高速风洞

二、高速风洞原理：一维定常等熵流、正激波关系。第三章实验装置高速风洞跨声速风洞0.8M1.3超声速风洞1.4M5常规高超声速风洞M5以一维定常等熵流和正激波理论为理论基础。复习：一维、无粘、定常连续流（等熵关系）QTkVFVpDtVeDFVVpDtVDVt22213110基本方程：021102pVeVpVVV定常、无粘、绝热一维、变截面、完全气体000VdVdhdpVdVVAdpehVtDtD复习：一维、无粘、定常连续流（等熵关系）QTkVFVpVeVtVeFVVpVVtVVt22221213110基本方程：021102pVeVpVVV定常、无粘、绝热一维、变截面、完全气体000VdVdhdpVdVVAdpehVtDtD复习：一维、无粘、定常连续流（等熵关系）VdVMddpVdVAdAVdVdVAd2100)(121221112112MdAdVAMAVAM连续：动量：面积关系02210TcVTcVdVdhpp1120120211211MMpp2200211MaaTT能量：等熵关系：复习：一维、无粘、定常连续流（等熵关系）=1.45.2205.3202200322.012.012.012.12.011MMppMaaTTMMAA面积关系：等熵关系：复习：一维、无粘、定常连续流（等熵关系）复习：一维定常间断流（正激波关系）VaVa声波的传播V=a复习：一维定常间断流（正激波关系）激波的传播M1斜激波突然加速缓慢加速正激波复习：一维定常间断流（正激波关系）M11,P1M21,P2连续2211vv动量22222111vpvpppcvTcvT22222211能量0201TT21221221211211MMTTT211221vv2221122111MMppp22pMv1212121212211212TTMMppvvppppTT21221221211211MMTTT22212112211211MMMMpp2121212MMppTT2221122111MMppp11212212122MMM复习：正激波关系2221122111MMppp21221221211211MMTTT211221vv11212212122MMM112211221Mppp21211221121MM2122121122111212MMMTTT复习：正激波关系12112221011122020102211211112MMMpppppppp11212212122MMM1212111210102211121MMMpp总压比：复习：正激波关系激波前后热力学静参数：1122121Mp212121121MM21221212111212MMMT61721M562121MM21212136517MMM4.1复习：正激波关系小结：1212111210102211121MMMpp激波前后总参数：波后马赫数：1221212122MMM1752121MM5.2215.3212117656MMM4.1＝复习：正激波关系小结：1.超声速风洞（SupersonicWindTunnel）的特点亚声速(M1):dA0,dv0超声速(M1):dA0,dv0vdvMAdA12连续＋动量A*M1M1超声速风洞的特点超声速风洞特点之一：需要一个先收缩后扩张的喷管（Lavel喷管）最小截面是声速截面推论：超声速风洞试验段M数由喷管面积比（AT/A*）唯一确定。改变试验段M数需要改变喷管面积比（换喷管、柔壁喷管）。5.3202.01Mpp322.12.011MMAA超声速解亚声速解超声速风洞的特点问题：是否先收缩后扩张的喷管都能产生超声速气流吗？回答：否P0PA*A/A*1.0Mp/p0超声速风洞的特点MT1.52.03.04.05.0P0/P3.677.8236.9152529超声速风洞特点之二：喷管前后需要足够的压力比，维持超声速流动。超声速风洞特点之三：需要一个倒置的Lavel喷管，作为扩张段。超声速风洞的特点A1*A2*Ae如果全部按等熵流动计算，例：AT=0.2mX0.2m,MT=2.0,De=0.5mAe/AT=4.909,Me=0.09P0=Pe(1+0.2Me)3.5=1.001atm,（不可能！）A1*A2*Ae超声速风洞的特点高速风洞超声速风洞特点之四：超声速风洞起动过程一定会产生起动激波。推论：起动压比远大于运行压比。A1*A2*Ae超声速风洞的特点起动激波前为超声速气流，起动激波后亚声速气流。只有把起动激波到试验段下游，风洞才能起动。A1*A2*Ae超声速风洞的特点M1.52.03.04.05.0T(K)20716910771.450(℃)-66-106-166-201-203KTMTT3002.01020超声速风洞的特点超声速风洞特点之五：在低温下气流中的水蒸汽会凝结为水。推论：超声速风洞中气流需要干燥。超声速风洞的特点小结：1.需要一个先收缩后扩张的喷管（Lavel喷管）2.喷管前后需要足够的压力比，维持超声速流动。3.需要一个倒置的Lavel喷管，作为扩张段。4.超声速风洞启动过程一定会产生启动激波。5.在低温下气流中的水蒸汽会凝结为水。超声速风洞的特点2.超声速风洞主要部件超声速风洞的型式：吸气式（Indraft）、吹气式（Blow-Down）、压力真空式（Pressure-Vaccum）、吹引式（Injection）吹气暂冲式超声速风洞压力真空式超声速风洞吹引式超声速风洞AT-1型超声速风洞3.超声速风洞的起动和运行过程（1）喷管内的起动过程吹气式吸气式曲线（a）,曲线（b）:这两种情况，喷管内都是等熵流动。喷管内任一截面M数和压力由下式计算,取亚声速解：120211eeMpp12122211211eeeMMMMAA120211Mpp其中Me，Ae为出口气流M数和面积。先由出口压力比Pe/Po计算出口M数Me，再由面积关系计算出任一截面M数，最后由等熵关系计算出当地压力P。在面积关系中取亚声速解。ab曲线（c）当背压Pe进一步下降到（c）时，喉道下游部分开始出现超声速气流。如果假设喉道下游管道内全部为超声速等熵流，则喉道下游出口压力应为（f）远低于（c），为了满足出口条件，在喷管下游喉道中要出现一道正激波。正激波前为超声速等熵流，正激波后为亚声速等熵流，激波前后出现压力突跃、M数突跃。bcf1122121Mpp•激波前和激波后为等熵流动。•穿过激波按激波关系计算。•激波前后有不同的总压。bcdf曲线（d）当背压进一步下降，达到（d）时，正激波也进一步向下游移动，激波增强，仍然能满足边界条件。激波前后压力可用下式计算：1122121Mpp•激波前和激波后为等熵流动。•穿过激波按激波关系计算。•激波前后有不同的总压。吹气式超声速风洞起动过程压力分布问题：风洞起动后，起动激波应位于何处？扩散段出口为一个大气压，随着稳定段内压力P0不断增大，从前面的介绍我们知道，在喷管内会产生一道起动激波。当这道正激波推出实验段后，实验段内就建立起超声速气流，认为起动过程完毕。在起动过程中，认为正激波前是等熵流，激波后也是等熵流。因此启动时稳定段内需要的最高压力P01，它对应于：1221120201121112TTTMMMPP这是正激波位于实验段时激波前后的总压比，也是风洞启动时应满足的最小压比，称为理想启动压比。不同试验马赫数时对应的理想起动压比：MT1.52.03.04.05.01.0751.3873.0457.20716.26MT1.52.03.04.05.0P0/P3.677.8236.9152529和“特点之二”中，对应的压比相比较：为什么？P01P=1atm理想起动压比P0P=1atmPe=1atm特点二（无激波）喷管起动（有激波、波后等熵）4.第二喉道的功能：A1*A2*P01P02（1）启动时第二喉道应满足的关系：流量计算ATpRATpRATpRARTRTpAVVA001211210012120.0404第二喉道的功能*1010121121*1*1*1*112ATpRA*2020221121*2*2*2*212ATpRA激波前流量：激波后流量：假设启动激波在试验段内，第二喉道处为声速喉道。*1=*2，T10=T20,有P10A*1=P20A*2。因为P10P20，所以A*1A*2就是说，如果第二喉道面积A2A*2,有*1*2，称为堵塞(chocking)。如果发生堵塞，会产生什么现象？这时激波前后的流量必须相等，启动激波会向上游移动，激波强度减弱，P02增大。其结果试验段内为亚声速流动，风洞不能启动。所以，第二喉道面积必须大于某个值。这个第二喉道的最小面积是：min22*10201min2,AAAppAT5.025.2265.3225.2232min2*1*1min2517216561762.12.011TTTTTTTTTTMMMMMMMMAAAAAA如果用试验段面积AT表示，有MT2.03.04.05.0A2minA*11.393.57.2016.2A2minAT0.8220.7190.6720.648（2）第二喉道的功能，理想运行压比问题：风洞起动后，起动激波应位于何处？A1*A2*P01P02p0对应风洞理想起动压比，激波位于实验段内。此时激波前是超声速气流，激波后是亚声速气流。为了使实验段内全部是超声速气流，需要略提高总压，把激波推出实验段。当启动激波推出试验段的瞬间，起动激波应在何处？•第二喉道下游某处，A=AT的位置（压力匹配）。•这时总压P01较大（等于多少？），为了增加运行时间，可以降低P01（降低P01激波会如何变化？）p0•理想情况是：风洞起动以后，减小第二喉道面积，使得A2=A*1