关于喷嘴和音速的问题

fanliming671

小弟一直在学习流体力学和fluent，遇到一个概念性的问题。根据书中理论所述，对于可压缩气体而言，只有“收缩-扩张”管在一定压力比的时候才能出现超音速，而“收缩”喷嘴只能是亚音速，最多达到音速，是不可能超音速的。可是我在用“收缩”喷嘴做气体喷射仿真的时候（软件采用的是fluent），一样也能做出超音速，这和书上的理论是矛盾的，咨询了很多人，看了很多文章，simwe也搜索了，未果。
偶然间发现一篇清华力学系的文章（《应用FLUENT进行射流流场的数值模拟》清华大学工程力学系，谢峻石 何枫），文中用收缩喷嘴做了不同压力比下气体流动状态的分析，结论是，压力比较小时，收缩喷嘴是亚音速；而压力比大到4~6时，“收缩”喷嘴也出现超音速。这篇文章越发让我迷惑，到底在fluent中用收缩喷嘴模拟出超音速是否是合理现象？是不是我还有些地方没有掌握？

如果按书上所说，不管边界条件如何，“收缩”喷嘴都不应该出现超音速的吧。因为小弟本身不是流体相关专业，对该问题认识可能还不够深刻。

所以到坛子里找前辈们指点指点，对此问题，我搞不定。请各位老师、前辈或者高手不吝解惑，不胜感激！或者告诉我需要参考什么资料，我自己去学习也成，指个方向吧，谢谢！

fanliming671

没有前辈解答一下吗？莫非是我的问题太低级了？
可是我真的有用心查资料啊，我非专业的做不到各位那么精通，所以请前辈们指点下吧，给个方向也可以的

phyboy1029

不管边界条件如何，“收缩”喷嘴都不应该出现超音速。这句话是正确的。
书中也肯定说了，收缩-扩张喷管在一定条件下会出现超音速吧。
其实你找的那个例子中收缩喷嘴后连接的是一个扩张的空间，相当于收缩-扩张的拉瓦尔喷管，所以在大的压力比下会出现超音速

fanliming671

3# phyboy1029 感谢你的回复啊，太激动了！
有几点问题补充一下：
1、我是不是可以这样理解：收缩喷嘴出口连接自由空间，这个自由空间实际就是起到一个“扩张管”的作用，当收缩喷嘴将亚音速加速到音速后，喷射到自由空间，气体膨胀加速，从音速到超音速。这样的话，只要是自由空间的气体射流是否都可以达到超音速？
2、既然收缩喷嘴在高压比的条件下，也能出现超音速，为何还要专门设计拉瓦尔喷管？是否可以这样认为：收缩喷嘴产生的超音速是在自由空间（即喷管外部），而拉瓦尔喷管产生的超音速是在喷管内部？

请老师、前辈批评指正

ya634984094

请问楼主模拟出来没？？我是做喷嘴模拟的，想请教下~

fanliming671

5# ya634984094 啥模拟出来没？

phyboy1029

你例子中的自由空间只有局部（红色区域）是超音速，大部分都是亚音速。
拉瓦尔喷管从喉道之后，都是超音速。喷管出口可能会出现激波，激波后区域为亚音速
4# fanliming671

phyboy1029

喷嘴喷出的高速气流与被引射气流混合，实现被引射气流的加速；而拉瓦尔喷管可以将空气的势能（压力能）转化为动能。
喷嘴是通过能量的注入来实现气流的加速，而拉瓦尔喷管是通过能量的转换来加速。
4# fanliming671

ftmichel

看了楼上的讨论，感觉学到了不少知识哎。。。同样不是学流体的，但现在需要仿真流场。正在摸索中。

zhangyg614

bucuo   谢谢楼主

水若无痕

，“收缩”喷嘴都不应该出现超音速。这句话是正确的。

这个结论没有问题。但是加一个前提：进口亚音速时，收缩内才不会出现超音速，如果进口来流直接就是超音速，怎么可能收缩段不是超音速呢！
你可以把你的计算结果放上来讨论。FLUENT 2d axis模型网格文件很小的，mycc版主前一阵子也发了一个拉瓦尔喷管的流场计算。

fanliming671

8# phyboy1029 抱歉这么长时间才来回复，由于论文要交稿了，闭关了几天，耽误回复了，真不好意思。

感谢phyboy1029的认真解答，您的解释我似乎明白了许多。

一般喷嘴或收缩喷嘴的气体自由喷射时，气体出现膨胀，产生的膨胀波会形成气体边界层，这部分就相当于一个扩张管，故出现超音速实属合理。

如果单单只说音速的出现或者不出现，那么这和喷嘴并无太大关系，因为只要满足“膨胀”这个过程和压力比，即使收缩喷嘴也是可以出现超音速的。

收缩喷嘴和拉瓦尔的区别在于，同样都能出现超音速，但是收缩喷嘴需要牺牲大量的能量，而拉瓦尔管则是在相对较低的注入能量下也能实现超音速。而且，收缩喷嘴的超音速出现的长度很小，能量损失很大，而拉瓦尔管则能在喷管内部很长一段距离内都出现超音速，且能量损失较小。

我这么理解是否正确？

fanliming671

11# 水若无痕 斑竹大人也来了，呵呵，十分荣幸。
我来晚了，请版主谅解。

对于“进口亚音速时，收缩内才不会出现超音速，如果进口来流直接就是超音速，怎么可能收缩段不是超音速呢！”我有点不理解，根据书中所述，对于收缩管，亚音速时，喉段截面积越小，喷射流速越高，收缩管是亚音速的增速管；而对与超音速来流时，喉段截面积越小，喷射流速应当降低，收缩管是超音速的扩压管。（参考：1、张也影《流体力学》；2、赵承庆《气体射流动力学》；3、李凤蔚《空气与气体动力学引论》）


另外，我没有cas文件，用fluent模拟高压比收缩喷嘴模拟出超音速只是我在模拟时遇到的一个普遍问题，加上附件中那篇清华的论文也用收缩喷嘴模拟出超音速，我觉得和书上理论有点不一样，对这个结果或说现象我有点不理解（相信很多非专业的朋友都不太理解），所以我上来请教老师和高人帮忙解释一下。

水若无痕

13# fanliming671
请注意：收缩管内是超音速和流体在收缩管内速度降低不一样，
正如引用的文献所说：流体在管内超音速后，收缩会使其静压得到恢复。


用fluent模拟高压比收缩喷嘴模拟出超音速只是我在模拟时遇到的一个普遍问题，

这个问题非常有意思的。因为fluent 如果在计算时流场超音速（可能不是最终结果），就会向外差值，而不用到出口压力，所以进出口都是超音速时，容易出现非真实解。

ya634984094

楼主，发个结果截图来看看啊~

fanliming671

14# 水若无痕
谢谢“水若无痕”版主的解释

我需要再琢磨琢磨，然后再来请教！

谢谢各位，呵呵

ya634984094

6# fanliming671
那个喷嘴喷射情况`

fanliming671

14# 水若无痕
版主，能否推荐点资料让俺学习下啊

fanliming671

8# phyboy1029
phyboy1029，能否推荐点相关学习资料，我想学习学习，谢谢

fanliming671

17# ya634984094
附件有啊，和那个一样的