通常情况下,我们将从火箭发动机或涡轮喷气发动机喷出的高温高速的气体流动称为燃气射流。燃气射流主要有以下几个方面的特征。
(1)气体流动速度高。在大多数情况下燃气射流为超声速,对于火箭发动机而言,出口处的燃气速度多在2 个马赫数以上;对于涡轮喷气发动机,多数情况燃气速度也在1 个马赫数以上。此时燃气射流内部会产生激波−膨胀波交替出现的复杂波系结构。
(2)气流温度高。火箭发动机和涡轮喷气发动机都是通过燃烧产生动力,喷出的气体温度较高。对于火箭发动机,喷口处温度一般在1 000 ℃以上;而对于涡轮喷气发动机,一般也在500 ℃以上。
(3)复燃现象。在有些情况下,由于燃气喷出发动机喷口后,气体内仍包含一些未燃烧完的可燃成分,因此,喷出后还要和周围的氧化成分(如空气中的氧气等)进行二次燃烧;或燃气本身就包括燃烧剂和氧化剂,在喷出发动机喷口后继续燃烧。
(4)流动不稳定性。燃气射流与周围环境之间存在速度与密度差,由小扰动理论分析得知,此时在射流与环境气体交界面出会产生明显的流动不稳定性,在现象上反映为燃气射流与周围环境的混合边界层随时间变化,具有明显的瞬态脉动特性。
(5)气—固两相流动。为了增大固体火箭发动机的推力,有时会向固体推进剂加入铝粉等,此时喷出的燃气射流会含有固体颗粒;使用液氧煤油作为推进剂的液体火箭发动机燃烧时会产生炭黑颗粒。(www.daowen.com)
(6)辐射现象。燃气喷出发动机后温度很高,且燃气中通常含有H2 O、CO2 、CO 等强辐射气体以及熔融铝粒子、炭黑等辐射颗粒,这些强辐射气体和辐射颗粒在高温条件下会产生较强的热辐射,对周围的设备与结构进行加热。
(7)气动噪声。燃气射流的不稳定性及其湍流流动使得射流压力场存在脉动,这种压力脉动相当于声源。由于这种脉动杂乱无章,因此产生的声音实际上是包含各种频率的噪声。气动噪声可能会导致发射设备中的精密仪器被振动破坏。
(8)引射。燃气射流与周围环境存在较强的剪切作用,这种剪切会加速射流周围流场使其随射流流动。引射使得周围空气源源不断地流向燃气射流,进而增强了燃气射流与周围空气的混合,可以有效降低燃气射流的温度与速度。
可以说,燃气射流是一种非常复杂的流动现象,在具体研究过程中,可以抓住关心的主要问题,忽略次要因素,进行重点研究。
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