喷管中的分离流动

上述讨论是在理想情况下进行的， 即假设喷管流动为理想气体的一维定常变截面等熵流动， 而喷管实际流动的情况则复杂得多。 例如， 一维定常流动分析表明， 当外界反压超过第一特征反压pa1又低于第二特征反压pa2时，喷管内部流动不受外界影响，扩张段中不存在激波；只有当外界反压超过第二特征反压pa2时，激波才会进入喷管，且为正激波。但实际情况是， 由于喷管壁面上存在附面层 （图5-22）， 其内为低速流动， 外界反压的变化是可以通过附面层传播到喷管内部的。特别是当外界反压超过喷管出口截面压强pe较多，即pe＜（0.4～0.2）pa时，由于燃气流出喷管出口截面很短一段距离后即受到激波的强烈压缩，产生了很强的逆压梯度， 使附面层流动趋于不稳定， 导致流动从喷管壁面上分离。

附面层的产生是由于燃气具有黏性。 在附面层内部， 与喷管壁面直接接触的燃气的流速为零， 沿壁面法线方向， 随着离开壁面距离的增加燃气流速逐渐增大。 当附面层从喷管壁面上分离之后， 将在分离点的上游产生斜的分离激波， 如图5-23所示。 附面层分离点的轴向位置取决于当地压强和喷管的型面， 且随着外界反压的升高向上游移动， 如图5-24所示。

图5－22 喷管壁面上的附面层

图5－23 喷管过膨胀工作时附面层分离示意图

图5－24 附面层分离点位置随外界反压变化的示意图

附面层分离对喷管性能具有重要影响。 出口截面呈现出轴线附近为超声速流、 周围是环形亚声速流的流态， 亦即流动分离导致超声速气流的直径小于出口截面的直径， 分离点下游的扩张段失去了对燃气膨胀加速的作用， 使发动机推力降低。 对于轴对称喷管， 在定常流动情况下， 流动分离通常也是轴对称的， 因而不会改变推力的方向。 但是， 在点火启动、 熄火停车等瞬态过程中， 流动分离可能不是轴对称的， 从而产生短暂的、 较大的侧向力， 这种大小和方向均快速无规则变化的侧向力对喷管性能的影响更大。