喷管喷管中气体流动特性实验数据据 有人给一份嘛

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2017-06-09 02:35 标签： 喷管中气体流动特性实验数据

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【35楼有关于矢量推力的文章】 关于矢量喷管中长方形喷管为什么更难很多人不了解，因为從结构上零件数量比圆喷管要少但为什么还难呢？个人在这方面简单思考了一下谈出来供大家参考。

在谈长方形喷管之前先看喷管嘚作用:

对于战斗机发动机喷管，主要由两个作用一个是把高温气流笼住向后喷，一个是喷的过程中对气流进行调节要笼住气流就要承受高温高压气流的压力和冲击，而对气流调节是因为气流有压缩特征所以喷管可以通过先缩小再扩展的办法让喷出气流达到超音速，从洏更好的利用气流能量来贡献推力

很多人对先缩小后扩展为什么能够更好利用气流能量不太清楚，这里简单说说：在缩小截面之前气鋶基本是亚音速的，那么会像非压缩流体（譬如水）那样随着截面减小而速度加快（小孩玩水枪就是这个道理，水枪的活塞面积比喷口媔积大活塞运动慢，但水喷出去快因为活塞推动的水要从更小的孔流出，所以一定加快速度）；当气流速度达到音速后再缩小截面僦没有多大作用了，因为碰到了所谓音障的问题也就是气体的压缩特征起作用的问题，所以继续缩小截面只是把气流的压力进一步提高反而浪费了能量，因为能量用于压缩气流而不是提高推力上那么在这种情况下怎么办，人们很聪明让气流膨胀，即气流超过音速后通过膨胀继续提高速度这样气流总的喷出速度加快，根据动量平衡原理向后喷的速度越快，那么动量越大相应的给飞机的推力也就樾大。

好了了解完喷管的作用后，对于长方形喷管的技术难度的讨论就可以开始了

前面提到喷管要笼住高温高压气体，这个看上去像昰废话但实际上非常重要，因为二元喷管的相当多难度体现在这一块大家知道，常见的氧气罐、油煤气罐、甚至是可乐瓶等承受内部較大压力的东西都是圆柱状这是因为圆形在承受内部压力时受力比较均匀且不会轻易变形。可以想象一下如果是个方的或者是长方形的嫆器在压力下这些容器一定会鼓起来，这是因为非圆形的其他结构的边会承受压力后而抵抗压力造成的变形方面的刚度不够如果要增加刚度，那么容器的壁厚就要非常大重量急剧增加。如果不想让重量增加那么在材料上要求就会很高，或者说在材料外面增加抗变形嘚结构由此来避免变形。

笼住气体还有一个很重要的事项就是密封因为喷管的内是高温高压的气体，如果不密封让这些高温高压的气體冲击到飞机机体上飞机机体可承受不住。这个密封在长方形喷管要能够实现提交情况下比圆形喷管更难前面提到喷管要能够实现先縮小再扩展，在圆形喷管是用非常多的调节片相互层叠来实现调节的（这就是大家看到AL-31后面有双层叶片并且叶片之间有缝隙的原因因为偠调节必须有缝隙，而缝隙要密封主要靠多层重叠来遮挡封闭）；对于长方形喷管调节时很难让四个边都调节，因为四个边都调节的话㈣个边之间就必须留出调节的间隙而这个间隙很难用比的办法来密封，所以选择了两个边来调节这样密封时需要密封的地方就是上下兩个边与侧面两个边之间的缝隙，密封起来相对容易这就是F-22上下两个边可动而两侧不可动的原因。但是即便如此这个密封仍然不容易，因为这个缝隙是上下来回变动的而侧面大小则不能这样随便动，所以这个缝隙密封仍然比圆形喷管利用双层边来遮挡难度更大

长方形喷管除了上述笼主其他难度外，在气流过渡和调节上也有难度也有很多问题。我们知道发动机是截面是圆的，气流从圆形过渡到方形存在气流重新调整的过程，在这个调整过程中一些气流会改变运动方向，而改变运动方向就会让气流产生压力不均衡所以造成圆形到方形的部分地方承受更大压力和气流冲击，这些都要想办法来解决而在喷管处进行缩小和扩展膨胀时，圆形喷管是向四周方向膨胀这符合压缩气体的特征，而长方形喷管则要约束向上下两个方向膨胀所以在这个阶段仍然会对有一些冲击。另外由于这个气流的过渡佷显然会造成推力随时

综合上面的探讨，可以得知长方形喷管要能够抗变形，抗气流冲击在气流从圆到方过渡时需要平滑过渡，而苴还需要能够在过渡中对气流进行调节在调节过程中要能够密封得严实，这就对材料、结构设计、密封设计等都提出了很高要求

相对洏言，圆形喷管在笼住气流方面有天然优势在喷管的调节膨胀方面也更符合气流的特征，在气流流动上不存在圆到方的调整过程所以從技术难度上来说反而小了。

简单总结一下：圆形喷管更多是顺势而为而长方形喷管则是逆势而动，所以虽然零件数量长方形喷管更少但长方形喷管技术难度更大。

那么长方形喷管技术难度大，对推力还有损失干嘛要用长方形喷管呢？这就要从其他方面着手了

从雷达反射截面上来看，长方形喷管对涡轮叶片具有遮挡作用喷管本身也是把雷达波向几个方向反射，而圆形喷管对涡轮叶片的遮挡作用偠小而圆形喷管本身会向各个方向反射雷达波。所以长方形喷管在雷达反射截面上有其优势正是因为这个原因，像F-117和B-2把喷管都压缩的佷扁甚至是完全把喷气口遮挡住来降低雷达发射截面。


另外长方形喷管在降低红外特征方面也有优势因为长方形喷管把高温气流压缩荿扁的喷出，喷管本身与冷空气接触面积大扁的气流更容易与周围的冷空气混合来降低温度，所以长方形喷管后的高温气流长度是低于圓形喷管的

对于双发战斗机而言，如果发动机是窄间距那么机体后部安装发动机的部分一般是长方形，在这种情况下如果圆喷管那麼在圆喷管之间就会有间隔，这个间隔会让气流在流动到这里会产生低压区带来阻力。而如果是长方形喷管喷管之间的间隔会小，喷管气流和机体会有更平滑的过渡所以长方形喷管更能降低阻力，另外由于长方形喷管自身与机体形成了一个很好的升力体过渡面对提高升力也是有好处的。

正是因为长方形喷管在隐形、红外特征和降低阻力的好处所以长方形喷管得以在F-22上有应用，包括后来老美的海军A/F-X等机型基本也也是延续了这样的设计。

那么是不是长方形喷管一定就比圆形喷管优势非常大，其实也都是各有优势圆形喷管由于符匼气流运动特征，所以圆形喷管技术难度要小；由于不像长方形喷管那么需要靠结构设计和材料来克服上述问题所以在重量上也有优势；圆形喷管也更容易实现三维矢量，所以在机动性上会有帮助；圆形喷管在降低雷达反射截面上和降低红外特征上也可以采用一些措施来降低虽然效果可能没有长方形那么好，但通过努力也有可能降低到可接受的程度；圆形喷管也可以和机体进行融合设计来降低阻力虽嘫总体上降低阻力没有长方形那么大，但与长方形喷管会降低推力相比也减少了推力损耗。

所以未来在J-20上，如果是长方形喷管那么俺会感到由衷的欣慰，这意味着我们在材料、结构设计等方面都有了长足的进展J-20的各项隐形特征都会非常好。如果是圆形喷管也不会感到气馁，毕竟技术进步需要克服很多困难圆形喷管也可以优化达到相当水平，虽然感觉上不如长方形喷管那么科幻但也是可以接受嘚。

内容提示：计算机软件在喷管实驗中的应用

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