拉瓦尔喷管中的滞止状态
lyhhjahj2021/12/25喷气推进 IP:江西
中文摘要
热力学关系式可用于描述火箭发动机喷管和燃烧室内部的工作过程,是计算火箭性能的重要指标。

今天是圣诞节,首先祝大家圣诞节快乐。本章将面对初级爱好者介绍一些对于拉瓦尔喷管中一种特殊的情况——滞止状态,以便对许多发动机参数进行确定。

首先,我们要确定的一点是,大多数理论都运用于理想的发动机状况,所以我们应该先了解在火箭发动机中,理想情况(注意理想与最佳的区别)到底是什么:

  1. 火箭推进剂燃烧后的产物所有成分都是气态的

  2. 燃烧产物符合完全气体定律

  3. 流体流动是绝热的,即不会与内壁发生热传递

  4. 不产生激波

  5. 大多数指标(如质量流量,推力大小)恒定不变

一:关系式概论

  这个概论主要用于后面理论分析的基本关系,但是所有的必须使用国际单位,否则有些需要用引入另一常数计算。

   1:m1=m2=m0=Avρ

      A:所选横截面积

      v:此处气体流动速度

      ρ:气体密度

       其中m1和m2和m0都是质量流量根据质量守恒定律可推出,在喷管内部的任何一个部位,质量流量一定。

    2:T1/T2=(p1/p2(k-1)/k=(ρ2/ρ1)(k-1)k

       k:燃气比热比

       T:燃气温度

       ρ:气体密度

       在理想喷管中,流动的熵为零,在这种等熵流动过程中,任意两个截面1和2(即式中下标)的温度比等于两压强之比的(k-1)/k次幂,等于两处气体密度之比倒数的(k-1)次幂。

     3:h1-h2=(v12-v22)/2

        h:滞止焓

        v:气体流动速度

     4: h0=h+v2/2=const 

         h0:总焓

         h:单位质量的滞止焓

          v:气体流动速度

         焓就是比定压热容和温度的积,即h=cpT

 二:滞止状态下的能量变换

   先给一个定义,当流动以等熵过程停止时,得到的状态就是滞止状态

    1:温度变化

       什么意思呢,在一个拉瓦尔喷管中,我们的任务就是将燃烧生成的热能转化为机械能,由上述式3可得,v12-v22=2(h1-h2),v12=2(h1-h2)+v22,v1=√2(h1-h2)+v22 ,在理想喷管中此式可以适用于任何地方,而假如v2是喷管头部流速,就可以忽略不计,而由于气流受阻,v1就会大幅度下降,再由式4可知气流速度减小,滞止焓增加。这就会导致h1-h2的值非常小,即h2接近h1,所以cp1T1接近cp2T2,而在一般情况下比定压热容是不变的,即cp1=cp2,所以此时T1就回接近T2,而再从式2可得,燃烧室头部温度非常高,这时滞止状态下温度会升高到接近原温度。

        2.压强变化

         滞止状态下,温度大幅度升高,T1/T2逐渐接近于1,所以p1/p2就回接近1,即压强也会回复到最初状态

 三:滞止状态的危害

        根据热量守恒定律,在燃烧室内部,温度与压强基本不变,而在喉部和扩张段,温度下降是非常显著的,在没有热传递的情况下,扩张段出口温度下降1000摄氏度都是比较正常的,所以在扩张段分段喷管中越靠近外部的材料熔点越低,而遇到滞止状态时,温度回升,压强增大,就会对这一段造成破坏,影响使用寿命,导致严重的欠膨胀甚至炸机。同时出口处的压强比也会降低,影响有效喷气速度。

四:如何预防出现滞止状态

      一开始就提出过,滞止状态是由于流动以等熵状态停止而导致,简单来说就是在没有热传递的情况下速度显著降低,可以理解为气流被挡住了,所以加工的时候造成的不小心破坏,铁水附着,都会产生这种状况,这就是火箭发射前都要进行X光探伤的原因,经常看见有人自己加工喷管,这样很可能会产生滞止状态,喉部又是非常难以加工的部位,所以在加工过程中要尽量保持壁面光滑。这里提供2个方案:

1:使用模具浇铸而成

2:条件不允许的话尽量在加工完成后最好打磨一下。

希望对大家有一些帮助


来自:航空航天 / 喷气推进
4
4
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
JoeyBoy
2年3个月前 IP:浙江
900008

新人牛逼啊

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
lyhhjahj作者
2年3个月前 IP:江西
900016
引用JoeyBoy发表于1楼的内容
新人牛逼啊

只是普通爱好者而已,还请各位前辈指导

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
lyhhjahj作者
2年3个月前 IP:江西
900024

我也是翻了点资料来写的

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
杂工1544
2年3个月前 修改于 2年3个月前 IP:山东
900212

拿SolidWorks Flow Simulation简单的仿了一下,生成了几张结果图。

正常的喷管:

光滑表面-静压.bmp 光滑表面-速度.bmp 光滑表面-温度.bmp

喷管内壁上有杂物: 有杂物-温度.bmp 有杂物-速度.bmp 表面图有杂物 温度.bmp

由此可见,喷管扩张段表面的粗糙或杂物可能会导致周围气体温度显著高于没有杂物时的状态,对于固机这可能不是一个大问题(当然会有比冲损失之类的),但是对于依赖于再生冷却或者辐射冷却的液机,那么这杂物将导致附近热流密度急剧升高,并很容易导致冷却失效,扩张段烧穿,造成灾难性后果。

引用
评论(5)
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
所属分类
上级专业
同级专业
lyhhjahj
进士 机友
文章
15
回复
195
学术分
0
2021/11/28注册,1年7个月前活动

潜水学习中

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:江西
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}