐內(nèi)壓力從Pi 到 Pf, 穩(wěn)定段內(nèi)總壓P0, 總溫T0不變。儲氣

18、罐內(nèi)氣體質(zhì)量,( 等溫過程取 n = 1.0 ),吹氣式風(fēng)洞等動量運行時間計算：,吸氣式風(fēng)洞運行時間計算：,吸氣式風(fēng)洞總是等流量運行。運行時間由真空罐終止壓力確定。,儲氣罐充氣時間計算：,真空罐抽氣時間計算：,V---罐容積， Q----壓氣機(jī)入口（容積）流量，Pa----入口壓力，Pf---終止壓力， Pi----初始壓力,V---罐容積， K----真空泵抽氣速率，Pf----終止壓力， Pi---初始壓力。,超聲速風(fēng)洞

19、的要點,M數(shù)由噴管面積比確定----滿足面積關(guān)系啟動過程的啟動激波----滿足壓力匹配條件第二喉道的功能-----滿足流量匹配條件空氣的凝結(jié)和干燥,第三章 實驗 裝置,研究跨聲速流動的特點研究跨聲速流動的重要性實現(xiàn)跨聲速風(fēng)洞的困難跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,6 跨聲速風(fēng)洞 (Transonic Wind Tunnel),研究跨聲速流動的特點,研究跨聲速流動的重要性,之所以把跨聲速風(fēng)洞單獨列出來研究，是因為在聲速附近流動十分

20、復(fù)雜，出現(xiàn)了許多特有的現(xiàn)象，是空氣動力學(xué)研究中的一個重要課題。,在理論研究中，跨聲速流動方程屬于“混合型”方程，本身固有的非線形增加了求解跨聲速流動方程的困難。,研究跨聲速流動的重要性,在實驗研究中，由于激波邊界層干擾等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使跨聲速流動圖象十分復(fù)雜?？缏曀賹嶒灁?shù)據(jù)對M數(shù)十分敏感，和雷諾數(shù)關(guān)系也很大?？缏曀賹嶒炛屑纫MM數(shù)，又要模擬較高的雷諾數(shù)。,研究跨聲速流動的重要性,實現(xiàn)跨聲速風(fēng)洞的困難,A. 困難一：高亞聲速時堵塞,不要和

21、第二喉道堵塞混淆！,以上按理想氣體計算，若考慮粘性邊界層影響，情況更嚴(yán)重。即使無模型，來流也達(dá)不到M = 1.0。,實現(xiàn)跨聲速風(fēng)洞的困難,B. 困難二：高亞聲速時洞壁干擾C. 困難三：低超聲速時反射波影響嚴(yán)重,D. 困難四：低超聲速時M數(shù)變化困難,實現(xiàn)跨聲速風(fēng)洞的困難,一個合格的跨聲速風(fēng)洞需要具備：,氣流能連續(xù)地從高亞聲速變化到低超聲速，不發(fā)生堵塞。高亞聲速時能減輕或消除洞壁干擾。低超聲速時能消除或減小反射波的影響。消耗最低的

22、功率，達(dá)到上述效果。,,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,特點：聲速噴管 + 通氣壁,高亞聲速時堵塞的消除,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,高亞聲速時堵塞的消除,在高亞聲速時發(fā)生堵塞是因為在模型和壁面之間形成了聲速截面。一旦發(fā)生堵塞，聲速截面上流量達(dá)到極限，因而限制了上游M數(shù)提高。采用通氣壁以后，多余的流量可以從駐室排走，從而防止了堵塞發(fā)生。防止堵塞所應(yīng)排走的流量，與很多因素有關(guān)，比較復(fù)雜，一般只能通過實驗來確定。,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)

23、特點,連續(xù)變化到低超聲速,連續(xù),動量,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,,連續(xù)變化到低超聲速,固壁噴管: dm = 0,通氣壁: dA = 0,M > 1 時，dA > 0 或 dm 0， 效果相同。,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,低超聲速時反射波影響減輕,減輕高亞聲速時洞壁干擾,跨聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)特點,亞跨音速風(fēng)洞,亞跨音速風(fēng)洞是一座連續(xù)式風(fēng)洞。試驗段截面為0.76m×0.53m,馬赫數(shù)范圍:0.3-1.15。流場均

24、勻，紊流度小，噪聲低。主要進(jìn)行飛行器模型測壓，測力、抖振、顫振、動導(dǎo)、機(jī)彈干擾，鉸鏈力矩，通氣模型試驗等。,（701）,亞跨音速風(fēng)洞,亞跨超音速風(fēng)洞是一座半回流暫沖式風(fēng)洞。馬赫數(shù)從0.4-4.5，試驗段橫截面為0.6m×0.6m的正方形，長1.575m。流場品質(zhì)全部符合標(biāo)準(zhǔn)，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了以計算機(jī)為中心的測控處一體化。主要試驗: ·全模型、半模型測壓、測力試驗；·通氣模型試驗；

25、 ·噴流干擾試驗; ·級間分離和多體干擾試驗; ·馬格努斯效應(yīng)試驗; ·全模型、半模型鉸鏈力矩試驗; ·飛行器動態(tài)和非定常氣動特性試驗;·顫振與抖振試驗; ·模型自由飛試驗; ·流態(tài)及渦跡顯示試驗。,（701）,第三章 實驗 裝置,7 常規(guī)加熱高超聲速風(fēng)洞（Hypersonic Wind Tunnel）,常規(guī)加熱高超聲速風(fēng)洞（

26、Hypersonic Wind Tunnel）,高超聲速流一般指氣流M數(shù)大于5的流動。在飛行M數(shù)大于5以后，氣動加熱已經(jīng)十分顯著，表現(xiàn)出和一般超聲速流不同的現(xiàn)象。因此把馬赫數(shù)大于5的流動劃為高超聲速流。在實驗設(shè)備方面，高超聲速風(fēng)洞中也具有若干不同于超聲速風(fēng)洞的特點。,高超聲速風(fēng)洞的特點,A. 特點一：啟動壓比高 —— 吹吸式、吹引式。,理想起動壓比隨馬赫數(shù)的變化,,吹引式常規(guī)加熱高超聲速風(fēng)洞,高超聲速風(fēng)洞的結(jié)構(gòu),B. 特點二：實驗段

27、靜溫低 —— 需要加熱器,( 總溫按300K計算 ),實驗段氣流靜溫隨馬赫數(shù)的變化,高超聲速風(fēng)洞的特點,C. 特點三：噴管面積比大 —— 軸對稱噴管,噴管面積比隨馬赫數(shù)的變化,高超聲速風(fēng)洞的特點,加熱器,儲熱式加熱器 (Storage Heater) 750K 電加熱卵石床加熱器( Electrically Heated Pebble-Bed Heater) 燃?xì)饧訜崞? Gas-Fired Pebb

28、le-Bed Heater),連續(xù)式加熱器( Continue Heater) 管式電阻加熱器( Resistance Tube Heater) 1000K 絲式電阻加熱器( Resistance Wire Heater) 1400K 石墨加熱器( Graphic Heater) 3000K,加熱器,后果：

29、熱完全氣體效應(yīng) 喉道、模型、天平需冷卻,加熱器,高超聲速風(fēng)洞,高超聲速風(fēng)洞是一座自由射流暫沖式風(fēng)洞。試驗段截面為1.2m×1.4m，長1.8m。洞體分馬赫數(shù)為5-8和10-12兩條線，噴管出口直徑為0.5米。一線為板式加熱器，二線為小球加熱器。流場品質(zhì)好，雷諾數(shù)范圍寬，性能穩(wěn)定，能進(jìn)行連續(xù)10分鐘以上的非常規(guī)試驗。主要進(jìn)行: 飛行器模型氣動力試驗。該風(fēng)洞與亞跨超聲速風(fēng)洞構(gòu)成了馬赫數(shù)范圍為3.5

30、—12的可供各種需要的高超聲速風(fēng)洞群。,（701所）,高超聲速風(fēng)洞,主要進(jìn)行: ·飛行器模型動、靜態(tài)壓力測量; ·飛行器氣動傳熱和涂層沖刷試驗; ·再入體回收氣動特性試驗; ·級間分離模擬試驗; 發(fā)動機(jī)噴流; ·推力矢量控制模擬試驗; ·操縱面鉸鏈力矩特性試驗; ·低溫?zé)g和粒子侵蝕模擬試驗; ·邊界層轉(zhuǎn)捩、激波邊界層干擾研究;