特种设备原理一维非定常等熵流、运动激波关系J课件

三、特种设备原理：一维非定常等熵流、运动激波关系。J.Lukasiewicz:《ExperimentalMethodsofHypersonics》第三章实验装置三、特种设备第三章实验装置1特种高超声速设备管式炮风洞长射风洞Stalker管（风洞）激波管（风洞）活塞驱动器管风洞膨胀管（风洞）压缩管靶式弹道靶火箭车组合式逆流靶激波管+弹道靶原理：以一维非定常流为理论基础特种高超声速设备管式炮风洞激波管（风洞）靶式弹道靶组合式逆流2复习：一维非定常连续流（等熵流）连续：动量：特征线关系：复习：一维非定常连续流（等熵流）连续：动量：特征线3简单波dx/dt=u+a是右行波，气流从右方进入波面。

dx/dt=u-a是左行波，气流从左方进入波面。右行波也可能向左运动，左行波也可能向右运动。压缩波波后压力增加，密度增加。稀疏波波后压力减少，密度减少。左行波右行波压缩波稀疏波复习：一维非定常连续流（等熵流）简单波dx/dt=u+a是右行波，气流从右方进入波面。左4xtdx/dt=u+adx/dt=u-a物理平面x-t图xtdx/dt=u+adx/dt=u-a物理平面5xtdx/dt=u+axtdx/dt=u+axtdx/dt=u+axtdx/dt=u+au=0u>0u<0,u+a>0u<0,u+a<0右行波和左行波xtdx/dt=u+axtdx/dt=u+axtdx/dt=6压缩波和稀疏波右行压缩波波后，增加,p增加,u增加。稀疏波波后，减小,p减小,u减小。左行压缩波波后，增加,p增加,u减小。稀疏波波后，减小,p减小,u增加。压缩波和稀疏波右行压缩波波后，增加,p增加,7小扰动波（声波）速度dx/dt=a，大扰动波速度dx/dt=u+a右行压缩波波后速度增加，稀疏波波后速度减小。左行压缩波波后速度减小，稀疏波波后速度增加。波系的追赶小扰动波（声波）速度dx/dt=a，波系的追赶8波系的追赶以右行波为例：xtdx/dt=u+a右行压缩波波面会聚xtdx/dt=u+a右行稀疏波波面发散压缩波波面会聚，稀疏波波面发散。压缩波波面会聚，交叉后会发生什么？波系的追赶以右行波为例：xtdx/dt=u+a右行压缩波波面9活塞慢慢加速活塞突然运动活塞慢慢加速活塞突然运动10复习：一维非定常间断流（运动激波）Ws+u1u1u2v1=Wsv2=Ws+(u1-u2)v1=Wsv2=Ws-(u1-u2)Ws-

u1u2u1右行左行实验室坐标运动坐标复习：一维非定常间断流（运动激波）Ws+u1u1u2v111Ws是激波相对气流的速度，运动激波马赫数定义为：复习：一维非定常间断流（运动激波）Ws是激波相对气流的速度，复习：一维非定常间断流（运动激波）12坐标变换前后热力学静参数不变。

波后气流速度：正号（右行激波）负号（左行激波）复习：一维非定常间断流（运动激波）坐标变换前后热力学静参数不变。波后气流速度：正号（右行激13激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)低压段高压段(5)(4)(1)xt(2)(3)放映动画激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunn14求解激波管问题：已知（1）、（4）区参数（1）-（2）：激波关系

（4）-（3）：左行稀疏波关系（2）-（3）：接触面相容关系激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)求解激波管问题：已知（1）、（4）区参数激波管（风洞）

Sh15Ms-P41 :2区参数：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)Ms-P41 :2区参数：激波管（风洞）

ShockTub163区参数：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)3区参数：激波管（风洞）

ShockTube(Shock17空气驱动空气，初始温度为室温激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)空气驱动空气，初始温度为室温激波管（风洞）

ShockTu185区参数：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)5区参数：激波管（风洞）

ShockTube(Shock19真空罐实验段喷管低压段高压段(5)(3)(4)(2)(1)xt激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)真空罐实验段喷管低压段高压段(5)(3)(4)(2)(1)x20反射型激波风洞试验段参数计算：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)反射型激波风洞试验段参数计算：激波管（风洞）

ShockT21炮风洞（GunTunnel）轻活塞，几克--几十克优点：试验时间长，驱动气体和被驱动气体隔开。炮风洞（GunTunnel）轻活塞，几克--几十克22活塞式暂冲风洞:

平衡活塞式,长射自由活塞式超高速活塞式炮风洞主要进行超高速飞行器模型测压、测力、气动传热、模型自由飞动导试验、级间分离、冷热喷流模拟试验、发动机点火、激波干扰、流动显示等试验。主要性能:马赫数喷管出口直径(m)驱动气体驱动气体压力(MPa)试验气体To(K)Po

(MPa)Remax

(1/m)t

(ms)FD-208,12,15Φ0.4-0.5空气、氮气6-100空气、氮气900-15003-753×10715-30

FD-2215,20,25Φ0.42-0.5氮气100氮气1500-30004003×10720-40701所活塞式暂冲风洞:

平衡活塞式,长射自由活塞式超高速活塞式炮风23长射风洞（Long-ShotTunnel）

重活塞,高Re数。VKF长射风洞，N2，M=27，t=40ms，M=15,T0=2000K,Re/L=2x108/m,M=20,T0=2400K,Re/L=2x108/m60m270m

单向阀活塞长射风洞（Long-ShotTunnel）重活塞,高R24Stalker管（风洞）重活塞，压缩管内非定常等熵压缩，低压段内非定常激波压缩。高温、高压。（高焓、高Re数）膜膜活塞储气罐压缩管低压段膜Stalker管（风洞）重活塞，压缩管内非定常等熵压缩，膜膜25管风洞(TubeTunnel)管风洞的概念最初是由德国Ludwieg教授提出来的，这是一个利用非定常等熵膨胀产生高速气流的设备。它和激波风洞、炮风洞的不同之处是，管风洞利用稀疏波非定常等熵膨胀（而不是通过非定常压缩）,再经过喷管作定常等熵膨胀产生实验气流。管风洞(TubeTunnel)管风洞的概念最初是由德国L26管风洞(TubeTunnel)管风洞(TubeTunnel)27它由压力管、喷管、实验段和阀门（或膜片）组成，它利用了类似激波管的3区气流。管风洞的特点:管风洞的压力管很长（达数十米），风洞实验时间可长达秒的量级。管风洞(TubeTunnel)它由压力管、喷管、实验段和阀门（或膜片）组成，它利用了类似激28经过非定常膨胀得到的气流污染少，可以达到空气动力学研究中的理想洁净程度。现在，管风洞研究中的一个发展趋势是，采用声速喷管和通气壁构成一个跨声速风洞。这是获得高Re数跨声速流动的一种重要方法。管风洞(TubeTunnel)经过非定常膨胀得到的气流污染少，可以达到空气动力学研究中的理29弹道靶（BallisticRange）压缩管活塞弹丸发射管火药室弹道靶（BallisticRange）压缩管活塞弹丸发射管30高超声速设备中产生相对速度的方法高超声速设备中产生相对速度的方法31高超声速试验设备的基本构成高超声速试验设备的基本构成32高超声速试验设备的基本构成高超声速试验设备的基本构成33各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较(1)

若达到同样的压力比,看温度比情况(Ms)=1.4p21激波压缩等熵压缩T激波/T等熵310.32.671.751.37418.54.052.301.76641.87.942.902.92结论:激波压缩有利于提高温度(做高焓实验)各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较(1)若达到同34各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较MsT21激波等熵Re等熵/Re激波=1.432.6710.32.22a131.473.18a14.3644.0518.53.12a1133.335.06a111.6667.9441.84.86a11410.869.09a163.09(2)若达到同样的温度,看压力、速度情况结论:等熵压缩有利于提高压力和速度(提高Re数)各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较MsT21激波等35各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度比较定常等熵非定常等熵（左行波）相同条件（da）下，速度增加是各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度36各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度比较相同条件（da）下，M>1:(du)非>(du)定超声速时非定常膨胀有利提高速度；M<1:(du)非>(du)定亚声速时定常膨胀有利提高速度；各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度37各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度比较所有的风洞喷管-------定常等熵膨胀管风洞-------亚声速非定常等熵膨胀,超声速定常等熵膨胀膨胀管、压缩管------非定常等熵膨胀（压缩）各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度38各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)气流凝结问题假设:p0=5kg/cm3,T0=300K,N2,a0=350m/sec气流膨胀到M=5定常膨胀各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)气流凝结39各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)气流凝结问题非定常膨胀N2液化条件定常：T=50K对应pu=4.7mmHg<7.0mmHg,或者说，p=7.0mmHg对应凝结温度T=51.4K>50K.凝结非定常：T=75K对应pu=580mmHg>28.7mmHg，或者说，

p=28.7mmHg对应凝结温度T=57.1K<75K.不凝结非定常过程不易发生凝结。各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)气流凝结40各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)总焓比较定常膨胀总焓不变

非定常膨胀：初始(u=0)总焓为Hi,当地总焓为H=h+1/2u各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)总焓比较41各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)总焓比较理论上说，利用非定常等熵膨胀可以获得更高性能的高超声速实验设备。各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)总焓比较42水槽水洞烟风洞低速风洞低速风洞跨声速风洞超声速风洞常规加热高超声速风洞高速风洞特种高速设备流体力学常用设备特殊专用设备水水烟风低速低速风洞跨声速风洞超声速风洞常规加热高超声速风洞43风洞实验的发展趋势Re数模拟——高Re风洞增加L,全尺寸风洞增加，压力风洞减少，降低T,低温风洞高Re风洞风洞实验的发展趋势Re数模拟——高Re风洞增加L,增加，44ReqNT降低温度的优点风洞实验的发展趋势ReqNT降低温度的优点风洞实验的发展趋势45洞壁干扰——自适应风洞扫描阀A/D计算机新型线控制台模型传感器轴动筒柔壁固壁风洞实验的发展趋势洞壁干扰——自适应风洞扫描阀A/D计算机新型线控制台模型传感46支架干扰——磁悬浮天平风洞实验的发展趋势支架干扰——磁悬浮天平风洞实验的发展趋势47第三章要点低速风洞：一维定常不可压缩管流，扩压段的功能，风扇的作用，能量比。高速风洞：一维定常等熵流和正激波，超声速风洞的起动过程，第二喉道的作用，实现跨声速风洞的困难和跨声速风洞的特点，高超声速风洞的特点。特种设备：一维非定常连续流和简单波，运动激波，激波管和激波风洞运行原理。第三章要点低速风洞：一维定常不可压缩管流，扩压段的功能，48三、特种设备原理：一维非定常等熵流、运动激波关系。J.Lukasiewicz:《ExperimentalMethodsofHypersonics》第三章实验装置三、特种设备第三章实验装置49特种高超声速设备管式炮风洞长射风洞Stalker管（风洞）激波管（风洞）活塞驱动器管风洞膨胀管（风洞）压缩管靶式弹道靶火箭车组合式逆流靶激波管+弹道靶原理：以一维非定常流为理论基础特种高超声速设备管式炮风洞激波管（风洞）靶式弹道靶组合式逆流50复习：一维非定常连续流（等熵流）连续：动量：特征线关系：复习：一维非定常连续流（等熵流）连续：动量：特征线51简单波dx/dt=u+a是右行波，气流从右方进入波面。

dx/dt=u-a是左行波，气流从左方进入波面。右行波也可能向左运动，左行波也可能向右运动。压缩波波后压力增加，密度增加。稀疏波波后压力减少，密度减少。左行波右行波压缩波稀疏波复习：一维非定常连续流（等熵流）简单波dx/dt=u+a是右行波，气流从右方进入波面。左52xtdx/dt=u+adx/dt=u-a物理平面x-t图xtdx/dt=u+adx/dt=u-a物理平面53xtdx/dt=u+axtdx/dt=u+axtdx/dt=u+axtdx/dt=u+au=0u>0u<0,u+a>0u<0,u+a<0右行波和左行波xtdx/dt=u+axtdx/dt=u+axtdx/dt=54压缩波和稀疏波右行压缩波波后，增加,p增加,u增加。稀疏波波后，减小,p减小,u减小。左行压缩波波后，增加,p增加,u减小。稀疏波波后，减小,p减小,u增加。压缩波和稀疏波右行压缩波波后，增加,p增加,55小扰动波（声波）速度dx/dt=a，大扰动波速度dx/dt=u+a右行压缩波波后速度增加，稀疏波波后速度减小。左行压缩波波后速度减小，稀疏波波后速度增加。波系的追赶小扰动波（声波）速度dx/dt=a，波系的追赶56波系的追赶以右行波为例：xtdx/dt=u+a右行压缩波波面会聚xtdx/dt=u+a右行稀疏波波面发散压缩波波面会聚，稀疏波波面发散。压缩波波面会聚，交叉后会发生什么？波系的追赶以右行波为例：xtdx/dt=u+a右行压缩波波面57活塞慢慢加速活塞突然运动活塞慢慢加速活塞突然运动58复习：一维非定常间断流（运动激波）Ws+u1u1u2v1=Wsv2=Ws+(u1-u2)v1=Wsv2=Ws-(u1-u2)Ws-

u1u2u1右行左行实验室坐标运动坐标复习：一维非定常间断流（运动激波）Ws+u1u1u2v159Ws是激波相对气流的速度，运动激波马赫数定义为：复习：一维非定常间断流（运动激波）Ws是激波相对气流的速度，复习：一维非定常间断流（运动激波）60坐标变换前后热力学静参数不变。

波后气流速度：正号（右行激波）负号（左行激波）复习：一维非定常间断流（运动激波）坐标变换前后热力学静参数不变。波后气流速度：正号（右行激61激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)低压段高压段(5)(4)(1)xt(2)(3)放映动画激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunn62求解激波管问题：已知（1）、（4）区参数（1）-（2）：激波关系

（4）-（3）：左行稀疏波关系（2）-（3）：接触面相容关系激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)求解激波管问题：已知（1）、（4）区参数激波管（风洞）

Sh63Ms-P41 :2区参数：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)Ms-P41 :2区参数：激波管（风洞）

ShockTub643区参数：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)3区参数：激波管（风洞）

ShockTube(Shock65空气驱动空气，初始温度为室温激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)空气驱动空气，初始温度为室温激波管（风洞）

ShockTu665区参数：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)5区参数：激波管（风洞）

ShockTube(Shock67真空罐实验段喷管低压段高压段(5)(3)(4)(2)(1)xt激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)真空罐实验段喷管低压段高压段(5)(3)(4)(2)(1)x68反射型激波风洞试验段参数计算：激波管（风洞）

ShockTube(ShockTunnel)反射型激波风洞试验段参数计算：激波管（风洞）

ShockT69炮风洞（GunTunnel）轻活塞，几克--几十克优点：试验时间长，驱动气体和被驱动气体隔开。炮风洞（GunTunnel）轻活塞，几克--几十克70活塞式暂冲风洞:

平衡活塞式,长射自由活塞式超高速活塞式炮风洞主要进行超高速飞行器模型测压、测力、气动传热、模型自由飞动导试验、级间分离、冷热喷流模拟试验、发动机点火、激波干扰、流动显示等试验。主要性能:马赫数喷管出口直径(m)驱动气体驱动气体压力(MPa)试验气体To(K)Po

(MPa)Remax

(1/m)t

(ms)FD-208,12,15Φ0.4-0.5空气、氮气6-100空气、氮气900-15003-753×10715-30

FD-2215,20,25Φ0.42-0.5氮气100氮气1500-30004003×10720-40701所活塞式暂冲风洞:

平衡活塞式,长射自由活塞式超高速活塞式炮风71长射风洞（Long-ShotTunnel）

重活塞,高Re数。VKF长射风洞，N2，M=27，t=40ms，M=15,T0=2000K,Re/L=2x108/m,M=20,T0=2400K,Re/L=2x108/m60m270m

单向阀活塞长射风洞（Long-ShotTunnel）重活塞,高R72Stalker管（风洞）重活塞，压缩管内非定常等熵压缩，低压段内非定常激波压缩。高温、高压。（高焓、高Re数）膜膜活塞储气罐压缩管低压段膜Stalker管（风洞）重活塞，压缩管内非定常等熵压缩，膜膜73管风洞(TubeTunnel)管风洞的概念最初是由德国Ludwieg教授提出来的，这是一个利用非定常等熵膨胀产生高速气流的设备。它和激波风洞、炮风洞的不同之处是，管风洞利用稀疏波非定常等熵膨胀（而不是通过非定常压缩）,再经过喷管作定常等熵膨胀产生实验气流。管风洞(TubeTunnel)管风洞的概念最初是由德国L74管风洞(TubeTunnel)管风洞(TubeTunnel)75它由压力管、喷管、实验段和阀门（或膜片）组成，它利用了类似激波管的3区气流。管风洞的特点:管风洞的压力管很长（达数十米），风洞实验时间可长达秒的量级。管风洞(TubeTunnel)它由压力管、喷管、实验段和阀门（或膜片）组成，它利用了类似激76经过非定常膨胀得到的气流污染少，可以达到空气动力学研究中的理想洁净程度。现在，管风洞研究中的一个发展趋势是，采用声速喷管和通气壁构成一个跨声速风洞。这是获得高Re数跨声速流动的一种重要方法。管风洞(TubeTunnel)经过非定常膨胀得到的气流污染少，可以达到空气动力学研究中的理77弹道靶（BallisticRange）压缩管活塞弹丸发射管火药室弹道靶（BallisticRange）压缩管活塞弹丸发射管78高超声速设备中产生相对速度的方法高超声速设备中产生相对速度的方法79高超声速试验设备的基本构成高超声速试验设备的基本构成80高超声速试验设备的基本构成高超声速试验设备的基本构成81各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较(1)

若达到同样的压力比,看温度比情况(Ms)=1.4p21激波压缩等熵压缩T激波/T等熵310.32.671.751.37418.54.052.301.76641.87.942.902.92结论:激波压缩有利于提高温度(做高焓实验)各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较(1)若达到同82各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较MsT21激波等熵Re等熵/Re激波=1.432.6710.32.22a131.473.18a14.3644.0518.53.12a1133.335.06a111.6667.9441.84.86a11410.869.09a163.09(2)若达到同样的温度,看压力、速度情况结论:等熵压缩有利于提高压力和速度(提高Re数)各种设备性能原理比较等熵压缩与非等熵压缩比较MsT21激波等83各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度比较定常等熵非定常等熵（左行波）相同条件（da）下，速度增加是各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度84各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度比较相同条件（da）下，M>1:(du)非>(du)定超声速时非定常膨胀有利提高速度；M<1:(du)非>(du)定亚声速时定常膨胀有利提高速度；各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度85各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度比较所有的风洞喷管-------定常等熵膨胀管风洞-------亚声速非定常等熵膨胀,超声速定常等熵膨胀膨胀管、压缩管------非定常等熵膨胀（压缩）各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(1)气流速度86各种设备性能原理比较定常等熵与非定常等熵比较(2)气流凝结问题假设:p0=5