立即下载 知乎日报 每日提供高质量新闻资讯

年度热门 · 什么?这种鬼畜知识也被我学到了?

图片:Yestone 邑石网正版图库

你曾经被哪些自己所学专业的鬼畜知识震惊过?

陈二喜,航空系烈士

www.ag88.com www.njz-274.cn 说个我当初感觉很很震惊很难以接受的。

有一段下面形状的管子:

从左往右吹气,空气会加速。这是显而易见的。

而且吹得越用力,右端出来的气体速度越快,这也是容易想象的。

假如你足够能吹,右端跑出来的气体是否无限快呢?

No,不管你多能吹,从右端出来的气体最多到达音速。这时候,你再继续加大力气吹,就算把自己吹炸了,右端出口跑出来的气体速度依旧保持音速。

假如,在右端出口处再接一个管子的话:

气体在管 1 里面是加速的,加速完毕后,进入管 2 之后,速度怎么变呢?

答案是,进入管 2 之后,空气继续加速。以超音速从管 2 右端喷出。

总结:空气进入渐缩管 1 后加速,刚好到出管 1 的地方变成音速,进入渐扩管 2 后又继续加速。刚刚学这里的时候的确很震惊。

不过看到数学证明之后,觉得恍然大悟,数学证明很简单,联立质量守恒和动量守恒即可求解,证明过程放在文末。

-

上图中,两个管子对接起来组合成的东东叫拉法尔喷管,是瑞典工程师拉法尔在 1882 年发明的一个能够产生超音速流动的装置。

更加令人震惊的东西是:整个航空航天工业(的动力学部分),全都建立在拉法尔喷管基础之上。

1,火箭发动机

火箭的核心动力部件就是喷管,喷管尾部产生超音速气流,把工质喷出去,获得推力。为了产生超音速气流,需要保证喷管入口端(上图当中吹气的地方)压力到达临界值。因此,就得加一个燃烧室,把燃料燃烧产生高压气体。

上图是实物图,可以很明显看到喷管结构。再补充一个示意图:

也就是说,火箭发动机的核心动力装置其实就是在喷管的基础上进行改造的。

2,涡喷发动机

虽然,航空发动机是一个及其复杂的存在,但它其实也是一个喷管。

跟火箭发动机一样,为了保证喷管进口端压力足够,需要烧燃料,所以得有一个燃烧室。

燃料燃烧需要空气,为了保证燃烧够猛,需要在燃烧室前面加一个涡轮增压装置,以便于产生高压空气,供燃料燃烧。这个涡轮增压装置就是压气机。PS:买汽车的时候,销售会告诉你这车是涡轮增压还是自然进气。跟这个是一个道理,为了保证燃烧够猛,提供更强的动力,需要提供高压空气。所以,同样排量的汽车,烧同样多的汽油,涡轮增压动力更强劲。当然了,价格也更贵一些。

既然有了压气机,那压气机转动得需要能量,能量从哪里来呢?就从燃烧过后的气体中拿出一部分来用于吹动一个涡轮转动,涡轮转动后带动压气机工作。

所以,涡喷发动机就是在喷管里加上压气机和燃烧室以及涡轮。示意图如下:

可以看出来,画黑框的地方就是个喷管。

3,(超燃 / 亚染)冲压发动机

我们可以想象一下,加入飞机飞得足够快,将会导致空气撞上发动机之后迅速减速,减速就会导致压力升得足够高。此时,即使不用压气机,也能保证喷管入口处的气体压力足够高。所以,压气机不需要了,既然压气机不需要,那涡轮也不需要了。

这种发动机叫冲压发动机。就是飞机“冲”得速度足够快,使得喷管前方空气“压”力足够高的发动机。

没有了压气机和涡轮的发动机就只剩了一个喷管了。是的,飞得超级快的飞行器外面挂的就是一个喷管。

上图是超燃冲压发动机,整体来看,左边部分渐缩管,右边部分渐扩管。说白了就是一个喷管。但跟喷管不一样的地方在于,中间最细的那一部分拉长了,这一段叫隔离区,是为了防止燃烧室的一些波动影响上游。

亚燃冲压发动机就不用考虑燃烧室的波动影响上游,所以,亚燃冲压发动机的原理图中,没有上图中的隔离区,脑补之后就可以知道,那东西就是一个喷管。

4,超音速风洞

说完天上飞的,再来说说地面试验设备。为了测试飞行器外形能否满足飞行要求,需要做一个缩比模型放在超音速气流中吹一吹,即风洞试验。产生超音速流动的设备就是风洞。

风洞就是喷管。

为了保证喷管前方有足够的压力。需要在上游加一个高压罐,作用同发动机上的压气机。

高压罐里出来的气体进入喷管之前先升温,需要一个加热装置,作用同发动机上的燃烧室。

加热后的高压气体进入喷管,形成超音速流动。

风洞原理图如下:

上图中高压罐和喷管之间的管道上有加热装置。高压罐、管道、加热装置、喷管,这四者其实是拉长了的航空发动机。

总结:没有拉法尔喷管,就没有现代航空航天。

瞻仰一下:

-

空气进入渐缩管会加速,这个好理解。

不管多大力气吹,最后出口处竟然刚好一倍音速?

再接一个渐扩管不应该减速吗?为毛还要继续加速?

接下来就是数学证明时间。没事的可以散了。

上面两个式子,第一个是质量守恒,即 1 秒内吹进去的空气质量为 m,不管密度速度或者管子横截面积怎么变化,这团气体的质量永远保持 m。

第二个式子是关于动量的。力由压力提供,m 由第一个式子给出。

然后对这两个式子进行加工。

第一个式子两端求微分。

第二个式子消去时间项得到:

联立两个方程,结合音速定义,可得到:

M 为马赫数,即气流速度除以音速。马赫数小于 1,为亚音速。马赫数等于 1,为音速。马赫数大于 1,为超音速。

证明 1:向渐缩管吹气,气流会加速?

空气从你嘴里出来,是亚音速,马赫数小于 1,所以,

小于 0。

且,管子横截面积逐渐变小,所以

小于 0。

所以

大于 0,即速度是增加的。

证明 2:向渐缩管吹气,尾端出口处正好是音速?

利用反证法从逻辑上证明。

假如,空气是亚音速流动,那么就继续加速(证明 1 中的情况)

假如,空气已经变成超音速流动了,由公式可知,空气将减速。

假如,空气一直保持音速流动?由那个公式可知,面积在变,速度必须変,此情况不可能发生。

综上,空气在渐缩管中,必须一直加速,且在尾端出口处变成音速。

证明 3:空气进入渐扩管,为什么还要加速?

因为空气从第一个管子出来之后已经到达音速了,结合那个公式,可知,此时速度变化同面积变化趋势相同,渐扩管中,面积不断变大,速度也不断变大。所以,气流继续加速。

总结:在渐缩管中一直加速,到达交界处速度到达音速,进入渐扩管,速度继续增加。

扫描二维码下载知乎日报

支持 iOS 和 Android
二维码下载知乎日报
阅读更多 吸烟到底有哪些危害? www.ag88.com