8.7: 喷嘴分析:沿聚合和融合分流喷嘴的马赫数和压力的变化

在本演示中，使用了喷嘴测试装置，该测试装置由压缩空气源组成，该空气源通过被测试的喷嘴输送高压空气，如图5所示。流量压力范围为 0 - 120 psi，使用机械阀进行控制。当使用外部传感器测量压力时，喷嘴中的质量流速由放置在喷嘴测试台排气前的一对旋转计进行测量。

图5.喷嘴测试台。请点击此处查看此图的较大版本。

1. 测量收敛和汇合分散喷嘴中的轴向压力

1. 将收敛喷嘴安装在喷嘴测试台的中心，如图5所示。具有压水龙头标签的收敛喷嘴的二维部分如图6 所示。

图 6.收敛喷嘴的几何形状。请点击此处查看此图的较大版本。

2. 使用灵活的高压 PVC 管将 10 个静态压力端口和停滞压力端口连接到压力测量系统。
3. 将压力测量系统连接到图形软件界面，以便实时读取压力数据。
4. 以零/无流量条件读数为例。
5. 打开机械流量控制阀以启动气流。
6. 旋转阀门以调整流速，以获得 0.9 的背压比 （p_B/p_O）。请注意，收敛喷嘴和收敛分流喷嘴的回压与端口 10 中读出的压力数据相对应。
7. 记录与表 1 对应的数据。
8. 以 0.1 的步长降低反压比，直到每个设置的p_B/p_O = 0.1 重复步骤 7。此外，对p_B/p_O = 0.5283 重复步骤 7，以在理论上的阻塞流条件下捕获流数据。
9. 将收敛喷嘴替换为收敛分散喷嘴，并重复步骤 1.2 - 1.8。具有压水龙头标签的收敛喷嘴的二维部分如图7所示。
10. 完成测试后，断开所有系统并拆除喷嘴测试装置。

图7.收敛-分散喷嘴的几何形状。请点击此处查看此图的较大版本。

表1.为喷嘴实验收集的数据。

表2.喷嘴几何数据。

喷嘴是航空航天推进系统中常用的一种装置，用于利用其变化的横截面来加速或减速流动。

最基本的喷嘴类型，即会聚喷嘴，本质上是一根管子，其面积从入口到出口或喉部逐渐减小。随着喷嘴面积的减小，流速增加，最大速度出现在喉部。随着入口流速的增加，喉部的流速也会增加，直到达到 1 马赫。当它达到 1 马赫时，喉部的流动被阻塞，这意味着入口流速的任何进一步增加都不会增加喉部的流速。因此，会聚喷嘴仅用于加速亚音速状态下的流体。

喷嘴中的流动是由两点之间的压力变化引起的。在这里，出口处的压力称为背压，入口处的压力称为停滞压力。它们之间的比率是背压比，可用于控制流速。当停滞压力等于背压时，没有流动。

让我们看看喷嘴长度上的马赫数。对于无流动条件，当背压比等于 1 时，马赫数显然为零。随着背压的降低，沿会聚部分的流速增加，马赫数也增加，其峰值在喉部。当背压比达到 0.5283 值时，喉咙处的马赫数为 1，流量被阻塞。随着背压进一步降低，喉咙处的马赫数保持恒定在 1。

另一种常见的喷嘴是收敛发散喷嘴，它有一段减小的面积，然后是一段增加的面积。我们还可以查看收敛发散喷嘴长度上的马赫数，以检查不同背压比下的流动条件。对于无流动条件，马赫数同样为零。

随着背压的降低，马赫数在会聚截面上增加，而在发散截面上减小。当咽喉压力比接近 0 时。5283 中，水流被阻塞并达到 1 马赫，然后亚声减少。随着背压的进一步降低，喉咙之后的流动先是超音速，然后是亚音速。

在非常低的背压比动等熵膨胀，并在整个发散喷嘴中保持超音速，达到大于 1 的马赫数。或者，当流动在发散部分膨胀时，它会形成激波。

如果喷嘴出口处的压力低于环境压力，则从喷嘴流出的射流会随着压力和速度的变化而高度不稳定。这称为过度扩展流。如果喷嘴出口处的压力高于环境压力，则流动表现出类似的不稳定流动，称为膨胀不足。

在本实验中，我们将演示和分析会聚和会聚发散喷嘴中的流动。

在本实验中，我们将使用喷嘴测试台研究喷嘴的行为，该测试台由一个压缩空气源组成，该气源将高压空气引导通过被测喷嘴。流量压力范围为 0 - 120 psi，使用机械阀控制。使用外部传感器测量压力，质量流量在喷嘴排气前由一对串联的转子流量计测量。两个测试的喷嘴都有 10 个端口，可以在整个喷嘴长度上进行压力测量。

要开始实验，请将会聚喷嘴安装在喷嘴测试台的中心。然后，使用高压 PVC 管将 10 个静压端口连接到压力测量系统，以及停滞压力端口。将压力测量系统连接到数据采集接口，以收集实时数据读数。

现在，获取零流量条件压力读数。打开机械阀以启动气流。然后，使用机械阀调节流量，以获得 0.9 的背压比。记录压力测量系统的停滞压力和大气压，以及温度传感器的温度。记录每个测压口的表压，确保根据制造商提供的几何形状记下每个测压口的抽头编号、轴向位置和喷嘴面积比。

输入质量流量值后，按下"记录数据"按钮，以设定的背压比记录所有读数。以 0.1 为步长降低背压比，降低到比值 0。1，像以前一样记录每个增量的测量值。确保以 0.5283 的背压比捕获数据，这是理论上的阻塞流条件。

完成这些测试后，关闭气流，断开 PVC 管，然后用会聚发散喷嘴更换会聚喷嘴。将端口连接到测量系统，然后如前所述重复所有测量。

为了分析我们的数据，首先我们使用每个端口的静压测量值来计算喷嘴上的压力比。回想一下，背压测量是在端口 10 进行的。我们还可以使用这个方程计算每个端口的马赫数，其中 γ 是比热。

在这里，我们绘制了会聚喷嘴中每个流速的压力比和马赫数与归一化喷嘴距离的变化。在喉咙处，马赫数不超过 1，这意味着流动被阻塞。但是，需要注意的是，喉咙处的数据对应于端口 9，它略早于实际喉咙。在喉咙出口之外，流流不受控制地膨胀，导致超音速马赫数。

接下来，使用收集到的数据，我们可以使用所示的方程计算质量流量参数 MFP。其中，m-dot 是通过喷嘴的质量流量，T-zero 是停滞温度，AT 是喉部面积，p-zero 是停滞压力。MFP 随着背压比的降低而增加，最高可达 0.6，这与预期行为相对应，因为质量流量应随着背压比的降低而增加。

然后，MFP 应在 0.6 之后保持恒定，因为此时流量被阻塞，质量流量不能增加。然而，我们观察到该地区的 MFP 有所下降。这一结果可能是由测量喉部压力的水龙头位置引起的，该位置略早于真正的喷嘴喉部。这可能是 MFP 读数不正确的最可能原因。

现在，让我们看一下会聚发散喷嘴，从压力比和马赫数与归一化喷嘴距离的关系图开始。对整个喷嘴的马赫数变化的观察表明，在喉部的压力比等于 0.5283 的阻塞流条件之前，亚音速流动。在此之后，随着背压比的进一步降低，观察到三种不同的模式。

首先，血流在喉咙处到达阻塞状态，并在发散部分以亚音速减速。其次，气流在喉咙之外超音速加速，然后减速，在某些情况下达到亚音速。最后，我们看到，当背压比低于 0.3 时，整个发散段的流动继续超音速加速。

最后，MFP 图显示背压比随减小而增加，峰值为 0.5283。当流量增加到阻塞情况时，此结果是意料之中的。与会聚喷嘴一样，MFP 在达到阻塞流条件后应保持不变，但由于喉部压力水龙头的位置，我们观察到降低。

总之，我们了解了喷嘴的不同横截面如何加速或减速推进系统中的流动。然后，我们测量了沿会聚和会聚发散喷嘴的轴向压力，以观察马赫数和压力的变化，从而推断出流动模式。