交作业  喷管扩张比的计算  请大神帮忙批改
kight112013/01/21喷气推进 IP:加拿大
拉喷的价值在于扩张段,而扩张比又是决定拉喷效率的关键。
把我的计算方法发上来。以下计算方法是个人通过零散资料拼凑并猜测得到的(不包括喷喉的计算),同时把参考资料列出,希望有经验的朋友帮助验证一下。
本帖的计算方法未经高人验证前请勿使用。

扩张比是喷管末端与喷喉的面积比。
P=Ae/At
P:扩张比(1)
Ae:喷管末端面积(m^2)
At:喷喉面积(m^2)

对于固体发动机At通过平衡压公式计算。
Pc=r*c*ρ*(Ab/At)
Pc:燃烧室压强(Mpa)
Ab:燃烧面积(m^2)
r:燃料在Pc时的燃速(m/s)
c:特征速度(m/s)
ρ:燃料密度(kg/m^3)
(Pc、Ab人为设定,r、c、ρ为燃料特性,通过翻老贴得到)
于是可得喷喉面积
At=r*c*ρ*Ab/Pc


喷管末端面积通过以下公式得到。
1.png
γ:燃气比热比(1)
Me:喷喉处的马赫数(1)
上式中的两个未知量γ和Me都是要通过计算得到。

Me的计算很简单。
2.png
Patm:当地大气压(Mpa)
以上两个图片中的公式都出自《液体火箭发动机的设计与制作》 Leroy J. Krzycki 著  魏广寅(ECHO) 译,在坛里翻出来的,有大神说其中喷管设计公式也适用于固体火箭所以就斗胆拿过来用了,请大神们重点检查。

我没学过热力学,以下γ的确定方法是东拼西凑得来的,所以请大神们也检查下这里。
比热比是气体定压比热和定容比热的比值。
γ=Cp/Cv
Cp:定压比热(J/kg*℃)
Cv:定容比热(J/kg*℃)

Cp比热通过差表可得,表 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXXXXp?id=102。用的时候要把千卡换成焦耳。
Cv通过迈耶方程得到,参考了 XXXXXXXXXXXXXXXXt/news/61/2006-4-18_XXXXXXXXXXXXXXml
Cp-Cv=Rm
Rm:燃气气体常数(J/kg*℃)

燃气气体常数为。
Rm=R/M
R:通用气体常数 8.314472 J/(K*mol)
M:燃气相对分子质量(g/mol)

燃气是由多种气体和烟组成的。引用一句话:“混合气体的等熵指数不服从叠加规律,但其定压比热和定容比热服从叠加规律,可按叠加法则求得……”  XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/tech/XXXXXXXXXXXXm
所以
Cp=∑ (Cpi*pi)
Cv=∑ (Cvi*pi)
pi:组分i在燃气中所占质量比例(%)
Cpi:组分i的定压比热(J/kg*℃)
Cvi:组分i的定容比热(J/kg*℃)

γ=∑ (Cpi*pi)/∑ (Cvi*pi)

这样就得到了γ,代入下方程便得到Ae,并得到扩张比。
1.png
γ的计算设想燃气为理想气体。

计算扩张比的过程有很多种,举两个例子:
1.确定燃烧室压力和药柱尺寸,算得喉面积和喷喉处马赫数,最后得到扩张比。
2.确定喷喉处马赫数和药柱尺寸,算得燃烧室压力和喉面积,最后得到扩张比。

加了单位,不知道对不对。
+25  科创币    chaozhou    2013/01/21 很好的资料!
+100  科创币    焓熵`    2013/01/21 具有代表性
+200  科创币    拔刀斋    2013/01/23 正解
+40  科创币    猎鹰    2013/01/23
+25  科创币    第七骑士团    2013/01/24 不错,
来自:航空航天 / 喷气推进
32
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~~空空如也
飞面教徒
12年0个月前 IP:未同步
490352
比某些人的“两个漏斗口接起来就是拉喷”不知道好了多少倍
+1
科创币
kight11
2013-01-21
沙发被你毁了
+1
科创币
darkorochi
2013-01-24
笑尿了。。。。。。。。。。。。。
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彩虹之巅
12年0个月前 IP:未同步
490363
回 楼主(kight11) 的帖子
非常有用的理论。
按照上面的理论,同一个发动机,不同的燃料或者不同的装药结构,扩张比都要有相应的变化才能达到最佳,再或者即使发动机在工作过程的不同阶段对于扩张比的要求都是不一样的。
实际应用中可以取一个折中的值。
这半个月的分都被预定了。下次再给你加分。
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kight11作者
12年0个月前 IP:未同步
490864
回 2楼(谈笑风生) 的帖子
是的,同一个发动机对扩张比的要求随大气压而变化,所以会有可变喷管。
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拔刀斋
12年0个月前 IP:未同步
490968
平衡压公式还需要查证一下出处,直接用气体动力学公式算出来的表达式很复杂,里面有指数上带γ的项消不掉。

attachment icon 零维内弹道参数计算1.docx 86.20KB DOCX 88次下载

关于喷管扩张比和比热比γ部分的计算正确,气体定压比热表资料尤其有价值,给出了高温下γ的变化情况。
常温下γ是常数,取决于分子平动和转动的总自由度,单原子气体γ=5/3=1.67、双原子气体γ=7/5=1.4、三原子气体γ=4/3=1.33。
实际上在高温下由于振动自由度的激发,γ有明显的变化,这一点很容易被忽略。
早期的一些教材上直接给出火药燃气的γ=1.2,跟guipep计算出来RAP和一些液体燃料的情况相近,跟KNDX、RNX差别较大。

guipep的生成焓数据库被NASA做过手脚,导致计算出来的平衡气体成份和其他所有气体参数都有不小的误差
目前经过实验验证已知正确的数据有《化学标准生成焓表》XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/view/XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXml
但里面的化合物种类不多,对于固体燃料还需要找齐很多数据。

对于有烟(燃烧产物含固体残渣)的燃料,尤其是固体残渣含量很高的KN系列燃料,还有一个特殊的问题:两相流的影响。
《火箭气体动力学》里面有关于这个问题的介绍,截图如下(仅适用于颗粒在微米级以下,颗粒温度、速度滞后不大的情形)。
两相流比热.png
+200
科创币
qharryq
2013-02-07
这回帖够一精华!
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拔刀斋
12年0个月前 IP:未同步
490999
烟火剂基本数据资料(感谢烟火技术版版主wesker)
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/47747
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kight11作者
12年0个月前 IP:未同步
491096
回 4楼(拔刀斋) 的帖子
感谢检查,扩张比和比热比是重点,算法对了就没问题了。平衡压来自
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/wiki/%E5%9B%BA%E4%BD%93%E7%81%AB%E7%AE%AD%E5%8F%91%E5%8A%A8%E6%9C%BA%E5%86%85%E5%BC%B9%E9%81%93%E5%AD%A6
也参考过cim的帖,是同样的公式。
那个零维弹道参数计算实在不知所云。。。。
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第七骑士团
11年11个月前 IP:未同步
491162
回 1楼(飞面教徒) 的帖子
我的喷嘴就用公式做的,所以我的比例都写了。
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491176
回 7楼(第七骑士团) 的帖子
能否发布一下你的设计方法?我总感觉我的不靠谱。
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猎鹰
11年11个月前 IP:未同步
491247
这是在压差为60倍时,扩张比与比热比的图像。
屏幕快照 2013-01-24 上午2.38.46.jpg
屏幕快照 2013-01-24 上午2.40.36.jpg
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拔刀斋
11年11个月前 IP:未同步
491255
回 6楼(kight11) 的帖子
不知所云 [s:275]  [s:275] 里面是我自己按《气体动力学》整理的公式,零维这个叫法合适不合适另说。
本来是一维喷管流动的公式,但为了区别于发动机沿整个燃烧室长度压力分布的一维计算,叫做零维了。
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491267
你给出的平衡压公式特征速度那项和前面定义的特征速度不一样,所以我晕了。
几维什么的完全超出理解能力范围。。。。。。。
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491268
回 9楼(猎鹰) 的帖子
请问是什么的压差?燃气和大气的么?
+1
科创币
猎鹰
2013-01-24
燃气压力除以外界压力
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拔刀斋
11年11个月前 IP:未同步
491274
回 9楼(猎鹰) 的帖子
这种作图方式看起来挺清楚的.
ps:比热比至少是1
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拔刀斋
11年11个月前 IP:未同步
491277
回 11楼(kight11) 的帖子
重新查了一下特征速度C*的定义,你我的两种计算方法是等价的。
跟C*相关的还有另一个参数:推力系数,描述喷管扩张段的性能。最后一个PDF最详细,里面还有喷管扩张段的设计。
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/wiki/Characteristic_velocity
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/th_XXXXXXml
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/people/jseitzma/classes/ae4451/thrust_coefficient2.pdf

attachment icon thrust_coefficient2.pdf 64.47KB PDF 510次下载 预览

以前错把特征速度C*跟喷喉处声速截面的声速=气流速度(声速截面上的参数统称临界参数,经常用*号表示)搞混了。
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491290
回 14楼(拔刀斋) 的帖子
晕。我还想knsu一烧声速怎么就成900多m/s了。。。。。
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拔刀斋
11年11个月前 IP:未同步
491293
回 15楼(kight11) 的帖子
声速a=sqrt(γRT),高温下的声速远高于常温下的声速,确实挺容易搞混的 。
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491314
回 16楼(拔刀斋) 的帖子
就是说特征速度是燃料燃烧时的音速?
特征速度c`=P*At/m`
把m`变成m`=r*Ab*ρ后代入上边公式得到
c`=P*At/(r*Ab*ρ)转换一下
P=c`*r*ρ*(Ab/At)成平衡压了
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拔刀斋
11年11个月前 IP:未同步
491315
回 17楼(kight11) 的帖子
特征速度跟燃料燃烧时的音速看起来挺像(公式上、符号上、数值上都像),但不是一回事。
燃料燃烧时的音速用γ、R、T表达起来没有特征速度那么复杂。
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chaozhou
11年11个月前 IP:未同步
491335
回 14楼(拔刀斋) 的帖子
你说搞混了。特征速度不就等于喉部的燃气速度(喉部燃气中的音速)吗?
+1
科创币
拔刀斋
2013-01-25
见14楼Gatech的PDF,我以前自己写的资料不对。
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491341
特征速度到底是什么难道就没有个标准的定义么??
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491342
回 20楼(kight11) 的帖子
如果是这样的话,特征速度便可以通过一个没有扩张段的发动机测出来了吧?
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拔刀斋
11年11个月前 IP:未同步
491587
回 20楼(kight11) 的帖子
重新确认了14楼Gatech的PDF,特征速度是按平衡压公式定义的,然后得出用γ、R、T的表达式。
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chaozhou
11年11个月前 IP:未同步
491653
回 18楼(拔刀斋) 的帖子
那特征速度=喉部燃气速度=直喷排气速度没错吧?
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
491853
回 23楼(chaozhou) 的帖子
同问大神             !
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猎鹰
11年11个月前 IP:未同步
492008
回 24楼(kight11) 的帖子
其实昨天我就准备发帖了,都是突然停电了,我就现在发一下吧。


其实特征速度就是表示喉部的压力乘以面积之后除以流量,也就是由于压力所产生的推力,而直喷不光要计算压力还要加上由于燃气流动产生的推力。特征速度与喷管无关,只与燃料性能有关。


屏幕快照 2013-01-26 上午12.06.00.png

屏幕快照 2013-01-26 上午12.06.54.png


屏幕快照 2013-01-26 上午12.10.31.png



屏幕快照 2013-01-26 上午12.10.56.png



屏幕快照 2013-01-26 上午12.11.51.png
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LC丶AI
11年11个月前 IP:未同步
492064
回 25楼(猎鹰) 的帖子
乱入?.png 89_19313_cff490b5db54f68.png
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
492284
回 25楼(猎鹰) 的帖子
现在明白了,谢大神,以前想多了。请问这是什么书?写的很浅显易懂。
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第七骑士团
11年11个月前 IP:未同步
492295
给个计算例子。
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猎鹰
11年11个月前 IP:未同步
492394
回 27楼(kight11) 的帖子
文献在此。


attachment icon 火箭发动机基础.part1.rar 9.54MB RAR 64次下载

之前摘录是《火箭发动机基础》





我的文献有些多,我干脆单独开贴发了吧。
+1
科创币
拔刀斋
2013-01-28
需要补齐分卷才能解压
+1
科创币
kight11
2013-01-29
http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-25574.html是这个么?
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kight11作者
11年11个月前 IP:未同步
492560
貌似这个以前有人发过。
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chaozhou
11年11个月前 IP:未同步
495576
回 4楼(拔刀斋) 的帖子
问刀版:上面有说到喉部马赫数Me。喉部的排气速度不最大只能1马赫吗?是不是为了区别于室压小于临界压强的情况(此时喉部马赫数就小于1了。而平时计算的时候Me就都取1对不?
+1
科创币
拔刀斋
2013-02-06
正解
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