10.4 DIFFUSERS(扩压器) 在322节中介绍低速风洞时,我们首次介绍了风洞 扩压器(扩压段)的作用。在那里,扩压器是试验段下 游的一段扩张管道,作用是将试验段的气体的高速度降 低至扩压器出口的很低速度。一般来说,我们可以将扩 压器定义如下:扩压器是将入流速度在其出口处降低的 任意管道( in general, we can define a diffuser as any duct designed to slow an incoming gas flow to lower velocity at the exit of the diffuser)
在3.2.2节中介绍低速风洞时，我们首次介绍了风洞 扩压器（扩压段）的作用。在那里，扩压器是试验段下 游的一段扩张管道，作用是将试验段的气体的高速度降 低至扩压器出口的很低速度。一般来说，我们可以将扩 压器定义如下：扩压器是将入流速度在其出口处降低的 任意管道(in general, we can define a diffuser as any duct designed to slow an incoming gas flow to lower velocity at the exit of the diffuser) 。 10.4 DIFFUSERS(扩压器)
扩压器的入流速度可以是亚音速的,也可以是超音速 的。然而,对于入流是亚音速的还是超音速的,扩压 器的形状截然不同( However, the shape of the diffuser is drastically different, depending on whether the incoming flow is subsonic or supersonic) M<1 亚音速扩压器
扩压器的入流速度可以是亚音速的，也可以是超音速 的。然而，对于入流是亚音速的还是超音速的，扩压 器的形状截然不同 (However, the shape of the diffuser is drastically different, depending on whether the incoming flow is subsonic or supersonic) . 亚音速扩压器
在讨论扩压器的形状之前,让我们来进一步研究75 节中总压的概念。在半定性的意义上,流动气体的 总压可被看作是气流做有用功能力的度量( n a sem qualitative sense the total pressure of a flowing gas is a measure of the capacity of the flow to perform useful work)
在讨论扩压器的形状之前，让我们来进一步研究7.5 节中总压的概念。在半定性的意义上，流动气体的 总压可被看作是气流做有用功能力的度量 (In a semiqualitative sense, the total pressure of a flowing gas is a measure of the capacity of the flow to perform useful work)
让我们考虑如下两个例子: a pressure vessel containing stagnant air at 10 atm. 压力为10atm的贮存静止气体的压力罐。) 2. A supersonic flow at m=2.16 and p=l atm (来流马赫数为M=216,静压为1atm的超音速流。) In case 1, P0=10atm In case bMp=(1+2263y5mn 2 ≈Iatm
让我们考虑如下两个例子： 1. A pressure vessel containing stagnant air at 10 atm. ( 一压力为10atm的贮存静止气体的压力罐。) 2. A supersonic flow at M=2.16 and p=1 atm (来流马赫数为M=2.16，静压为1atm的超音速流。) In case 1, =10atm, In case 2, 0 p 10atm ) (1 .2 2.16 ) 1atm 2 1 (1 2 ( 1) 2 3.5 0 = + • • − = + − p M p
现在,想象我们用气体驱动活塞汽缸中的活塞,其有 用功是通过活塞被移动的距离来体现。空气由一大的 进气管引入到汽缸里,就像汽车中的往复式内燃发动 机那样。对于情况1,压力罐就可直接作为进气管 因此活塞上的压力为10atm,对应一定量的功W1。 然而,在情况2中,超音速气流必须降低速度之后, 我们才能将其输入到进气管用以驱动活塞。如果减速 过程是在没有总压损失的情况下实现的,那么对于这 种情况在进气管内的压力也是10am因此,情况2对 应同样的有用功W1
现在，想象我们用气体驱动活塞汽缸中的活塞，其有 用功是通过活塞被移动的距离来体现。空气由一大的 进气管引入到汽缸里，就像汽车中的往复式内燃发动 机那样。对于情况1，压力罐就可直接作为进气管； 因此活塞上的压力为10 atm，对应一定量的功 W1 。 然而，在情况2中，超音速气流必须降低速度之后， 我们才能将其输入到进气管用以驱动活塞。如果减速 过程是在没有总压损失的情况下实现的，那么对于这 种情况在进气管内的压力也是10atm.因此，情况2对 应同样的有用功 W1
对于情况2,如果在降低超音速来流速度时有3atm 的总压损失,那么在进气管中的压力只有7atm,因 此,其只能对应有用功W2,并且一定小于W1。通 过这个简单的例子,我们可以看出流动气体的总压 确实是气体做有用功能力的度量,总压损失是降低 效率的,是做有用功能力的损失 根据上面的讨论,我们将扩压器的定义扩展如 下:扩压器是这样的一段管道,它的作用是使气流 以尽可能小的总压损失通过管道并在其出口降低速 度。( So we can expand our definition of a diffuser: A diffuser is a duct designed to slow an incoming gas flow to lower velocity at the exit of the diffuser with as small a loss in total pressure as possible.)
对于情况2，如果在降低超音速来流速度时有3atm 的总压损失，那么在进气管中的压力只有7atm，因 此，其只能对应有用功W2 ，并且一定小于W1 。通 过这个简单的例子，我们可以看出流动气体的总压 确实是气体做有用功能力的度量，总压损失是降低 效率的，是做有用功能力的损失。 根据上面的讨论，我们将扩压器的定义扩展如 下：扩压器是这样的一段管道，它的作用是使气流 以尽可能小的总压损失通过管道并在其出口降低速 度。（ So we can expand our definition of a diffuser: A diffuser is a duct designed to slow an incoming gas flow to lower velocity at the exit of the diffuser with as small a loss in total pressure as possible.)
因此,一个理想id的超音速扩压器,应当以等 熵压缩过程使速度降低。如图915a所示,超音速流以 马赫数进入扩压器,通过收缩段等熵地压缩到喉道处 (M=1),面积为A,然后进一步通过扩张管道在出 口处以较低的亚音速马赫数流出。因为流动是等熵的 ,所以总压通过整个扩压器是不变的。然而,实际经 验告诉我们,图915a所示的理想情况在现实中是不可 能发生的,超音速流在减速过程中不产生激波是极其 困难的。观察图915a,在扩压器的收缩段,超音速气 流向气流本身偏转,因此气流自身受到压缩会产生斜 激波,因此,等熵条件不再成立,通过激波有熵增产 生。而且,在真实问题中,气体是有粘性的,在扩压 器壁面附面层内也会产生熵增。由于这样的原因,理 想的等熵扩压器永不可能建立;其内在本质是“永动 机”原理,是不可能实现的
因此，一个理想(ideal)的超音速扩压器，应当以等 熵压缩过程使速度降低。如图9.15a所示，超音速流以 马赫数进入扩压器，通过收缩段等熵地压缩到喉道处 （M=1），面积为A*，然后进一步通过扩张管道在出 口处以较低的亚音速马赫数流出。因为流动是等熵的 ，所以总压通过整个扩压器是不变的。然而，实际经 验告诉我们，图9.15a所示的理想情况在现实中是不可 能发生的，超音速流在减速过程中不产生激波是极其 困难的。观察图9.15a，在扩压器的收缩段，超音速气 流向气流本身偏转，因此气流自身受到压缩会产生斜 激波，因此，等熵条件不再成立，通过激波有熵增产 生。而且，在真实问题中，气体是有粘性的，在扩压 器壁面附面层内也会产生熵增。由于这样的原因，理 想的等熵扩压器永不可能建立；其内在本质是“永动 机”原理，是不可能实现的
实际的超音速扩压器如图915b所示。这里,来流 通过一系列反射斜激波减速,收缩段通常采用收缩 直壁,然后再通过一等截面喉道。由于激波与附面 层的相互干扰,反射波会逐渐变弱和耗散,有时在 等截面喉道端口出现一弱的正激波。最后,等截面 喉道下游的亚音速流动通过扩张管道继续减速。很 明显,在出口处的熵s2>S1;因此,p2pa1。设计 高效率扩压器的关键在于使通过扩压器的气流总压 损失尽可能小。即将收缩段、扩张段、等截面喉道 设计得使p2/p越接近1越好
实际的超音速扩压器如图9.15b所示。这里，来流 通过一系列反射斜激波减速，收缩段通常采用收缩 直壁，然后再通过一等截面喉道。由于激波与附面 层的相互干扰，反射波会逐渐变弱和耗散，有时在 等截面喉道端口出现一弱的正激波。最后，等截面 喉道下游的亚音速流动通过扩张管道继续减速。很 明显，在出口处的熵s2>s1，因此，p0,2<p0,1。设计 高效率扩压器的关键在于使通过扩压器的气流总压 损失尽可能小。即将收缩段、扩张段、等截面喉道 设计得使p0,2 /p0,1越接近1越好
M1>1 M=1 01 p01=P la) Ideal (isentropic )supersonic diffuser A Weak normal shock M1>11 M2<1 P M≈1{M<1 I Po.<p (b) Actual e dIffus FIGURE. 10.15 The ideal (isentropic diffuser and compared with the actual situation 理想扩压器与实际扩压器的比较
FIGURE. 10.15 The ideal (isentropic) diffuser and compared with the actual situation 理想扩压器与实际扩压器的比较
需要注意的是,由于激波、附面层引起的熵增, 真正的超音速扩压器的喉道面积大于理想扩压器 的喉道面积,即A>A*
需要注意的是，由于激波、附面层引起的熵增， 真正的超音速扩压器的喉道面积大于理想扩压器 的喉道面积，即 At>A*