空氣動(dòng)力學(xué)-第6章

6.1熱力學(xué)基礎(chǔ)知識

6.1.1熱力學(xué)的物系熱力學(xué)體系：和周圍環(huán)境的其它物體劃開的一個(gè)任意形態(tài)的物質(zhì)體系（一）既無物質(zhì)交換又無能量交往的，稱為隔絕體系（二）無物質(zhì)交換，但有能量交換的，稱為封閉體系（三）有物質(zhì)交換，也有能量交換的，稱為開口體系高速流中遇到的情況絕大多數(shù)屬于隔絕體系和封閉體系。經(jīng)典熱力學(xué)所處理的都是處于平衡狀態(tài)下的物系。但在分析時(shí)我們也常用開口體系（控制體）。6.1、熱力學(xué)基礎(chǔ)知識6.1.2完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程、內(nèi)能和焓、熱力學(xué)第一定律1、完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程完全氣體：氣體分子直徑遠(yuǎn)小于分子的平均自由程，且分子間不存在引力僅為完全彈性碰撞的氣體稱為完全氣體，空氣可被假設(shè)為完全氣體。狀態(tài)方程：任何氣體的壓強(qiáng)、密度、絕對溫度三者之間存在一定的關(guān)系，稱為狀態(tài)方程。對于完全氣體的狀態(tài)方程為：其中R

稱為氣體常數(shù)，空氣的R=287.053N.m/(kg.K)。在熱力學(xué)中，常常引入另外一個(gè)代表熱含量的參數(shù)h（焓）由于表示單位質(zhì)量流體所具有的壓能，故焓h表示單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能和壓能之和。

2、內(nèi)能、焓氣體內(nèi)能是指分子微觀熱運(yùn)動(dòng)（與溫度有關(guān)）所包含的動(dòng)能與分子之間存在引力而形成的位能之和。對于完全氣體而言，分子之間無引力，單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能u僅僅決定于分子間的熱運(yùn)動(dòng)，是溫度的函數(shù)。6.1.2完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程、內(nèi)能和焓、熱力學(xué)一定律

熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是一條能量守恒定律。對一個(gè)封閉物系來說，經(jīng)過一步無限微小的可逆過程，由外界給物系的熱量dQ必等于物系的內(nèi)能增量dU和該物系對外界膨脹所作的功pdV這二者之和(這里V是體積)，即：這是靜止物系的熱力學(xué)第一定律的公式。上式兩端同除以物系的質(zhì)量可得靜止物系滿足的單位質(zhì)量能量方程：6.1.2完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程、內(nèi)能和焓、熱力學(xué)一定律密度的倒數(shù)就是單位質(zhì)量的體積，即比容。單位質(zhì)量的焓的微分是：

從而靜止物系單位質(zhì)量的能量方程可用焓表為：一個(gè)物系的壓強(qiáng)、密度和溫度都是狀態(tài)函數(shù)或稱點(diǎn)函數(shù)，內(nèi)能和焓都是狀態(tài)函數(shù)或函數(shù)。6.1.2完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程、內(nèi)能和焓、熱力學(xué)一定律比熱比熱：單位質(zhì)量氣體每加熱升高一度時(shí)所吸收的熱量比熱的大小與熱力學(xué)過程有關(guān)。由靜止氣體熱力學(xué)第一定律：

定容過程的比熱（cυ）和等壓過程的比熱（cp）:6.1.2完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程、內(nèi)能和焓、熱力學(xué)一定律將比熱關(guān)系和狀態(tài)方程代入焓的表達(dá)可得梅耶公式：采用完全氣體模型，比熱及比熱比γ都是常數(shù)。完全氣體的模型只能用到M

數(shù)不太高的超音速流為止。對于M數(shù)很高的高超音速流動(dòng)，則必須計(jì)及氣體的非完全性

常規(guī)狀態(tài)下空氣的比熱比：6.1.2完全氣體假設(shè)與狀態(tài)方程、內(nèi)能和焓、熱力學(xué)一定律

熵熵是反映熱能可利用部分的指標(biāo)，有意義的是熵增量。熵增量的定義是：系統(tǒng)經(jīng)歷可逆過程時(shí)的加熱量與溫度之比。下標(biāo)表示可逆：6.1.3熵，熱力學(xué)過程，熱力學(xué)第二定律熵是狀態(tài)參數(shù)，這是因?yàn)殪卦隹梢詫憺槿⒎郑红卦隽康谋磉_(dá)還可寫為（根據(jù)上述二式）：因此等熵即：

或：或：6.1.3熵，熱力學(xué)過程，熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)過程系統(tǒng)可在各種條件下經(jīng)歷熱力學(xué)過程從一種熱力學(xué)狀態(tài)變化到另一種熱力學(xué)狀態(tài)，不同的熱力學(xué)過程可用其對應(yīng)的壓強(qiáng)和比容關(guān)系即p~υ圖表達(dá)出來。常見的熱力學(xué)過程可用下式表達(dá)：

其中是比容n=0－－等壓過程n=1－－等溫過程n=γ=Cp/Cv－等熵（絕熱可逆）過程n=∞－－等容過程n=其他－－多變過程6.1.3熵，熱力學(xué)過程，熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律指出：在絕熱變化過程中，如果過程可逆，則熵值保持不變，s=0

，稱為等熵過程；如果過程不可逆，熵值必增加，s>0。因此，熱力學(xué)第二定律也稱為熵增原理。在高速流中，不可逆是因氣體摩擦、激波出現(xiàn)以及因溫度梯度而引起。一般在絕大部分流場區(qū)域速度梯度和溫度梯度都不大，可近似視為絕熱可逆的，稱為等熵流動(dòng)，等熵關(guān)系式成立。在邊界層及其后的尾跡區(qū)，激波附近區(qū)域，氣體的粘性和熱傳導(dǎo)不能忽視區(qū)域，流動(dòng)是熵增不可逆過程，等熵關(guān)系式不能用。

3.

熱力學(xué)第二定律6.1.3熵，熱力學(xué)過程，熱力學(xué)第二定律6.2音速和馬赫數(shù)

6.2.1弱擾動(dòng)與強(qiáng)擾動(dòng)

可壓流場的流動(dòng)現(xiàn)象與擾動(dòng)傳播速度和擾動(dòng)傳播區(qū)有關(guān)如果描寫流場的諸物理參數(shù)（V

，p，ρ

，T）發(fā)生了變化，就說流場受到了擾動(dòng)。使流動(dòng)參數(shù)的數(shù)值改變得非常微小的擾動(dòng)，稱為微弱擾動(dòng)簡稱為弱擾動(dòng)，例如說話（即使是大聲說話）時(shí)聲帶給空氣的擾動(dòng)就是如此。使流動(dòng)參數(shù)改變有限值的擾動(dòng)，稱為有一定強(qiáng)度的擾動(dòng)簡稱為強(qiáng)擾動(dòng)，例如激波便是一種強(qiáng)擾動(dòng)。6.2.2微弱擾動(dòng)傳播過程與傳播速度——音速在不可壓流中，微弱擾動(dòng)傳播速度a是無限大，擾動(dòng)瞬間將傳遍全部流場在可壓流中，情況就不一樣了。因?yàn)闅怏w是彈性介質(zhì)，擾動(dòng)不會(huì)在一瞬間傳遍整個(gè)流場，擾動(dòng)的傳播速度a不是無限大，而是有一定的數(shù)值。注意擾動(dòng)的傳播速度a

與介質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)速度

dV

是兩碼事，一般情況下dV<<a音速——微弱擾動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播速度，是研究可壓流場的一個(gè)很重要的物理量。音速大小只與介質(zhì)物理屬性、狀態(tài)、以及波傳播過程的熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而同產(chǎn)生擾動(dòng)的具體原因無關(guān)。6.2.3音速公式

如圖充滿氣體的活塞，設(shè)想對活塞輕微的推動(dòng)一下，則擾動(dòng)便以速度a向右傳播，擾動(dòng)波未到達(dá)前后氣體的參數(shù)如圖所示。取隨波陣面AA運(yùn)動(dòng)的相對坐標(biāo)，我們從基本方程出發(fā)導(dǎo)出音速的表達(dá)式。由質(zhì)量守恒定律：略二階小量得：根據(jù)動(dòng)量定理（向左為正）：整理得：二式相除得：aa-dVp,ρ,Tp+dp,ρ+dρT+dTx6.2.3音速公式由于音速的平方與密度變化量成反比，即同樣的壓強(qiáng)變化量下，音速的大小反映了密度變化的小大，因此音速a是介質(zhì)壓縮性的一個(gè)指標(biāo)。由于介質(zhì)的彈性模量定義為產(chǎn)生單位相對體積變化時(shí)（或產(chǎn)生單位相對密度變化時(shí)）所需的壓強(qiáng)變化量，所以彈性模量是反映介質(zhì)壓縮難易程度的指標(biāo)。實(shí)際上音速可用彈性模量E寫為：微弱擾動(dòng)在空氣中的傳播可看成是等熵過程，將等熵關(guān)系代入音速公式可得：例如在海平面空氣的音速a≈340m/s，而水的音速a≈1440m/s

6.2.4馬赫數(shù)馬赫數(shù)：氣流速度V與當(dāng)?shù)匾羲賏之比由于音速隨高度（或溫度）變化，因此在不同高度上，同樣的M

數(shù)並不一定表示速度相同。馬赫數(shù)是一個(gè)非常重要的無量綱參數(shù)，是一個(gè)反映壓縮性大小的相似準(zhǔn)則。M

數(shù)的大小標(biāo)志著運(yùn)動(dòng)空氣壓縮性的大小，M值越大則壓縮性越大：可證當(dāng)時(shí)，，密度的相對變化不大，這時(shí)可將低速氣體近似視為不可壓縮流體。事實(shí)上即使是液體也不可能絕對不可壓。我們將低速氣體看成不可壓流體的原因在于，流動(dòng)時(shí)引起密度的變化很小，因此不可壓仍然是一種理想化的假設(shè)模型，而這種模型具有一定程度的合理性。6.2.4馬赫數(shù)馬赫數(shù)還代表單位質(zhì)量氣體的動(dòng)能和內(nèi)能之比，即

M數(shù)很小，說明單位質(zhì)量氣體的動(dòng)能相對于內(nèi)能而言很小，速度的變化不會(huì)引起氣體溫度即內(nèi)能的顯著變化，因此對于不可壓流體其內(nèi)能不變或溫度不變，不考慮其熱力關(guān)系。對不可壓流體來說，如果溫度有變化，那一定是傳熱引起的，但加熱只能使溫度升高或內(nèi)能增加，不能使流體膨脹做功。對于高速氣體來說（M

較大），即使是在絕熱情況下，速度的變化會(huì)引起熱力關(guān)系（

p、ρ

、T

）變化，內(nèi)能將參與能量轉(zhuǎn)換。6.3高速一維定常流高速流動(dòng)時(shí)，即使只是一維定常流動(dòng)，由于密度ρ和溫度T發(fā)生變化，流動(dòng)參數(shù)增加為四個(gè)：V

、p、ρ、T已經(jīng)有了三個(gè)基本方程，它們是：連續(xù)方程、動(dòng)量方程和狀態(tài)方程。為了能解出四個(gè)流動(dòng)參數(shù)，需要補(bǔ)充第四個(gè)方程—能量方程。6.3.1

一維定常絕熱流的能量方程一維定常流能量方程在第2章，我們討論了能量方程即積分形式的能量方程為：一維定常時(shí)：

在重力場下即：表明對流體微團(tuán)加熱和做功，等于微團(tuán)內(nèi)能增加、勢能增加、動(dòng)能增加、對外膨脹做功以及壓強(qiáng)做功（合為流動(dòng)功）6.3.1

一維定常絕熱流的能量方程當(dāng)不考慮做功和略勢能時(shí)流動(dòng)子物系的能量守恒式為:

這個(gè)式子比靜止物系多了兩項(xiàng)，其中的是流動(dòng)時(shí)所特有的功，那是流體微團(tuán)的體積不變，在壓強(qiáng)有變化的流場中運(yùn)動(dòng)時(shí)所作的功；另一項(xiàng)是動(dòng)能的改變量。

在一維定常絕熱可壓縮流中，上能量方程可積分為：用焓表示時(shí)，上述能量方程為：一維定常流能量方程的不同形式根據(jù)焓的不同表達(dá)從而：條件：沿流線定常、絕熱、絕功、略勢能、可壓縮、允許有粘性表明：沿流（線）管V增加時(shí)，h,T,a下降，但總能量不變6.3.1一維定常絕熱流的能量方程

對于一維定常絕熱流，我們可以確定流動(dòng)參數(shù)沿流線（或沿流管軸線）變化的關(guān)系式，但需給定參考點(diǎn)上的參數(shù)值。常用的參考點(diǎn)是駐點(diǎn)或臨界點(diǎn)。使用駐點(diǎn)參考量的參數(shù)關(guān)系式駐點(diǎn)指速度等熵地降為零的點(diǎn)。在駐點(diǎn)處焓達(dá)到最大值，稱為總焓或駐點(diǎn)焓h0。由定常一維絕熱流能量方程：駐點(diǎn)處的溫度，稱為總溫T0

：

h0、T0（或α0）可以代表一維絕熱流的總能量，當(dāng)絕熱時(shí)總焓和總溫均不變。而T是V≠0點(diǎn)處的當(dāng)?shù)販囟?，稱為靜溫。6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式由前式可得總、靜溫之比為：在一維絕熱有粘流中，我們定義流線上任一點(diǎn)（或任一截面）處的總壓是該處流速等熵滯止為零時(shí)所達(dá)到的壓強(qiáng)，或稱駐點(diǎn)壓強(qiáng)，根據(jù)等熵關(guān)系：6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式由等熵關(guān)系式還可寫出密度比與溫度比的關(guān)系為從而得到所謂的一維等熵關(guān)系式對應(yīng)的可將ρ0看成流動(dòng)等熵滯止時(shí)達(dá)到的密度，稱為總密度、駐點(diǎn)密度或滯止密度。對于一維等熵流，則T0，p0，ρ0

這三個(gè)總參數(shù)均不變。其中第一式只要求絕熱就成立說明一維絕熱流中總、靜溫及相應(yīng)的壓強(qiáng)和密度之比均只取決于當(dāng)?shù)豈數(shù)6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式使用臨界參考量的參數(shù)關(guān)系式

在一維絕熱流中，沿流線某點(diǎn)處的流速恰好等于當(dāng)?shù)氐囊羲?，即M=1，則稱為臨界點(diǎn)或臨界截面。臨界參數(shù)用上標(biāo)“*”表示由絕熱能量方程可得：

a*稱為臨界音速：得臨界點(diǎn)與滯止點(diǎn)溫度比為：6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式

由等熵關(guān)系可得臨界壓強(qiáng)與駐點(diǎn)壓強(qiáng)、臨界密度與駐點(diǎn)密度之間的關(guān)系：

由于臨界音速a*

正比于滯止音速a0

，即正比于，故它也可代表一維絕熱流的總能量，同時(shí)可以作為一個(gè)參考量。6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式速度系數(shù)λ與馬赫數(shù)

M之間的關(guān)系是：

速度系數(shù)利用臨界音速a*可以定義一個(gè)無量綱速度系數(shù)λ：采用速度系數(shù)λ

的好處是：當(dāng)絕熱時(shí)臨界音速a*是個(gè)定值，方便計(jì)算，而M數(shù)中的音速a還會(huì)隨流動(dòng)變化，計(jì)算不方便。速度系數(shù)λ與馬赫數(shù)M

的關(guān)系曲線見下圖，其特點(diǎn)是：M=0，λ=0；M＜1，λ＜1；M=1，λ=1；M＞1，λ＞1；6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式由絕熱能量方程可知，當(dāng)溫度T降為0，速度達(dá)到最大：當(dāng)然根據(jù)熱力學(xué)第二定律，實(shí)際上不可能用加速膨脹的方法使氣流毫無損失地將溫度降到絕對零度。

一維等熵關(guān)系式可用速度系數(shù)來表達(dá)絕熱能量方程用滯止音速可寫為：用右端同除式子，同時(shí)注意到右端還可表為總參數(shù)：從而絕熱能量方程可寫為：壓強(qiáng)比與密度比關(guān)系可利用等熵關(guān)系寫出：6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式6.3.2一維定常絕熱流參數(shù)間的基本關(guān)系式

這三個(gè)用速度系數(shù)表達(dá)的式子也稱為一維等熵關(guān)系式，其中第一式只要求絕熱即成立。

可見隨速度系數(shù)增加，溫度、壓強(qiáng)和密度一路都是下降的。這些關(guān)系都做成了表格方便查閱。從而：等熵管流的速度與截面積關(guān)系又一維定常流微分形式的連續(xù)方程是：綜合兩式，得等熵管流中速度變化與截面積變化的關(guān)系式：

將音速公式代入歐拉方程可得：

6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式發(fā)生音速處面積A有極值，從物理上可判斷該處A應(yīng)是極小值（反證）亞音速（包括低速）時(shí)如果管截面收縮則流速增加，面積擴(kuò)大則流速下降；超音速時(shí)情形則剛好相反。從式我們可以看出：6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式上述截面流速與截面積變化規(guī)律的物理原因是：亞音速時(shí)密度變化較速度變化為慢，而超音速時(shí)密度變化比流速變化快亞音速時(shí)想增加流速，由連續(xù)方程則截面積應(yīng)縮小。超音速時(shí)想增加流速，由連續(xù)方程則截面積應(yīng)放大。6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式

由上已經(jīng)看到，一維定常等熵流中密度ρ的變化趨勢與速度V相反，其他氣流參數(shù)（p、T）隨速度V的變化趨勢是怎樣的？

壓強(qiáng)

p

變化趨勢與速度相反由微分形式的動(dòng)量方程（歐拉方程）：

將音速表達(dá)代入上式得：

溫度T變化趨勢與速度也相反將上二式代入狀態(tài)方程可得溫度比的關(guān)系：2.其它流動(dòng)參數(shù)與截面積的關(guān)系6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式由這三個(gè)關(guān)系右端的系數(shù)可見，當(dāng)速度增加時(shí)，p、ρ、T都是減小的，但p

減小最快，ρ減小次之，而T

減小最慢（空氣γ＝1.4）。即：6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式面積減小增大增大減小速度增大減小增大減小壓力減小增大減小增大密度減小增大減小增大溫度減小增大減小增大馬赫數(shù)增大減小增大減小用以下圖表來表示一維定常等熵變截面管流中的參數(shù)變化：6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式3.拉瓦爾噴管或噴管對一維等熵管流，如想讓氣流沿管軸線連續(xù)地從亞音速加速到超音速，即始終保持dV＞0，則管道應(yīng)先收縮后擴(kuò)張，中間為最小截面，即喉道。即使氣流在喉道之前收縮膨脹加速，在喉道處達(dá)到音速，之后繼續(xù)膨脹加速，達(dá)到超音速。6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式一個(gè)噴管在出口截面產(chǎn)生M＞1的超音速氣流的條件是：管道形狀應(yīng)成為拉瓦爾管形狀在噴管上下游配合足夠大的壓強(qiáng)比一個(gè)出口接大氣的噴管，當(dāng)噴管出口達(dá)到設(shè)計(jì)M

數(shù)而出口壓強(qiáng)恰等于外界大氣壓強(qiáng)時(shí)，則噴管處于設(shè)計(jì)狀態(tài)。如果上游壓強(qiáng)過高或過低，噴管出口內(nèi)外將出現(xiàn)激波或膨脹波。

流量公式與面積比關(guān)系噴管截面積與馬赫數(shù)的關(guān)系可由如下的流量公式與面積比關(guān)系計(jì)算：可見，用該式計(jì)算流量只需知道總壓、總溫、截面積和q(λ)6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式q（λ）隨λ

變化的曲線如圖，其特點(diǎn)是：當(dāng)λ=1時(shí)，q（λ）=1；當(dāng)λ=0和λ=λmax時(shí)，q(λ)=0；

q(λ)等函數(shù)與λ的關(guān)系均已做成表格(附表4、5)，可方便查讀。流量函數(shù)還可用馬赫數(shù)表達(dá)為：流量函數(shù)：可得噴管中任一截面與喉道的面積比關(guān)系：由管流的質(zhì)量守恒關(guān)系：利用上述面積比關(guān)系可求出噴管中某截面處λ（M）數(shù)，或根據(jù)λ

（M）數(shù)要求初步設(shè)計(jì)噴管，確定噴管出口與喉道面積比。由于流量函數(shù)q(λ)在λ＝1處達(dá)到極大值q(1)=1，因此當(dāng)喉道達(dá)音速時(shí)，下式規(guī)定了噴管的最大流量：6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式例：有一個(gè)超音速風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面積為0.6m×0.6m正方形，噴管是二維的（即等寬度0.6m），試驗(yàn)段Mt=2.0，上游安定段總壓p0=400kN/m2，T0=293K。試求喉道高度h*，試驗(yàn)段pt、Vt、mt。解：(1)由查表或通過計(jì)算得(2)(3)6.3.3等熵管流的流動(dòng)參數(shù)與截面積關(guān)系、流量公式6.4微弱擾動(dòng)的基本特征

6.4.1微弱擾動(dòng)的傳播區(qū)、馬赫錐

亞音速流場和超音速流場有許多本質(zhì)上的差別，其中之一是小擾動(dòng)的傳播范圍或者說影響區(qū)是不同的。在一個(gè)均勻流場中擾源發(fā)出的小擾動(dòng)均以音速向四周傳播，影響區(qū)有下面四種情況：μ的定義域是：M≥1（a）在靜止氣體中（M=0）從某瞬間看，前i秒發(fā)出的擾動(dòng)波面是以擾源O為中心、iα為半徑的同心球面。只要時(shí)間足夠長，空間任一點(diǎn)均會(huì)受到擾源的影響，即擾源的影響區(qū)是全流場（b）亞音速氣流中(M<1)

前i秒擾源發(fā)出的半徑為iα的球面波要順來流方向從O下移到Oi點(diǎn)，OOi=iV。由于iV＜iα，故擾動(dòng)仍可遍及全流場。

（c）音速氣流中（M=1）iV=iα擾動(dòng)影響半平面。（d）超音速氣流中（M＞1）此時(shí)OOi=iV＞iα擾源的影響不僅不能到O點(diǎn)的前方，而且局限在以O(shè)為頂點(diǎn)所有擾動(dòng)球面波包絡(luò)面—圓錐面即馬赫錐以內(nèi)6.4.1微弱擾動(dòng)的傳播區(qū)，馬赫錐亞音速流場中擾動(dòng)可遍及全流場，氣流沒有到達(dá)擾源之前已感受到它的擾動(dòng)，逐漸改變流向和氣流參數(shù)以適應(yīng)擾源要求；而在音速和超音速流場中，擾動(dòng)不會(huì)逆?zhèn)鞯綌_源上游，氣流未到達(dá)擾源之前沒有感受到任何擾動(dòng)，故不知道擾源的存在。超音速流中三維弱擾動(dòng)的邊界線是馬赫錐，其半頂角稱為馬赫角，M值越大則μ角越小。二維弱擾動(dòng)的邊界線稱為馬赫線或馬赫波，馬赫波與來流的夾角仍然是馬赫角。顯然只有在音速和超音速情況下才可能存在馬赫波或馬赫錐。（注：超音速流中強(qiáng)擾動(dòng)以激波為界，激波是使壓強(qiáng)、密度、溫度等產(chǎn)生突躍變化的界面，強(qiáng)擾動(dòng)被限制在激波下游也不能逆?zhèn)?，激波角與馬赫角不同，需按照激波理論確定。）6.4.1微弱擾動(dòng)的傳播區(qū)，馬赫錐6.4.2 微弱擾動(dòng)馬赫波滿足的基本關(guān)系如圖超音速流場中壁面在O點(diǎn)向外折微小的角度dδ（規(guī)定外折為正），則擾動(dòng)被限制在由O點(diǎn)發(fā)出的馬赫波OL的下游，擾動(dòng)的影響是使氣流外折dδ這么大的角度。OL線與原始?xì)饬鞯膴A角是：超音速氣流受到微小擾動(dòng)而使氣流方向發(fā)生變化，擾動(dòng)的界面是馬赫錐或馬赫波，擾動(dòng)包含了膨脹擾動(dòng)和壓縮擾動(dòng)兩種，以下討論平面擾動(dòng)，先考慮微小膨脹擾動(dòng)如圖將馬赫波波前和波后的速度分解為垂直和平行波面的兩個(gè)分量，取一個(gè)無窮靠近波面的控制體如圖。由于在平行波方向上無壓強(qiáng)變化，故切向動(dòng)量方程是：

即切向分速相等：由幾何關(guān)系：dδ微小的條件下保留一階小量得：VVdV6.4.2 微弱擾動(dòng)馬赫波滿足的基本關(guān)系dδLVV’=V+dVμVtVt’o由于經(jīng)過馬赫波的流動(dòng)可視為絕熱流動(dòng)，且由于參數(shù)變化微小故可假設(shè)為等熵流動(dòng)，因此前述等熵參數(shù)變化關(guān)系成立：6.4.2 微弱擾動(dòng)馬赫波滿足的基本關(guān)系此式即：表明超音速時(shí)外折微小角度dδ

將使流動(dòng)加速，反之內(nèi)折微小角度將使流動(dòng)減速。將上述速度變化dV/V與外折角dδ

的關(guān)系式代入可得經(jīng)外折角dδ后的壓強(qiáng)、密度和溫度變化關(guān)系：

可見超音速經(jīng)微小外折角后，伴隨著氣流速度增大，壓強(qiáng)、密度和溫度均減小，氣流膨脹，故稱為膨脹馬赫波簡稱膨脹波；反之當(dāng)璧面內(nèi)折一個(gè)負(fù)的微小角度，則伴隨著流速減小，壓強(qiáng)、密度和溫度增，氣流發(fā)生壓縮，故稱為壓縮馬赫波簡稱壓縮波。

經(jīng)過馬赫波（包括膨脹波與壓縮波）后璧面上壓強(qiáng)系數(shù)為：6.4.2 微弱擾動(dòng)馬赫波滿足的基本關(guān)系先考察氣流在O1處經(jīng)受外折微小角度dδ1以后，又在O2、O3繼續(xù)外折角度dδ2

及dδ3在超音速流中，擾動(dòng)只向下游傳播，所以，在新的折點(diǎn)O2上游，氣流保持O1L1下游的速度

M2=M1+dM1，方向下折dδ1。流到O2時(shí)，受到新的擾動(dòng)，穿過新的馬赫波O2L2，繼續(xù)外折dδ2，速度變?yōu)镸3=M2+dM2

。與當(dāng)?shù)貧饬鞣较虻膴A角為：6.5 膨脹波

6.5.1 壁面外折δ由于

M2＞M1，所以μ2＜μ1

這就是說，第二道膨脹波與波前氣流方向的夾角小于第一道膨脹波的傾斜角。但M2

的方向相對于M1

而言已外折了dδ1，故O2L2與AO1的夾角是（μ2-dδ1），也就是說，相對于原始?xì)饬鞯姆较蚨?，O2L2比O1L1向右傾斜得利害一些。同理，μ3＜μ2＜μ1， 即，后產(chǎn)生的每一道膨脹波相對于原始?xì)饬鞯膬A斜角都比前面的小，所以每道膨脹波不可能彼此相交，因而形成了一個(gè)連續(xù)的膨脹區(qū)域。6.5 膨脹波

6.5.1 壁面外折δ根據(jù)極限概念，曲線可以看作是無數(shù)條微元折線的極限。因而，超音速氣流繞外凸曲壁膨脹可看成連成一片的連續(xù)膨脹地帶。繞有限值外鈍角的流動(dòng)也可看成從角點(diǎn)發(fā)出的連續(xù)膨脹波形成的（普朗特—邁耶流動(dòng)Prandtl-MeyerFlow）由于變化是連續(xù)的，流場不會(huì)有很大的線變形率和角變形率，粘性作用可以忽略，同時(shí)也沒有很大的溫度梯度，氣體微團(tuán)間也沒有顯著的熱傳導(dǎo)發(fā)生，流動(dòng)可視為等熵的。6.5 膨脹波

6.5.1 壁面外折δ值得指出的是，對于超音速繞多個(gè)微小內(nèi)折直線段或凹曲面流動(dòng)時(shí)必然進(jìn)行壓縮變化。這個(gè)連續(xù)的曲面也可以看成是無限個(gè)微小直線段連成的折線璧面，每一線段轉(zhuǎn)折一個(gè)微小角度，產(chǎn)生一道微小壓縮波，這些微小壓縮波對當(dāng)?shù)貧饬鞫云洳ń嵌际邱R赫角，但由于氣流經(jīng)每一道壓縮波后馬赫數(shù)都下降一次，再加上波后氣流沿璧向內(nèi)轉(zhuǎn)折，兩種因素都使壓縮波在一定距離處聚攏，末端形成一道具有一定強(qiáng)度的突躍的壓縮波即斜激波，其波角不能用馬赫角計(jì)算。由于經(jīng)過激波時(shí)參數(shù)發(fā)生劇烈改變，粘性不能忽略，流動(dòng)不等熵。當(dāng)璧面在o點(diǎn)直接內(nèi)折一個(gè)非微小量的角度δ時(shí)，形成從o點(diǎn)發(fā)出的始終具有一定強(qiáng)度的斜激波。6.6.1正激波

1.正激波的形成如果在一根長管中充滿了靜止氣體，壓強(qiáng)為

p1，密度為ρ1

，溫度為T1。管之左端用一個(gè)活塞封住從t=0

起到

t=t1

為止，活塞向右做急劇的加速運(yùn)動(dòng)，t1以后以勻速前進(jìn)。從t=0

到t=t1的加速過程中，活塞以右的氣體受到越來越強(qiáng)的壓縮，假設(shè)t1

時(shí)與活塞接觸的氣體壓強(qiáng)由原來的

p1上升到

p2，AA界面是第一個(gè)擾動(dòng)所達(dá)到的地方，其右是未經(jīng)擾動(dòng)的氣體，以左是已經(jīng)被壓縮過的氣體，而且越靠活塞壓縮越厲害，氣體的壓強(qiáng)由AA處的

p1連續(xù)地上升到活塞處的

p2。我們可以把這個(gè)連續(xù)的變化看作是無數(shù)個(gè)微小的壓縮波，每一道波使壓強(qiáng)提高一個(gè)，每一小步的壓縮波都以當(dāng)?shù)氐囊羲傧蛴彝七M(jìn)。活塞初動(dòng)時(shí)的第一道小波以的速度向右推進(jìn)，該波掃過的氣體，壓強(qiáng)和溫度都有微小提高。第二道小波向右推進(jìn)的速度是，比第一道波快。第三道波又在第二道之后，每道居后的波都在追趕它前面的波。t1時(shí)AA到BB的長度，必隨時(shí)間的前進(jìn)越來越短6.6.1正激波

1.正激波的形成再經(jīng)過一定時(shí)間，所有后產(chǎn)生的波都追上了第一道波，整個(gè)波區(qū)A-B的長度縮短為零，無數(shù)多道微弱壓縮波疊在一起，形成一張具有一定強(qiáng)度的突躍壓縮面S-S。在S-S未到之處，氣體完全沒有受到壓縮，而只要S-S一到，氣體就突然受到壓縮，壓強(qiáng)由p1突然增大到p2。這樣一個(gè)突躍的壓縮面S-S，稱為激波。因S-S面與氣流方向垂直，這種激波稱為正激波上面討論時(shí)未考慮氣體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度，氣體原來靜止，經(jīng)第一道波壓縮之后，氣體微團(tuán)多少有了一點(diǎn)向右的運(yùn)動(dòng)速度，所以第二道波的速度還應(yīng)疊加該氣體運(yùn)動(dòng)速度，兩個(gè)因素都是使第二道波比第一道波快。激波形成是必然的。6.6.1正激波

1.正激波的形成6.6.1正激波

1.正激波的形成正激波一旦形成就會(huì)以一定速度Vs（必大于a1）向右推進(jìn)，激波掃過的氣體壓強(qiáng)、密度、溫度均突躍升高，同時(shí)氣體微團(tuán)速度也突然升高為Vg

，Vg遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vs，活塞停止加速后，也必須以Vg

跟著向右運(yùn)動(dòng)，否則活塞與氣體之間就會(huì)發(fā)生真空。6.6.1正激波

2.正激波的推進(jìn)速度與蘭金－雨貢紐關(guān)系式取如圖與激波固連的控制體，由質(zhì)量方程：動(dòng)量方程：可解出激波推進(jìn)速度Vs

與波后氣體速度Vg分別為：絕對坐標(biāo)相對坐標(biāo)實(shí)際上激波前后密度變化是根據(jù)壓強(qiáng)變化確定的。由能量方程：將上述Vs和Vg的關(guān)系代入上能量方程可解出密度比：這個(gè)關(guān)系稱為蘭金－雨貢紐關(guān)系式（Rankine–Hugoniot）

，它規(guī)定了激波的密度比由壓強(qiáng)比所決定也稱為突躍絕熱關(guān)系。2.正激波的推進(jìn)速度與蘭金－雨貢紐關(guān)系式由此圖看出：（—）當(dāng)壓強(qiáng)比不大，即激波強(qiáng)度不大時(shí)，突躍絕熱線與等熵線幾乎是重合的。這表明，跨過弱激波的過程非常接近于等熵過程；（二）壓強(qiáng)比愈大，即激波愈強(qiáng)時(shí)，突躍絕熱過程與等熵過程的差別愈大；（三）在突躍絕熱過程中，即使，密度比也只能趨于有限值，但等熵過程密度比趨于無限大。蘭金－雨貢紐關(guān)系與等熵關(guān)系的比較見圖：2.正激波的推進(jìn)速度與蘭金－雨貢紐關(guān)系式激波推進(jìn)速度和波后氣體速度式還可寫為：

可見，激波相對于波前氣流是超音速的，激波推進(jìn)速度越大則激波強(qiáng)度就越強(qiáng)，當(dāng)激波很弱時(shí)p2/p1≈1，激波推進(jìn)速度無限接近波前未受擾動(dòng)氣流的音速a1。

激波相對于波后氣流是亞音速的，激波越強(qiáng)時(shí)激波相對于波后氣體的推進(jìn)速度就越小。2.正激波的推進(jìn)速度與蘭金－雨貢紐關(guān)系式例：長管中靜止空氣的壓強(qiáng)p1=1大氣壓，ρ1=1.225kg/m2,T1=288K。用活塞壓縮空氣產(chǎn)生正激波，p2=2大氣壓。求激波Vs、

Vg和a2。解：可見Vs>

a1

，即正激波相對于波前的氣體其推進(jìn)速度是超音速的，Vs-Vg<a2，即相對于波后氣體則是亞音速的。注意在管道中產(chǎn)生正激波并不需要活塞以超音速運(yùn)動(dòng)。2.正激波的推進(jìn)速度與蘭金－雨貢紐關(guān)系式對于二維和三維流場上物體產(chǎn)生的正激波，例如超音速飛機(jī)頭部產(chǎn)生的正激波，物體（飛機(jī)）以亞音速運(yùn)動(dòng)時(shí)不能像管中活塞那樣產(chǎn)生激波，因?yàn)闆]有橫向璧面的限制，氣體在物體到達(dá)之前就從橫向繞開了，不能形成突躍壓縮。物體須以超音速運(yùn)動(dòng)才能形成與物體相同的超音速前進(jìn)的激波。這樣形成的正激波與管中正激波性質(zhì)上相同，前面的公式都能用。P1ρ1

λ1p2ρ2

λ2激波3.正激波前后的參數(shù)計(jì)算

為了進(jìn)一步計(jì)算激波前后的參數(shù)關(guān)系，我們?nèi)匀挥萌鐖D的相對座標(biāo)來處理問題，其好處是可以直接應(yīng)用定常流的基本方程來進(jìn)行分析。（1）波前波后速度系數(shù)關(guān)系對虛線控制面應(yīng)用動(dòng)量方程，得：用連續(xù)方程除以上式得：其中的壓強(qiáng)密度比可用絕熱能量方程表為速度和臨界音速的函數(shù)，由：即：3.正激波前后的參數(shù)計(jì)算p1ρ1

λ1p2ρ2

λ2激波將p/ρ的表達(dá)代入前式，化為全由V1、V2

和a*表達(dá)的式子：上式有兩個(gè)解：一個(gè)是V1=V2

，這表示沒有激波，所以這個(gè)解沒有意義。另一個(gè)解是：由此得：這就是說：該式稱為普朗特激波關(guān)系式，說明超音速經(jīng)正激波后必為亞音速。3.正激波前后的參數(shù)計(jì)算

（2）正激波前后馬赫數(shù)關(guān)系由λ與M的關(guān)系：代入λ1λ2＝1得：M1M2113.正激波前后的參數(shù)計(jì)算（3）密度比與M1

的關(guān)系由：將λ與M的關(guān)系代入得：（4）壓強(qiáng)比與M1

的關(guān)系由動(dòng)量方程：通除以p1，得：M111λ1λ123.正激波前后的參數(shù)計(jì)算代入密度比關(guān)系并整理后，得：

可見與密度比為有限值不同，壓強(qiáng)比正比于M12

，當(dāng)M1

足夠大之后將變得很大。

（5）溫度比與M1

的關(guān)系由狀態(tài)方程：，代入壓強(qiáng)比和密度比關(guān)系得：

M111ρ2/ρ1T2/T1p2/p13.正激波前后的參數(shù)計(jì)算（6）總溫比因?yàn)槭墙^熱流，總溫不變，即：或，與

M1

無關(guān)。

（7）總壓比與M1

的關(guān)系由一維等熵關(guān)系式：

將上述p2/p1

~M1

的關(guān)系和M2~M1（或T1/T2~M1

）的關(guān)系代入可得：3.正激波前后的參數(shù)計(jì)算如圖，M1

越大則總壓損失越大：M1p02/p0111（8）總密度比由絕熱關(guān)系T02＝T01

和狀態(tài)方程，對于M1>1的超音速流：3.正激波前后的參數(shù)計(jì)算3.正激波前后的參數(shù)計(jì)算6.6.2斜激波斜激波波面與來流

V1

不垂直，而是成某個(gè)夾角β,β

稱為激波斜角或簡稱為激波角，激波角不能按馬赫波方法計(jì)算。斜激波波后的氣流方向既不與激波面垂直，也不與波前氣流方向平行而是呈某個(gè)夾角δ，稱為氣流折角，指氣流經(jīng)過斜激波后所折轉(zhuǎn)的角度。超音速氣流流過半尖劈的流譜如圖所示，這種由流動(dòng)的幾何邊界規(guī)定了流動(dòng)方向的斜激波稱為方向決定的激波：6.6.2斜激波

1.波前波后氣流參數(shù)的關(guān)系切向分速:

（切向無壓差，由動(dòng)量方程可證）法向分速:

（利用法向連續(xù)、動(dòng)量和能量方程可證）不難理解，由于斜激波前后切向分速相等，而沿法向可以寫出與正激波時(shí)類似的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，差別在于其中的速度用的是法向分量Vn=Vsinβ，從而斜激波前后的參數(shù)關(guān)系在形式上與正激波十分相似，不過是用波前法向馬赫數(shù)M1sinβ

代替了正激波的M1。斜激波V1V2β-δV1tV2tβδV2nV1n6.6.2斜激波

1.波前波后氣流參數(shù)的關(guān)系壓強(qiáng)比：密度比：溫度比： 突躍絕熱關(guān)系，斜激波與正激波時(shí)完全一樣，都是蘭金－許貢紐關(guān)系式:事實(shí)上不論正激波還是斜激波，上述突躍絕熱關(guān)系都可以利用壓強(qiáng)比和密度比公式中消去M1sinβ

得到。

總壓比:馬赫數(shù)關(guān)系：由可解出：可見用波前法向馬赫數(shù)

M1sinβ

代替正激波的M1

這個(gè)辦法不適用于波后馬赫數(shù)

M2

的計(jì)算，這是因?yàn)轳R赫數(shù)不僅僅取決于法向關(guān)系。上述公式都可把正激波作為一個(gè)特例（β＝π/2）包含進(jìn)去6.6.2斜激波

1.波前波后氣流參數(shù)的關(guān)系

總溫比:（因?yàn)榭邕^斜激波可視為絕熱流動(dòng)）6.6.2斜激波

1.波前波后氣流參數(shù)的關(guān)系正激波是最強(qiáng)的激波由壓強(qiáng)比公式可知：一定M1下則當(dāng)β愈大時(shí)，斜激波的強(qiáng)度愈大，當(dāng)β=90°時(shí)（正激波），激波強(qiáng)度達(dá)到同一

M1下的最大?？梢姰?dāng)來流M1不變時(shí)，正激波是最強(qiáng)的激波。最弱的激波是馬赫波當(dāng)P→0時(shí)，=1，得： 可見最弱的激波就是馬赫波，而斜激波則是介于馬赫波與正激波之間的一定強(qiáng)度的激波。

使超音速氣流折轉(zhuǎn)同一角度時(shí)，分兩次折轉(zhuǎn)比一次折轉(zhuǎn)的損失小。因?yàn)檫@時(shí)每一次的氣流折角都比較小，激波弱，雖然經(jīng)過兩次激波，但這是兩道比較弱的激波，總的損失還是比經(jīng)過一道較強(qiáng)的激波小。折轉(zhuǎn)次數(shù)分得越多，總壓損失就越小。如果用一個(gè)連續(xù)內(nèi)折的內(nèi)壁使超音速流連續(xù)地內(nèi)折，則必產(chǎn)生無數(shù)道微弱的壓縮波，使氣流受到等熵壓縮，沒有總壓損失。當(dāng)然，這是理想情況，但卻是實(shí)際設(shè)計(jì)努力爭取的目標(biāo)。激波損失的這一特性在設(shè)計(jì)超音速飛機(jī)的進(jìn)氣擴(kuò)壓器時(shí)很有用。6.6.2斜激波6．6．2斜激波

3.壓強(qiáng)決定的激波

除了超音速氣流受到內(nèi)折時(shí)會(huì)產(chǎn)生斜激波之外，當(dāng)超音速氣流在停滯或減速提高壓強(qiáng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生斜激波，例如從噴管中流出的超音速氣流壓強(qiáng)低于環(huán)境壓強(qiáng)時(shí)，在噴管的出口邊緣處產(chǎn)生兩道激波，使波后壓強(qiáng)提高到反壓的大小。導(dǎo)彈、超音速噴氣飛機(jī)和長征火箭尾噴管形成的激波及其反射與方向決定的激波唯一不同的是，激波強(qiáng)度現(xiàn)在是由確定的壓強(qiáng)比所規(guī)定，如果壓強(qiáng)比規(guī)定的激波是強(qiáng)波，那么就查圖線中的強(qiáng)波部份；如規(guī)定的是弱波則查圖線中的弱波部份。6.6.4收斂—擴(kuò)張噴管的工作狀態(tài)

1.上游總壓不變，改變出口反壓時(shí)噴管的工作情況我們知道要得到超音速氣流需使用先收后擴(kuò)的拉瓦爾噴管，此外還需足夠的壓強(qiáng)比。改變壓強(qiáng)比有兩種方式：一是上游總壓不變，改變出口反壓；二是出口反壓不變，改變上游總壓。上游總壓不變，改變出口反壓時(shí)噴管的工作情況（例如上游為高壓儲(chǔ)氣罐，下游為可變真空度的真空箱）假定噴管幾何尺寸確定，由面積比關(guān)系A(chǔ)*/A=q（λ）可確定該噴管出口的兩個(gè)速度系數(shù)（或馬赫數(shù)）：Me1>1,Me2<1，其中Me1就是該噴管的設(shè)計(jì)馬赫數(shù)由于P0確定，利用一維等熵關(guān)系式p/p0=п(λ)

可求出上述馬赫數(shù)對應(yīng)的出口靜壓，顯然pe1/p0<pe2/p0當(dāng)反壓

p

恰等于pe1噴管在設(shè)計(jì)工作狀態(tài)，氣流的靜壓與反壓相等，環(huán)境對出口氣流沒有擾動(dòng)，不產(chǎn)生任何波，是完全膨脹狀態(tài)，這對應(yīng)于圖(a’)

的情況。當(dāng)反壓

p恰等于pe2噴管中的氣流在喉道達(dá)到音速后以亞音速流出噴管，并在出口處靜壓與反壓相等，這對應(yīng)于圖(e)

的情況。還有一種情況是氣流在噴管內(nèi)部一路加速，在出口達(dá)到設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Me1后，在出口恰好產(chǎn)生一道正激波，經(jīng)過正激波之后氣流變?yōu)閬喴羲?，正激波前馬赫數(shù)Me1>1，壓強(qiáng)為pe1，經(jīng)過對應(yīng)于

Me1

的正激波后壓強(qiáng)突躍升高為p2圖(d)6.6.4收斂—擴(kuò)張噴管的工作狀態(tài)

1.上游總壓不變，改變出口反壓時(shí)噴管的工作狀態(tài)波前后壓力比

p2/p0可按照一維等熵關(guān)系和正激波公式計(jì)算：此壓力比介于pe1/p0

和pe2/p0之間上述三個(gè)壓力值pe1

、p2

、pe2

將反壓可能的變化范圍劃分為4個(gè)區(qū)域：（真空）0～

pe1

，pe1

～p2

，p2

～pe2

，以及

pe2

～p06.6.4收斂—擴(kuò)張噴管的工作狀態(tài)

1.上游總壓不變，改變出口反壓時(shí)噴管的工作狀態(tài)

（1）

p≤pe1

，當(dāng)反壓恰等于pe1

即為完全膨脹即設(shè)計(jì)狀態(tài),管內(nèi)壓強(qiáng)分布為線abc；當(dāng)反壓介于真空和pe1

之間，超音速氣流在出口截面處的壓強(qiáng)大于反壓p，必受到外界低壓作用的擾動(dòng)，而這個(gè)擾動(dòng)是以音速傳播的，不可能傳到超音速流的上游。只有在氣流出了噴管以后，因兩側(cè)（與噴管軸線垂直）沒有超音速分速，反壓的低壓影響能從側(cè)向傳入氣流內(nèi)部，使氣流膨脹，所以在口外產(chǎn)生膨脹波系，屬于欠膨脹情況；管內(nèi)壓強(qiáng)分布仍為線abc;（2）pe1<p≤p2,由于反壓大于出口壓強(qiáng)pe1

，超音速氣流必須經(jīng)過斜激波將壓強(qiáng)提高到與外界反壓一樣；當(dāng)反壓等于p2

時(shí)口外須產(chǎn)生最強(qiáng)的正激波才能使管道中過度膨脹的壓強(qiáng)提高