第十一讲喷管流动过程1.ppt

* 第五章 喷管流动过程 火箭发动机原理 推进剂 化学能 燃烧产物 热能 燃烧产物 动能 火箭飞行 动能 燃烧 喷管中膨胀加速流动 对火箭作推力 发动机工作过程能量转换示意框图 ： 评定发动机性能的综合指标是发动机的比冲 ： 第五章 喷管流动过程 §5.1 喷管流动过程的热力计算与发动机理论比冲 §5.1 喷管流动过程的热力计算与发动机理论比冲 一、喷管中流动分析及热力计算模型： 1、喷管流动过程分析 燃烧产物的压强、温度下降（ 、 ），而产物的流速增大（ ） 流动过程是化学平衡移动过程（或称松弛过程） 复合反应 放热 改变了产物的组分 存在能量平衡问题 存在相平衡问题 2、喷管流动过程热力计算的理论模型： 简化假设： （1）燃烧产物是完全气体 （2）流动过程是一个不存在任何不可逆 现象的理想流动过程 不可逆现象是指摩擦、传热及其它的不平衡现象 热力计算的理论模型： 等熵流动模型 平衡流动模型 化学组分冻结的流动模型 化学组分突然冻结的流动模型 温度较高、压强较大、产物组分浓度也较大的情况,计算过程中采用平衡膨胀的平均比热。 燃烧温度较低的情况，计算过程中采用冻结平均比热。 这一模型有时能满意地替代考虑化学不平衡的复杂计算。 二、喷管热力计算的任务与计算方案： 1、喷管热力计算的任务 已知条件： 计算任务： （1）喷管进口截面上燃烧产物的热力学 参数（如 、 、 、 等）以 及产物组分的摩尔数 等 （2）表示喷管计算截面的参数（如给定 （或 ）、 、 等） (1)计算喷管指定截面 上(尤其是出口截面上)燃烧产物的组分及其热力学参数，即： 、 、 、 、 和 等。 （2）计算喷管指定截面 上(尤其是出口截面上)燃 烧产物的流速 和理论比冲 2、喷管热力计算的方程 （1）等熵方程： 喷管任一截面上燃烧产物的熵值 喷管入口截面上燃烧产物的熵值 引入函数 式中 是1mol j组分在一个物理大气压及燃烧温度 条件下的熵 （2）表示喷管计 算截面的方程： 给定喷管计算截面上的压强 ： 完全膨胀喷管的出口截面有 给定喷管压强比 ： 给定喷管面积比 ： 给定喷管计算截面的马赫数 ： 给定喷管计算截面的温度 ： 引入函数 （3）计算给定温度与压强条件下燃烧产物平衡组分 的方程： 喷管热力计算的方程 等熵方程： 喷管计算截面方程： 质量守恒方程和化学平衡方程（计算 ） 质量守恒方程 化学平衡方程 热力学参数 、 等 3、非线性方程组 、 的求解方法 对于非线性方程组，一般采用牛顿迭代法或内插法求解 牛顿迭代法： 利用泰勒级数 修正试算值 精度判断 N Y 燃烧产物的压强 和温度 热力学参数 、 等 三、喷管流动过程中典型情况的求解方法： 1、平衡膨胀到给定马赫数 及喷管喉部截面燃气参数的计算 平衡膨胀 喷管计算截面的参数是给定了马赫数 喷管喉部截面 上，有： ，可作为平衡膨胀到给定马赫数的特殊情况处理 等熵方程 有： 喷管计算截面的参数方程 有： 用牛顿迭代法求解由 和 组成的非线性方程组 取试算值 精度判断 N Y Stop 输出 级数 展开 利用热力学微分关系式表5-1 解线性方程组 热力学参数 、 等 2、燃烧产物膨胀到给定压强时燃气参数的计算： 最典型、也是最常遇到的情况就是：在设计状态下，计算喷管出口截面上的燃气参数。在设计状态下有： 燃烧产物平衡膨胀到出口截面的给定压强Pe 燃烧产物冻结膨胀到出口截面的给定压强Pe Ⅰ. 燃烧产物平衡膨胀到给定压强 时的燃气参数的计算： 采用平衡流动模型，计算步骤如下： （1）估算 并选取 和 ，使 （2）计算 和 条件下出口截面的 、 、 、 等 （3）根据 ，利用内插法确定出口截面的 。 如果 介于 和 之间时： （4）计算 条件下喷管出口截面处产物的平衡组分及其它的热力学参数。 计算内容包括： (a) 燃烧产物的平衡组分： (b) 燃烧产物的总焓： (c) 计算： (d) 计算喷管的平均等熵指数 ： 等 燃烧产物从 等熵膨胀到