拉伐尔喷管
中间收缩、不对称沙漏状的管子
拉伐尔喷管(de Laval nozzle, 亦称渐缩渐阔喷管,convergent-divergent nozzle、CD nozzle或con-di nozzle)是一个中间收缩、不对称沙漏状的管子。借由将流体的热能转化为动能,可将通过它的热压缩气体加速到超音速。气体在截面积最小处恰好达到音速。 被广泛用作蒸汽涡轮机及火箭发动机喷管,亦可见于超音速喷气发动机。 类似的流动性质已经应用于天体物理学中的喷射流。
历史
公元1888年,由瑞典发明家Gustaf de Laval开发,并使用在蒸汽涡轮机上。
最早被罗伯特·戈达德用作火箭发动机,大多数使用高温燃烧气体的现代火箭发动机都使用拉伐尔喷管。
运作
其操作有赖于次音速和超音速气体的不同特性。 如果由于质量流量不变而管道变窄,则次音速气体流速将会增加。 通过拉伐尔喷管的气流是等熵的(气体熵几乎不变)。在次音速流中,气体是不可压缩的,声音会通过它传播。 在横截面面积最小的喉部,气体速度局部达到声速(马赫数= 1.0),这种状况称为阻流。 随着喷管横截面积的增加,气体开始膨胀,气流加速到超音速,在那里声波不会通过气体向后传播(马赫数> 1.0)。
运作情况
只有在通过喷管的压力和质量流量足以达到音速的状况下,拉伐尔喷管会在喉部产生阻流现象。若是没有达到条件,则不会有超音速气流产生,此时运作方式较接近文氏管。这要求喷管的入口压力始终显著高于环境压力(亦即喷流的静止压力必须高于环境压力)。
另外,喷管出口处的气体压力不能太低。出口压力虽然可以低于其排出的环境压力,但是如果低得太超过,那么气流将不再为超音速,或者将在喷管的扩张部剥离,形成喷管内的紊流,产生侧向推力并可能损坏喷管。
实务上,环境压力必须低于出口处超音速气流压力大约2-3倍,气体才能离开喷管。
气流状态分析
通过拉伐尔喷管的气流分析涉及许多概念和假设:
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 17:33
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