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 lin 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( In a semi- 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: 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=l atm (来流马赫数为M=216,静压为1atm的超音速流。) In case 1.Po=10atm In case 2. y-1 M2)(p=(1+.2·2.162)35·lat ≈10atm
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10atm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(idea)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 02 po1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/pa,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
M Pon (a) Ideal (isentropic )supersonic diffuser A Weak normal shock M1>1 M51 (b) Actual supersonic diffuser 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*