高速一維管流

簡介

氣體在管道中的高速流動。這時氣流的密度隨流速的變化有明顯的變化，並且假設流動參數（流速、密度、壓強和溫度等）在同一個截面上保持不變。對定常流，這些參數都只是沿管軸線的一個坐標的函式。定常空間流場中，細小流管內的流動也是一維管流。因而用高速一維管流理論導出的流動參數隨速度的變化公式，也經常可以套用到飛行器的空間繞流場中去。

基本介紹

• 中文名：高速一維管流
• 外文名：A vascular flow at a high speed
• 類別：空氣動力學
• 屬性：流體

流動參數的變化

高速氣流的速度發生變化時，除壓強和密度變化外，溫度和熱量也同時發生變化。對於絕熱的流動過程，可以根據熱力學第一定律和動量定理推導出溫度T、壓強P和密度ρ隨氣流馬赫數M的變化關係。如果以氣流速度為零時的總參數T0、P0和ρ0為參考，則可推導出比熱為常數的完全氣體的等熵流動；這些關係可用圖1 的曲線表示。因為凡絕熱又等熵的流動過程，總溫T0、總壓P0和總密度ρ0都是不變的,因而隨著速度的增加，壓強、密度和溫度都減小。但隨著壓強的減小，氣流速度的增加卻有一極限，即最大氣流速度。對於空氣，它只是臨界音速（即氣流速度與當地音速相等的截面處的音速）倍。當速度增加到極限值時,氣流膨脹到密度為零的真空狀態。一維管流中也可能存在摩擦或激波，這時熵值在通過激波時有所增加，總壓下降。因此氣流通過激波之後，總參數也相應有所改變。 高速一維管流

高速一維管流（圖1）

拉瓦爾噴管

沿一維管道，流速V和截面積A之間存在下列微分關係式：如果截面積變窄,dA/A<0，則當M<1時,必有dV/V>0，氣流加速；而當M>1,必有dV/V<0，氣流減速。截面增大的作用與此相反。要想使氣流從低速一路加速，達到某個超音速值，除上下游要有必需的壓強差之外，管道必須做成先收縮後擴張的形狀。這樣形狀的管道稱為拉瓦爾噴管。它是瑞典工程師C.G.拉瓦爾於1883年註冊專利的。

在上下游足夠大的壓強比之下，拉瓦爾噴管中的氣流先在收縮段中作亞音速加速，在最小截面上達到音速，以後在擴張段中作超音速加速。氣流正好達到音速(M=1)的截面稱為臨界截面。其截面積用A∗表示。各截面上的馬赫數M由面積比A/A∗>決定（圖2）。噴管中流過的流量可以按流過臨界截面的流量計算,並且只取決於P0、T0和臨界截面積A∗。

高速一維管流

壅塞

高速管流一旦在最小截面上建立了音速，流量就只決定於上游的貯氣箱內的P0和T0,下游的反壓(指管道出口處的環境壓強) 再低也不能增大流量。這與低速管流不同，低速時降低反壓就能使流量增大。高速流一旦出現音速截面，流量便受到限制，這種現象稱為壅塞。壅塞在實用上很重要，例如噴氣飛機的進氣道口徑是按巡航速度設計的，巡航時有一定的飛行馬赫數，來流的總壓(從固定的飛機上的相對坐標繫上看)比大氣壓高得多,通過進氣道入口截面(亞音速飛機的進氣道入口截面最小)吸入發動機的流量是足夠的。起飛時M≈0，來流的總壓幾乎等於大氣壓，發動機充分吸入空氣，進氣道的反壓下降甚劇，入口截面上的氣流可以達到音速，當達到音速時反壓再低流量已不再增大，於是便出現壅塞現象。如果流量不能滿足發動機的要求，則必須在進氣道的前端側壁上加開一些可開可閉的輔助進氣孔口。起飛時打開這些孔口以增大流量，巡航時閉上這些孔口。超音速飛機採用內壓式進氣道時也存在壅塞問題。

高速一維管流（圖2）