超音速气流是如何产生的？

一、超音速气流是如何产生的？

我们知道热能或者压力能够转化成动能，进而产生高速气流，但是如果要产生超音速气流，就不是那么容易了。

首先我们要知道为什么需要高速气流甚至超音速气流呢，

追溯到十九世纪末叶，那时的往复式蒸汽机已经相当成熟，

当时有人想用蒸汽来推动蒸汽涡轮机，此时就需要高速气流来推动，而且流速越高越好。但是当时人们缺乏一定的理论经验与指导，因此一直未能获得超音速气流。

直到1883年，一位来自瑞典的工程师成功解决了这一问题。他设计了一种先收缩后扩张的管道，成功地获得了超音速气流，并应用在他所发明的汽轮机中。这位工程师名叫拉瓦尔，因此后人将这种先收缩后扩张的管道叫做拉瓦尔管。

二、 拉瓦尔管产生超音速气流的原理

为什么拉瓦尔管能产生超音速气流呢？为什么管道的面积是先缩小后扩张呢？如果先扩张再缩小还能不能产生超音速气流呢？

为了搞懂这些问题，我们首先需要了解气流高速流动时流管截面面积与流速之间的关系。

考虑空气的可压缩性（气流高速流动时不能忽略空气的压缩性）从气流流动的最基本规律（连续性方程和能量方程）出发，可以得到下面的公式：

\frac{dA}{A}=(M^{2}-1)\frac{dv}{v}

其中：A表示流管截面面积，v表示气流流速，M表示马赫数。

我们不需要知道这个公式怎么来的（因为我也不知道怎么来的…）

我们只需要知道，由这个公式可得:

当M1时（对应超音速气流），流管截面面积与流速之间成正比，即流管扩张，流速增加；流管收缩，流速减小。

我们可以将上述规律归纳如下表：

如果我们进一步讨论为什么亚、超音速两种情况下截面面积和流速关系产生相反结果，那么就需要了解气流在高速流动下所不可忽略的压缩性效应。

在亚音速气流中，密度的相对变化量较速度的相对变化量小；而在超音速气流中，密度的相对变化量较速度的相对变化量大。

在M数较小时，密度的变化量可忽略不计，此时起到主要变化的是速度的变化量；而M数较大时，速度的变化量可忽略不计，此时起到主要变化的是密度的变化量。

根据连续性方程ρvA为常数，速度增大时，截面面积减小；密度减小时（密度随速度增大而减小），截面面积又增大。

在亚音速时，速度的变化对截面面积起主要作用，因此需要收缩流管以增大流速；而在超音速时，密度的下降对截面面积起主要作用，因此需要扩张流管以增大流速。

综上所述，为了产生超音速气流，流管截面应设计如下图所示：

这种先收缩后扩张的管道即为拉瓦尔管。

三、 拉瓦尔管的应用

拉瓦尔管目前广泛应用于航空发动机和火箭发动机上。

作为发动机推力室的一种重要组成部分，拉瓦尔管性能的好坏能够对装置的整体性能产生重大的影响。

在超音速战斗机中，拉瓦尔管主要通过流管截面面积先收缩后扩张的几何结构使管内燃气流速从亚音速加速到超音速，高速燃气的喷出产生推力；

在火箭发动机中，其还可以通过控制喷管的喉部面积来实现对燃气流量的控制，确保燃气室内所需压强满足要求。

而在导弹发动机中，拉瓦尔管还能够实现推力大小和方向的调节与控制。