图 1 显示了“扩展”(红色线条)和“欠扩展”(黑色线条)喷嘴的简单示意图。
1:气瓶
3: 喷嘴(孔口)
4:压力和速度分别等于环境声速和局部声速(条件 4 仅存在于欠膨胀射流中)
在气体动力学领域中,氢气从一般状态过渡至超声速流时,存在一个关键的临界压力比,经大量理论推导与实验验证,该临界压力比大致为 1.9 。这一数值犹如一道分水岭,决定着氢气流动的特性。当压力比满足 p∗ / p∗ < 1.9 这一条件时,气体的流动呈现亚声速状态,并且在这一过程中会发生膨胀现象,气体分子的运动状态和能量分布都会相应地发生改变;而一旦压力比达到 p∗ / p∗ > 1.9 ,则出口速度将会稳定在局部超声速水平,此时喷流便处于欠膨胀状态。在这种情况下,出口压力会高于环境压力,这就导致在马赫盘下游的实际喷嘴外部区域,气体将持续膨胀,直至压力与环境压力 patm 达到平衡,而这里的 patm 也被定义为“名义”喷嘴或有效直径所对应的压力值。
鉴于气体流动存在膨胀与过度膨胀这两种不同的状态,在进行相关的理论分析和实际应用计算时,需要分别解决与之对应的不同方程组。对于过度膨胀射流而言,其所涉及的方程组在 Molkov 2009 这一专业文献中有着详尽的阐述和说明。这些方程组的构建基于氢的 Abel - Noble 状态方程,同时充分考虑了质量守恒和能量守恒这两个基本的物理定律,并且还基于一个重要的假设前提,即在状态(4)(也就是所谓的“有效喷嘴直径”所对应的状态)下,压力恰好等于环境压力 patm ,而速度则等于当地声速。 而扩展喷流方程组则巧妙地利用了等熵压力和密度之间的特定关系,通过这种关系能够更加准确地描述和预测扩展喷流在不同条件下的各种特性,为深入研究气体的超声速流动行为提供了有力的工具和方法,有助于在航空航天、能源动力等诸多领域中,更好地理解和掌控氢气以及其他气体的高速流动过程,从而实现更加高效、稳定和安全的工程应用。
Molkov, V. 和 Bragin, M.,高压氢通过狭窄通道泄漏,载于:《非平衡现象:等离子体、燃烧、大气》。莫斯科:托拉斯出版社;2009 年,第 332 页(Molkov,2009)。
Molkov V. 《氢安全工程导论》,BookBoon,2012,ISBN:978-87-403-0226-4。链接:Molkov V. 氢安全工程导论
计算基础参数: