9-膨胀波和激波.ppt

工程流体力学基础工程流体力学基础第九章第九章膨胀波和激波膨胀波和激波主要内容主要内容 膨胀波膨胀波 激波激波 正激波前后的参数关系正激波前后的参数关系 斜激波斜激波 激波的反射与相交激波的反射与相交 拉瓦尔喷管与激波拉瓦尔喷管与激波膨胀波和激波膨胀波和激波超声速流与亚声速流有很大不同。超声速流中通常会出现膨胀波和激波，这是其基本特征。膨胀波：流体发生膨胀，通过膨胀波后，流体的压强、温度和密度降低，流速增大。激波：气体流动状态的突然改变。只出现在超声速流动中，或者说激波相对于其上游流体的速度是超声速的。穿过激波后产生很大的压强突升，密度和温度等参数也发生突变。第九章第九章膨胀波和激波膨胀波和激波第一节第一节膨胀波膨胀波普朗特普朗特-迈耶流动迈耶流动超声速气流沿外折壁面的流动，也称为普普朗朗特特-迈耶流动迈耶流动。9-1 膨胀波膨胀波超声速气流在壁面折转处受到扰动，产生一条马赫波。气流通过马赫波后，速度微量增加，压力微弱下降，方向略微偏转。经过一系列马赫波后，气流折转。普朗特普朗特-迈耶波迈耶波膨胀波束的性质膨胀波束的性质平行于壁面的超声速定常均匀来流在折转处产生一扇形膨胀波束，由无数马赫波组成；气流经过一条马赫波其参数无限小变化，在膨胀波束中气流参数连续变化，v，p，T，可看成绝热等熵的膨胀过程；气流穿过膨胀波束后与折转后的壁面平行；马赫线是直线，同一马赫线气流参数相同；对于给定的来流条件，膨胀波束中任一点的气流速度大小只与该点的气流方向角有关。9-1 膨胀波膨胀波普朗特普朗特-迈耶关系式迈耶关系式超声速气流穿过膨胀波束时参数的变化关系可由普朗特普朗特-迈耶关系式迈耶关系式表示。9-1 膨胀波膨胀波对于已知的壁面折转角，可以求出超音速气流穿过膨胀波束前后的马赫数的关系。绕外凸曲壁面的普朗特绕外凸曲壁面的普朗特-迈耶流动迈耶流动若超声速气流沿外凸曲壁面流动，则产生类似的膨胀波束。9-1 膨胀波膨胀波第九章第九章膨胀波和激波膨胀波和激波第二节第二节激激 波波激波的定义激波的定义激激波波：超声速气流中出现的流动参数的强间断面。超声速气流穿过激波时，速度突跃下降，压强、密度、温度突跃上升。9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的图像激波的图像9-2 激激 波波激波的性质激波的性质激波是突跃压缩波，气流经过激波后，流动参数发生突变 p T v Ma激波非常薄，在数学上认为激波厚度为0。激波的能量耗散很大，超音速飞行体受到极大的激波阻力。激波是瞬态压缩，是绝热但不可逆过程，波后熵增大，作功能力降低。9-2 激激 波波激波的产生激波的产生有多种方式可以产生激波。9-2 激激 波波爆炸产生激波，常称为冲击波冲击波。激波的产生激波的产生超声速气流沿凹曲壁面或内折壁面流动。9-2 激激 波波气流通过压缩波束后速度下降，压强增加，方向偏转。一系列压缩马赫波汇聚为一间断面，即激波。超声速气流沿内折壁面流动时，在壁面转折处直接产生激波。激波的产生激波的产生以超声速飞行的飞行器。9-2 激激 波波附体激波Ma11流线 Ma11Ma=1Ma1 脱体激波附体激波附体激波脱体激波脱体激波Ma1MamMa11第九章第九章膨胀波和激波膨胀波和激波第五节第五节激波的反射与相交激波的反射与相交激波的反射与相交激波的反射与相交实际情况下的超声速流动中，激波往往会遇到各种边界或其他激波，出现反射、相交等复杂波系。常出现的有：9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交自由边界上的反射；固体壁面上的反射；激波的相交。自由边界上的反射自由边界上的反射沿壁面流动的超声速气流，壁面转折点发出的激波在等压自由边界上反射产生膨胀波。9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交斜激波入射到自由界面上时，波前p1=p；波后压强升高，即p2p；波后压强必须膨胀恢复到自由界面上的压强p，相交点发出膨胀波束，使得等压自由界面Ma11p1p2p3pp3=p斜斜激激波波在在自自由由界界面面上上反反射射出出膨膨胀胀波波固体壁面上的反射固体壁面上的反射规则反射规则反射9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交C点产生的斜激波与上表面交于O点；激波后流动向上偏转，但上边界要求流动平行，O点反射出斜激波，使流动再次偏转；只要符合形成附体激波条件，则反射继续下去，马赫数逐渐减小，Ma1 Ma2 Ma3。符符合合附附体体激激波波条条件件的的激激波波反反射射即即为为规则反射规则反射入射斜激波反射斜激波ABDEFMa1Ma2Ma31122123CO固体壁面上的反射固体壁面上的反射马赫反射马赫反射9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交当入射激波在固壁上的反射不能形成附体激波时，由于激波脱体将产生马赫激波马赫激波；马赫激波与入射和反射激波相交形成三叉波系三叉波系；通常气流穿过两道斜激波后与穿过一道正激波后具有不同流动参数，形成切向间断切向间断，也称滑移线滑移线；滑移线两侧的静压和流动方向相同。产产生生脱脱体体激激波波的的激激波波反反射射即即为为马马赫反射赫反射CFABGMa1Ma1马赫激波滑移线入射斜激波反射斜激波O同侧激波的相交同侧激波的相交同侧两道斜激波相交，形成一道更强的激波。9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交来流穿过激波DE形成区，穿过激波AD。和BD后形成区；为使波后静压相等和流动方向一致，在交点处产生激波DF或膨胀波DG；存在滑移线DH。ABCDEHGFp1Ma1Ma2Ma321异侧激波的相交异侧激波的相交规则相交规则相交9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交两道异侧入射激波相交，形成两道透射激波，强度必须能保证区和区压强相等、流动方向一致；通常有滑移线。符符合合附附体体激激波波条条件件的的激激波波相相交交即即为为规则相交规则相交入射斜激波透射斜激波入射斜激波透射斜激波滑移线ABCDMa2p2Ma1p1Ma4p4Ma5p5Ma3p3O异侧激波的相交异侧激波的相交马赫相交马赫相交9-5 激波的反射与相交激波的反射与相交当不满足规则相交的条件时，产生类似于马赫反射的马赫相交马赫相交；入射激波与马赫激波（马马赫赫盘盘）在两个点相交，并且都会产生滑移线。产产生生脱脱体体激激波波的的激激波波相相交交即即为为马马赫相交赫相交入射斜激波滑移线滑移线入射斜激波马赫激波（马赫盘）Ma1MapaMae1pap0pa反压对拉瓦尔喷管的影响反压对拉瓦尔喷管的影响p1pepepeMae1p0p=pape反压对拉瓦尔喷管的影响反压对拉瓦尔喷管的影响pa=p2：出口截面正激波：出口截面正激波9-6 拉瓦尔喷管与激波拉瓦尔喷管与激波反压增大到p2时，斜激波退到出口，变为正激波；p2是正激波后压强，激波前压强仍为p1；p2称为第第二二临临界界反反压压，它既是获得超声速的反压上限值，又是喷管内出现激波的反压下限值。pe1papep0pa=p2Ma1p=pa反压对拉瓦尔喷管的影响反压对拉瓦尔喷管的影响p2pa p3：喷管扩张段内存在激波：喷管扩张段内存在激波9-6 拉瓦尔喷管与激波拉瓦尔喷管与激波激波进入扩张段并停留在某截面处；激波后的亚声速流在扩张段内压缩减速，并在出口处将静压提高到反压pa；反压继续增加，则激波向上游移动。p=pap0Ma1Ma1Ma=1p=pa反压对拉瓦尔喷管的影响反压对拉瓦尔喷管的影响pa=p3：激波在喉部消失：激波在喉部消失9-6 拉瓦尔喷管与激波拉瓦尔喷管与激波反压增大到p3时，激波退到喉部并消失；喷管内的流动变化是：亚声速声速亚声速；p3称为第第三三临临界界反反压压，是喷管喉部能达到临界状态的反压上限值。pa=p3p0Ma1Map3：喷管内全部是亚声速流动：喷管内全部是亚声速流动9-6 拉瓦尔喷管与激波拉瓦尔喷管与激波喉部达不到临界状态，喷管内的流动都是亚声速；出口流动状态与Ae/At无关，而由反压pa控制；根据反压条件可以确定出新的假想的临界流动面积Acr，由此求解出口截面参数。作业作业9-1 9-29-7