《气体动力学》课件-膨胀波与激波 (4)

气体动力学（2）第三章膨胀波与激波北航能源与动力工程学院2019.09,第三章膨胀波与激波,3.6激波的形成和激波的传播速度3.7正激波前后气流参数关系3.8斜激波3.9激波的反射和相交3.10锥面激波3.11超声速进气道的激波系3.12运动激波,3.9激波的反射和相交,Ma1,当超声速气流流过楔形体(半顶角)时将产生一道斜激波AB,激波在固壁上的反射,A,B,斜激波与固壁相交于B点，气流在激波后偏转，与楔形体平行,固壁对气流又起到扰动作用，效果等同半顶角的楔形体，于B点产生使气流偏转-的激波BC,C,激波在固壁上的反射仍为激波,【例】上图中，Ma1=4.0，=20，求AB的激波角和区的马赫数,【解】,3.9激波的反射和相交,激波在固壁上的反射不规则反射和相交,Ma1,A,D,E,G,F,滑流线,条件：大，或区马赫数低，使得区马赫数小于Ma1min，则B点不能形成附体激波或反射斜激波,B,滑流线：气流方向和静压相同，其他参数可以不同本质：流线（易形成旋涡）,三激波理论：入射激波和反射激波和一段与固壁垂直的激波相交，这种反射称为马赫反射，交叉点上部的激波称为马赫杆（靠近交叉点为曲线）,3.9激波的反射和相交,Ma1,当超声速气流自管道流入大气，在A点遇到压缩,激波在自由边界上的反射,A,B,BCD是自由边界，A点发出的激波与自由边界交于C点，气流在激波后偏转，与楔形体平行,激波AC前面气体的压强p1=pa，经过激波压强升高到p2pa,C,反射为膨胀波,D,p1=pa,p2pa,在自由边界两侧气流压强必须相等，故在C点必定要产生一束膨胀波，气流经过此膨胀波束后压强降低到p3=pa。该膨胀波束可看作是激波AC在自由边界上的反射波。,3.9激波的反射和相交,异侧激波相交,在交点又产生两道激波,Ma1,2,B,A,1,C,D,E,超声速气流在平面管道中流动，在A、B两点由于壁面转折产生激波AC、BC，区的气流经过激波AC向下转折1角，经过激波BC则向上转折2角。区和区气流方向不同，在C点相遇互相压缩又产生了激波CD和CE,3.9激波的反射和相交,异侧激波相交,在交点又产生两道激波,Ma1,2,B,A,1,C,D,E,F,”,p=p”,区和区气流分别经过激波CD和CE进入区和”区，区和”区气流必须有相同的方向和静压，其它参数（速度、密度、总压等）可以不同，所以在区和”区之间还存在一个分界线CF，线两侧气流速度值不同就会有相互滑动（不考虑气体的粘性），故把线CF称作滑流线,滑流线,3.9激波的反射和相交,异侧激波相交,计算激波CD或CE时可先估计一个值，认为气流穿过激波后，偏向原来倾斜角较小的一侧流动。例如11,设壁面ABC在A、B两点转折图3-42，在A点转折1角，在B点转折2角，超声速气流流过此壁面在A、B两点产生同侧激波AD和BD，这两道激波在D点相遇后合并成一道更强的激波DE，根据具体情况在D点产生弱激波DF或膨胀波DG,【例】3-14,3.9激波的反射和相交,激波的不规则反射和相交,Ma1,A,D,E,G,F,滑流线,如果较大、或区马赫数低，使得区马赫数小于Mamin，则B点不能形成附体激波或反射斜激波,B,滑流线：气流方向和静压相同，其他参数可以不同本质：流线（易形成旋涡）,三激波理论：入射激波和反射激波和一段与固壁垂直的激波相交，这种反射称为马赫反射，交叉点上部的激波称为马赫杆（靠近交叉点为曲线）,3.9激波的反射和相交,激波的不规则反射和相交,2较大时，B点发出膨胀波束，使得N1以上激波呈曲线形，激波后布满滑流线，称为不均匀充满旋涡的流场。,B,Q,N,T,A,R,滑流线,2较小,3.9激波的反射和相交,激波膨胀波同侧相交,研究对象：超声速气流自平面喷管流入大气假设：管道出口压强小于外界压强（但不足以使激波进入管内）,激波打到自由边界上反射为膨胀波；在不计粘性的情况下，管道出口以后的流动是激波与膨胀波交替重复发展过程。,3.9激波的反射和相交,斜激波使流动朝波的方向转动，从连续的转折角发出的各道斜激波互相汇聚斜激波和直固体壁面相交反射出另一道斜激波斜激波和自由界面相交反射出膨胀波异侧斜激波相交后在交点又产生两道激波斜激波与正激波相交形成马赫反射同侧斜激波相交后反射出另一道激波和一道膨胀波（或微弱压缩波）同侧斜激波和膨胀波相交后反射出另一道激波和一道膨胀波（或微弱压缩波）,3.9激波的反射和相交,来流经过楔形体一次完成压缩过程，斜激波后流场均匀，波后流线都平行于楔形体壁面，且气流参数处处相等。锥面激波后流线是以锥体壁面母线为渐近线而逐渐靠近。且沿流线各点参数不等：流动速度逐渐减小，压强、温度逐渐提高。意味着：来流经过圆锥激波波面压缩后，继续等熵压缩直至锥面。,差异？,流通面积的不同导致流量连续的变化,3.10锥面激波,来流马赫数和半顶角均相等时，尖锥产生的圆锥激波角小于由尖楔产生的平面激波角，锥形激波比平面斜激波弱。,对于相同的来流马赫数，圆锥激波脱体的半顶角大于由楔形体产生的平面斜激波脱体时的半顶角；同样对于一定的半顶角，两者皆存在Ma1min，圆锥相对更小，即平面激波比锥面激波更容易脱体,锥形流理论表明：在锥形激波后，通过锥顶的任一条射线上，各点气流参数都是相同的,3.10锥面激波,从曲线可看出，曲线族只有下半部(和平面激波相比),即表明超声速气流流过锥形体时，只产生弱的激波。,3.10锥面激波,进气道：把来流尽可能均匀地低损失地引入发动机，满足发动机在不同条件下空气流量的需求，并实现气流的减速增压。,评价指标：总压恢复系数。低阻、轻、宽广低损失工作范围、出口畸变小、实现性好,超声速进气道挑战：减速增压产生激波，存在激波损失。如何组织激波系降低损失尤为重要。,3.11超声速进气道的激波系,分类：皮托（正激波）式、外压式、内压式和混合式,皮托式/正激波式：通过较强的正激波减速增压,特点：当来流马赫数高时，总压恢复系数低，适用于来流马赫数小于1.5-1.7,F16战斗机，马赫数2.0时总压损失高达27%,推力损失30-40%。,3.11超声速进气道的激波系,外压式进气道：在进口前装有中心锥或斜板，形成斜激波减速，降低进口正激波强度，提高进气减速增压效率。外压式进气道超音速减速在进气口外完成，进气口内通道基本上是亚音速扩散段。使用广泛按进气口前形成激波的数目不同分为2波系、3波系和多波系。,斜激波数目多，总压恢复系数高;,3.11超声速进气道的激波系,F15、Su27采用4波系进气道,来流马赫数1.5时，一道正激波即可；在1.5-2.0之间，双波系；大于2.0时，多波系。,外压式进气道的缺点：绕进气道外部流动激波强，阻力大，随波数增加;,通过一系列弱压缩波系完成增压过程，近似于等熵压缩过程，则为等熵外压式超声速进气道。,3.11超声速进气道的激波系,内压式进气道：通