气体一维高速流动微弱扰动波的传播
第七章_气体的一维流动

液体: 液体:
dp K=ρ →c= dρ
K
ρ
完全气体: 完全气体:忽略粘性和传热视作等熵过程
微分: 微分:
dp = γ
p
ρ
dp → c = γ
p
ρ
= γRT
第一节 微弱压强波的一维传播
讨论: 讨论: (1)声速是状态参数
(2)
c=
1 dρ dp
dρ / dp
越大,越易压缩,c越小
音速是反映流体压缩性大小的物理参数
γ
γ
当T=0时,v = vmax 则
vmax = 2 γRTT γ 1
第二节 气体特定状态和参考速度
(3)临界状态 当气流速度等于当地音速的状态,便是临界状态。以
vcr ,Tcr , pcr , ρ cr
分别表示临界速度、临界温度、临界压力和临界密度,则
2 γ 1 2γ 12 vcr = ccr = cT = vmax = (γRTcr ) = RTT γ +1 γ +1 γ +1
c1 ρ 2 vs = 1 2 γ ρ1
p2 1 p1 ρ2 1 ρ1
12
气流的温度突跃、 气流的温度突跃、密度突跃与压强突跃 一一对应; 一一对应;
12
p2 ρ 2 1 1 c1 p1 ρ1 vg = 1 2 ρ2 γ ρ1
第三节 正激波
二、激波的形成和厚度
由于活塞先后发出的压缩波并不以相同的绝对速度向前传播, 由于活塞先后发出的压缩波并不以相同的绝对速度向前传播,因为后面 的波是在前面的波已扰动的基础上发出的, 的波是在前面的波已扰动的基础上发出的,而后面的扰动波的速度比前 面波的速度要快, 面波的速度要快,故后面的波最终将追赶上前面的波而形成一道强的压 缩波即激波。 缩波即激波。
工程流体力学课件-气体一维高速流动

由于气体一维流动中,气体参数 不随位置变化,因此流动是线性 的,可以应用一维流动方程进行 描述。
气体一维流动的分类
等熵流动
气体在流动过程中,熵值保持不变的 流动。等熵流动中,气体压力和密度 随速度增加而减小。
等温流动
气体在流动过程中,温度保持不变的 流动。等温流动中,气体压力和密度 随速度增加而增加。
火箭发动机喷管中的气体一维流动特性研究
总结词
火箭发动机喷管中的气体一维流动特性研究对于喷管 设计和火箭性能优化至关重要。
详细描述
火箭发动机喷管中的气体流动具有极高的速度和压力变 化,直接模拟三维流场非常困难且计算量大。因此,采 用一维流动模型进行研究和分析是常用的方法。一维流 动模型可以模拟喷管中气体的流动、加速和膨胀过程, 分析喷管的性能和特性。通过研究喷管中气体的流动特 性,可以优化喷管设计,提高火箭发动机的推力和效率 ,为火箭设计和发射提供重要的理论支持和技术保障。
动量守恒方程
表示动量在流动过程中的 变化,即动量在流场中不 增加也不减少。
能量守恒方程
表示能量在流动过程中的 变化,即能量在流场中不 增加也不减少。
初始条件和边界条件
初始条件
表示流动开始时流场中各物理量的值 。
边界条件
表示流场边界上各物理量的值或其变 化规律。
控制方程的离散化
有限差分法
将控制方程中的偏导数用差分近似代替 ,将连续的物理量离散为离散的数值。
有限差分法的优点是简单直观,易于编程实现,适用于各种类型的偏微分方程,特别是对波动问题和 稳定性问题有较好的处理能力。
有限元法
有限元法是一种将连续的物理量离散化为有限个单元,并在 每个单元上设置节点,通过节点上的等效源代替单元内的源 ,从而将偏微分方程离散化为线性方程组的方法。这种方法 在气体一维流动数值模拟中也有应用。
第六章__气体的一维流动

喷管的质 量流量:
qm
A11v1
A10 (
p1 p0
1
)
v1
qm A10
2
p0
[(
p1
2
)
(
p1
1
) ]
1 0 p0
p0
A1
2
p02
[(
p1
2
)
(
p1
)
1
]
1 RT0 p0
p0
变截面管流
▪ 正激波 ▪ 斜激波 ▪ 曲激波
正激波
➢ 激波——正激波
▪ 正激波 波面与气流方向相垂直的平面激波。
Ma1>1
v1
v2
正激波
正激波
➢ 激波——斜激波
▪ 斜激波 波面与气流方向不垂直的平面激波。
Ma1>1
2< 2 max
斜激波
正激波
➢ 激波——曲激波
▪ 曲激波 波面与气流方向不垂直的曲面激波。
p2 2
T2
12
物理意义——普朗特激波公式建立了正激波前后气流速度之间 的关系,即正激波前、后速度系数的乘积等于1。 正激波前来流的速度为超声速,正激波后的气流 永远为亚声速流。
12
正激波
p1 v1
1 T1
v2 p2
2 T2
12
➢ 正激波前后气流参数的关系
v2 v1
1
M
2 *1
2 ( 1)Ma12 ( 1)Ma12
➢ 气流的特定状态——极限状态
▪ 极限状态
假定气体的分子无规则运动的动能(即气 流的静温和静压均降到零)全部转换成宏观运 动动能的状态称为极限状态。
vmax
流体力学教案第11章气体的一维高速流动

流体⼒学教案第11章⽓体的⼀维⾼速流动第⼗⼀章⽓体的⼀维⾼速流动前⾯各章研究了不可压缩流体的运动,即认为流体在流动中其密度不变。
所得到的不可压缩流体的运动规律,不仅适⽤于液体的运动,也适⽤于流速不⾼的⽓体运动。
当然,严格说任何流体都是可压缩的。
不过,在我们通常所研究的流体运动中,液体的密度变化⾮常⼩,往往可以忽略不计;⽽⽓体在低速运动时,其密度变化也不⼤,若忽略其变化,把密度作为常数来处理,可使问题⼤为简化,⽽⼜不致引起⼤的误差。
例如,通常在常温下空⽓流速低于70m/s时,其密度变化不⾼于2%,以⽪托管测量⽓体流速为例,忽略密度变化所引起的误差不超过1%。
当流速增⾼时,⽓体的密度变化就会增⼤,若再按不可压缩流体处理,所引起的误差就会增⼤。
所以,对于⽓体的⾼速流动,必须考虑其密度的变化,按可压缩流体处理。
故研究⽓体的⾼速流动,通常称为可压缩流体动⼒学,⼜叫⽓体动⼒学。
§11-1声速和马赫数⼀、流体的可压缩性与微弱扰动的传播在可压缩性介质中,压强扰动以波的形式传播,其传播速度的⼤⼩与介质的压缩性有关。
例如,声⾳即为⼀微弱的压强性不同,可压缩性⼩的传播速度⾼,可压缩性⼤的传播速度低。
由此可见,声速值反映了流体可压缩性的⼤⼩。
图11-1 微弱扰动的传播下⾯说明微弱扰动波的传播过程。
如图11-1所⽰,管中充满可压缩流体,左端装有⼀活塞,原处于静⽌状态。
当活塞突然以速度d V向右运动时,活塞附近的流体⾸先被压缩,其压强产⽣⼀微⼩增量d p,密度也有⼀微⼩增量d ;同时,这⼀层流体质点也以速度d V 向前运动。
这⼀层被压缩了的流体随之⼜压缩其前⽅邻近的⼀层流体,使其也产⽣⼀个微⼩增量d p 、d ρ和d V 。
这样⼀层⼀层向前传播,形成了⼀个已受扰动和未受扰动区域的分界⾯,这个分界⾯以速度a 向前运动。
在扰动分界⾯尚未到达的区域,即未受扰动区,⽓体质点的速度为V =0,其压强、密度和温度分别为p 、ρ和T ;在扰动分界⾯之后,即已受扰动的区域,⽓体的各物理参数分别为d V 、p p d +、ρρd +和T T d +。
第六章气体的一维定常流动知识讲解

第六章 气体的一维定常流动
第一节 气体一维流动的基本概念
气体的状态方程
T 热力学温度 E 流体的内能 S熵
pp(V,T)
EE(V,T) SS(V,T)
比定容热容和比定压热容
cV 比定容热容 c p 比定压热容 两者的关系 cp cV
热力学过程
等温过程 p2 V1 p1 V2
绝热过程 dQ0
v
A
p dp 2 A dA
p dp
整理并略去二阶以上的无穷小量有
dF
v dv
vAdA v ddpF
dx
vdvdpdF0
A
单位质量流体的损失可以表示为
dF dx v2 A d 2
第七节 实际气体在管道中的定常流动
粘性气体的绝热流动微分关系式可表示为
vdvdpdxv2 0 d2
联立可导出
ddvdA0 v A
能量方程 由热力学
hcpTcR ppcpc pcVp1p
代入 得
v2
h 2 h0
声速公式
p v2 -1 2
h0
c2 v2 -1 2
h0
c
p
RT
完全气体状态方程
RTv2 -1 2
h0
第四节 气流的三种状态和速度系数
滞止状态 : 气流速度等熵地滞止到零这时的参数称为滞止参数
d 2
0 .025
q m cv c rr 4 2 .86 35 .3 2 3 3 14 1 .80 ks g 76
第六节 喷管流动的计算和分析
缩放喷管
流量
1
qm,crAt212-1 p00
由连续方程求得
A A crccr At Acr v
第七章 气体一维高速流动.

Ma V c
(7-5)
Ma称为马赫数,是一个无量纲数,也是气体动力学中一
个重要参数。
我们常根据马赫数的大小,把气流分为亚声速流Ma<1,
跨声速流Ma ≈1,超声速流1< M<a3和高超声速流 M>a3等
几类。亚声速流动和超声速流动有许多显著的差别,我
们将在以后各节中逐一介绍。
2.亚声速流场(V<c) 在亚声速流场中,扰动源产生的微弱扰动波在3s 末的传播情况如图7-2(b)所示。由于扰动源本身以 速度运动,故微弱扰动波在各个方向上传播的绝对 速度不再是当地声速c,而是这两个速度的矢量 和。这样,球面扰动波在顺流和逆流方向上的传播 就不对称了。但是由于V<c,所以微弱扰动波仍能 逆流传播,相对气流传播的扰动波面是一串不同心 的球面波。如果不考虑微弱扰动波在传播过程中的 损失,随着时间的延续,扰动仍可以传遍整个流 场。也就是说,微弱扰动波在亚声速气流中的传播 也是无界的。
二 微弱扰动波的空间传播
前面讨论了微弱扰动波的一维传播,下面进一步讨论 微弱扰动波在空间流场中的传播。
为了便于分析问题,假设流场中某点有一固定的扰动源, 每隔1s发生一次微弱扰动,现在分析前3s产生的微弱扰动 波在空间的传播情况。由于不论流场是静止的还是运动的, 是亚声速的还是超声速的,都将对微弱扰动波在空间的传 播情况产生影响,所以下面分四种情况来讨论。
(7-1)
由于压缩波很薄,作用在该波上的摩擦力可以忽略不计。
于是对于控制面,根据动量定理,沿气体流动的方向,质
量为cA 的气体的动量变化率等于作用在该气体上的压力
之和,即 或
cAdt [(c dV ) (c)] [(p dp) p]A
气体的一维定常流动

1 2 1 M* 0 1
1 1
0 1 2 1 Ma 2
§6-4 气体流动的三种状态和速度系数
第六章 气体的一维定常流动
第五节 气流参数与通道截面 之间的关系
变截面一维定常等熵流动模型
§6-1 气体一维流动的基本概念
气体的比热容
比热容:单位质量物质温度升高 1K 或 1 ℃ 时所 吸收的热量。 单位质量气体升高 1K 或 1 ℃ 时所吸收的热量与 热力学过程有关,故气体的比热容不唯一。 定容比热容cV:容积不变条件下的比热容。 定压比热容cp:压强不变条件下的比热容。 比热比γ:定压比热与定容比热的比值。
v h h0 2
c v h0 1 2
2 2
2
v h0 1 2 v RT h0 1 2
p
2
2
cp p cp p p h R cp cV 1
§6-3 气体一维定常流动的基本方程
第六章 气体的一维定常流动
第四节 气体流动的三种状态 和速度系数
v M* ccr
§6-4 气体流动的三种状态和速度系数
速度系数
速度系数的优点在于: 临界声速是常数,故速度系数与流动速度成 线性正比关系; 速度存在极限速度,故速度系数的极限是有 限值。
vmax 1 M *max ccr 1
v M* ccr
§6-4 气体流动的三种状态和速度系数
滞止状态
气流速度减到零时的状态称为滞止状态,对应 的流动参数称为滞止参数或总参数。 能量方程可以写为
1 v2 v2 T T T0 R 2 2cp
c
气体的一维定常流动

6-3 气体一维定常流动的基本方程
连续性方程
ρvA = 常数
dρ
dv dA + + =0 v A ρ
能量方程
cp p p κ p = = cp = h = c pT Rρ c p − cV ρ κ − 1 ρ
代入
v h+ = h0 得 2
2
κ p v2 + = h0 κ -1 ρ 2
κp c= = κRT ρ
c = κRT
⇒ c = 20.05 T
1 声速的大小与流动介质的压缩性大小有关,流体越容易 声速的大小与流动介质的压缩性大小有关, 压缩,其中的声速越小, 压缩,其中的声速越小,反之就越大 2 声速随流体参数而变化,通常我们说的声速是指特定点 声速随流体参数而变化, 上的声速, 上的声速,称为当地声速
⇒
c2 v2 + = h0 κ -1 2
v2 κ RT + = h0 κ -1 2
6-4 气流的三种状态和速度系数
滞止状态
2 vv 2 h + = h0 T0 T+ = 2c p
cp =
2
κR κ −1
v2 Ma = 2 c
c 2 = κRT
}
T00 c0 v 2 κ − 1 T = 1 +2 κ= 2 = 1 + 2 Ma 2 T T c 2c pTc κR 2
⇒
vmax =
2κR T0 κ −1
α = arcsin
1 = arcsin 1.5 = 41.8 Ma
设飞机在观察站上方时,马赫波与地面交点离观察站距 设飞机在观察站上方时 马赫波与地面交点离观察站距 离为l, 时间t后到达观察站 离为 时间 后到达观察站 l =Vt = Hctgα
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(b)
面积比与压强比、马赫数的关系曲线
缩放喷管
v2 2
p0 1 0
0
T0 v0 =0
得
v
2 p0 1 0
1
p p0
0
v
1
1
v
2 1
p0
0
1
p p0
2
1
RT0
1
p p0
质量流量 整理得
qm
A
v
A 0
p1 p0
1
v
qm A 0
2
1
2 1
p0
0
p p0
p p0
A
2 1
p02 RT0
p p0
2
1
1 1
1 -1
p p0
2
p p0
1
1
2
A Acr
1 Ma
2 1
1
1 1
Ma2
2
-1
1 M
1 2
1 2
M
2
1 -1
缩放喷管
A Acr 6
4 3 2 1
0
1.2 1.3
1.4
6
A Acr 5
4 3
2
1
p0
10 20 30 40 50 p
0
(a)
1234
第七章 气体一维高速流动
第一节 微弱扰动波的传播 第二节 气体一维定常等熵流动 第三节 气体一维定常等熵变截面管流 第四节 正激波
第三节 气体一维定常等熵变截面管流
应用牛顿第二定律 vdv dp
同除以压强整理,并引入声速公式
dp vdv Ma 2 dv
pp
v
对等熵过程关系式取对数后微分有
dp d p
对完全气体状态方程取对数后微分
dp d dT p T
联立得
dA Ma2 1 dv
A
v
dp
1-M
2 a
dA
p
M
2 a
A
d Ma 2 dv
v
Ma 1
Ma 1
Ma 1 At Acr
p、v v(x)
pcr
dT 1Ma2 dv vcr
T
v
p(x)
x
收缩喷管
p
0
p -1
2
p p0
1
喷管出口气流达临界状态Ma=M*=1时
p
p0
2
1
1
pcr
v vcr
2 p0 1 0
2R 1
T0
2
1c0
ccr
收缩喷管
1
qmcr
A
2
1
2
-1
p0 0
流量
1
qmcr
At
2
1
2
-1
p0 0
由连续方程求得
A A crccr
At Acr
v
A Acr