我国四川绵阳最快的超音速风洞可以将钢铁吹融化,这可能吗?

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12个答案
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瘦驼科学松鼠会成员

2014-04-09 18:30

这一点都不难。这个问题的核心叫做——气动加热。
通俗的说,就是一个物体在流体(这里指空气)中运动时与流体分子碰撞摩擦产生的加热现象。
在人类生活的日常低速世界里,很难体会到气动加热的威力,而且风冷效应在这个区域是占上风的,风越大,人感觉越冷。
但是当速度接近和超过音速,一切就发生了变化。
巡航速度为音速两倍的协和客机机身被气动加热之后的状况如下图。

鼻锥、机翼前缘等位置的温度已经突破了100℃,这个温度虽然还不足以对飞机的结构造成破坏性的影响,但是,已经可以让铝的强度降低,燃油系统、液压系统和客舱环境系统也需要考虑过热问题了。
如果再快些。如美国上世纪60年代建造的X-15实验机,在7倍音速的时候机翼前缘的温度突破了1300℃。普通钢材的熔点只有1500℃,这时候已经软掉了,在高压空气的吹拂下早飞散了。

X-15,是一种高超音速飞行器。所谓的高超音速,就是只速度在音速的5-10倍这个区间,也就是约每秒1700-3400米。空气在这个速度下会表现出与日常截然不同的性质,因此对这个速度区间的研究也一直是空气动力学的前沿。
而且,近几年来,所谓的高超音速飞行器也是新的军事热点,毕竟,可以一小时打遍全球了。而且相比于传统的弹道导弹,这些在大气层边缘飞行的所谓邻近空间飞行器的效率和灵活性也更高。下图是美国国防部高级规划局的项目HTV-2高超音速飞行器的示意图。

美国、俄罗斯、中国、日本、法国等国都有自己的高超音速飞行器项目。中国前不久刚进行了一次实验。
关键技术之一是高超音速风洞,也就是可以在地面制造高超音速气流并进行实验的装置。NASA和前苏联中央流体研究所都有自己的大型高超音速风洞。而我国的高超音速风洞也已经投入使用。

别看新闻上这几件不起眼的厂房,它们很可能就是中国的高超音速风洞。
大家可以参考NASA的老高超音速风洞示意图对照一下。

问题里提到的吹化钢铁的风洞,很可能就是这个。

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支持者: 灯晃 懒秀才 Alvak


气流的总温和马赫数的平方成正比,所以,高超音速的空气滞止到零时,温度会很高,熔化金属不成问题。

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说说我的看法(结果可能和很多人想的不一样哦~~

先来看看一般超声速风洞的构造吧(这是一个暂冲下吹式超声速风洞的基本构造图 )

然后说说风洞的工作过程

  1. 压气机不断的将空气压缩 ,然后送到气罐里存着 ,这就称之为气源了。
  2. 风洞启动,阀门打开,压缩空气从气源放出来,这时候气流速度还是亚声速,马赫数小于1。
  3. 气体经过稳流(由于管口直径的变化,会使气流产生漩涡和扰动)之后经过风洞的核心部件——喷管,达到超音速。
  4. 达到超音速之后,就是实验段了,由于一般的风洞直径都比较小,所以放的都是经过量纲相似简化之后的模型(小飞机、叶片、进气管道之类)。
  5. 超声速气体当然不能直接排往环境,所以就通过一个扩压段,让它减速到亚音速,排往大气。

从上面的过程可以看到,风洞里超声速持续的时间取决于气罐的储气量,所以称之为暂冲式超声速风洞,一般在几秒至几十秒之间(好吧,看着很短,但是待会儿看了激波风洞就知道这算是很持久的类型了~~)。

ps下喷管的工作原理:
大家记住可压缩流体的流速在亚声速下是随着横截面积的减小而增大的(很好理解,质量流量不变,面积变小,速度增大);而在超声速状态下流速随着横截面积的增大而增大(主要是流速改变,也会导致气体的温度改变,温度改变影响了可压缩气体的密度,这里要强调是可压缩流体~~)。所以我们看到喷管是先收缩,后扩张的,中间的面积变化率为零的地方为喉部(由于是工程师拉法尔首先发明的,一般称之为拉法尔喷管),在喷管之前是亚音速、经过喉部达到音速、喷管之后是超音速

ps下马赫数:
这个很多刚开始学流体力学的学生都知道的概念,定义式是:马赫数 = 流体速度 / 当地声速,而当地速度并不是不变的所以看到很多人一看到马赫数就直接乘以340的时候,我就很纠结...当地声速和气体的种类和温度有关,而当气体速度增加的时候,它的温度都是降低的,所以当地声速降低了,故直接乘以340是不对的,其实马赫数是可以到无穷大的,由于马赫数的这一不便,很多时候空气动力学也会用 λ = 流体速度 / 临界声速,来进行计算,比如:气源为273K,算得空气临界声速是302m/s(保持不变),那么这时候,就算马赫数达到无穷大,根据一定的关系式,气流速度最大也就只能达到740m/s。在风洞里气流速度比这快多了,因为气源的温度一般都比较高。

热力学关系
上面只是从动力学特点说了风洞的原理,由于高速流体动力学热力学相互耦合(这样的东西最讨厌了,根本没法找到理论解),所以风洞设计还要考虑的一点就是热力学,由于气体一直在加速,动能增加,相应的,气体的内能就会减小,基本的能量守恒,反应在气体上就是气体的温度会降低(想象你不停的加速,加速的代价就是你温度的降低)。

总结一下
气体在气罐里是高温高压的滞止气体(也就是速度为零),随着流速的增加,温度逐渐降低,到达试验段的气流温度就变得比较低了,为了不让气体在实验段的温度过低而造成气体冷凝,因此需要对气源气体进行加热,加热的方式有很多,有燃烧煤油、预热卵石(这个,太落后了吧...)、电弧放电、烧氢补氧和爆轰波(这个很牛逼,待会细讲),这样气源出来的气体温度其实是比较高的,要模拟5马赫的超声速气流,气源处的温度至少要到480K,要模拟10马赫的超声速气流,气源的温度至少要是1260K,当然靠这种风洞不可能模拟10马赫,一般也就2、3马赫最多,当然这里只是理论值。

重点来了
前面说的是常规超声速风洞,这种风洞基本已经淘汰了...接下来和大家说说另一种高大上的风洞——激波风洞,由于问题里说是最快的风洞,那应该也是激波风洞了

这种风洞是用来模拟高超声速流动的风洞,当然也就是4到8马赫左右了,看下原理图吧还是:

(逗我玩呢,这就是风洞了?就是一根管子而已啊....)

虽然结构很简单,但是它具备了一个风洞的所有要素,高压段低压段是气源,第一隔膜和两侧形成一个拉法尔喷管,后面就是实验段和扩压减速段了。

工作过程
精华就在两道隔膜,高压段里有高压气体,低压段一般抽真空,当隔膜在一瞬间打开,高压段的气体像见了美女一样都往低压段挤,这时候就会形成一道强烈的压缩波,也就是激波,激波也会运动的,一直往前走,走过之处的低压段压力温度都上升,走到第二道隔膜的时候,碰到了固体壁面,就会反弹,往回走,走过之处压力继续被激波压缩(想象激波就是一个比纸片还薄的压缩机,具有非常非常非常强烈的压缩作用),激波反弹之后,第二隔膜前的气体依旧是静止的,但压力温度增高了很多,这时候把第二隔膜打开(其实是被高压气体挤爆的...),高压气体又撒欢的经过喷管进入试验段,当然,气体经过喷管的减压增速过程气体的温度一直在降低,气体把自己的内能都用来撒欢的奔跑了,就是这个意思。

ps下激波
通过激波的方式来制造高超声速气流是现在普遍使用方式(冲压发动机就是利用的这一原理在进气口处形成一道激波来压缩空气),通过这种方式可以获得9马赫左右的高超声速气体(好吧,这是是极限的参数,再高没有了),简单来说就是无数道压缩波汇聚在比纸还薄的地方,具有强烈的压缩作用,当然气体经过它之后温度会升高。(给一张用纹影仪拍摄的钝头体激波图,可以很明显的看到在避免的反射,很有意思的~~)


那有人会问,高压段的气体压力是怎么提上去的呢,比较普通的激波风洞也就是压气机压进去的,然后一些技术手段控制隔膜的破裂(大家不要把隔膜想成是柔软的妹子,那可是将近1毫米厚的钢板有木有,纯爷们...),当然,压气机这么普通的激波风洞也就模拟个3、4马赫;更豪放的方式是爆轰加压,只有这种方式才能达到7、8、9马赫,简单的说就是把氢气和氧气放在一起,然后点燃~~~

所以,这种风洞的钢材都是特殊制造的,比如力学所在怀柔建的超高声速风洞JF12(激波风洞12号~~可见力学所有多少风洞~~)用的就是坦克炮管的钢,然后直接中间掏空成管。

(从网上找的图,这货有三百多米长~~,应该是还没完工的时候,完工之后各段漆上了不一样颜色的漆,最前面那段就是高压段,近处的大粗桶是试验段,这么大的真的只有中国有,而且这货的持续时间也是最长的,有100毫秒耶~~~真棒,国外就几十甚至几毫秒,几毫秒的国家就不点名了)

回到正题,最后总结

  1. 由于不知道绵阳的风洞构造,按标题说是最快的超声速风洞,那高压段温度上来说肯定是高于一般钢铁的熔点,而且也具有极高的压力,这样的恶劣环境,一般钢铁肯定是受不了的,但是考虑到时间都极短,这又不一定了,最有可能的情况是将一般钢铁炸开,融化不太可能的,因为传热过程也是要花时间的(这个影响因素也很多,流速、密度、温差等等),直接化掉不太可能,一般也就是蠕变变形吧(好吧,我还是觉得压力这个时候比温度可怕)。
  2. 而在试验段,也就是题目里说的吹的那一段(实验对象在这里被吹爽),这里温度都不高的,因为气体速度一直增加,温度就一直降,到了喷管之后大家都是考虑如何防止凝结的发生,大家就可以想想温度有多低了,常温气源,如果不加热,模拟5马赫的情况下,这里只有48K,10马赫情况下,只有13.8K,这有多低,钢在这里一碰就碎了,当然我们设计风洞不会让他这么低(办法就是把气源的温度增大),根据飞行器的实际工况来模拟的,所以是不会把钢铁吹融化的(有很多模型都不是金属,有的时候为了利用光学特性来获得实验数据,还要选择透明的材料)。


第一次发帖,哪里说得不对还望大家一起讨论。

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支持者: 卢瑟傅里叶

气动热和绝热压缩哪个占主导?

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月夜魔术师航空工程研究生

2014-04-10 18:06
支持者: 酒酿培根

热障主要在2.5马赫出现,超过2.5马赫启动加热就会很严重。

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葉ye苦逼搬砖工

2014-04-11 10:10

超音速风洞的是说它的最大峰值达到超音速还是它能稳定持久呢?

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大哥,人家说的是华氏度好不??1500华氏度才815.5摄氏度,815.5摄氏度你融化个钢板来给我看看??
按照图示,最高温度处是1884华氏度,合1028.8摄氏度,那也不够融化钢材啊!

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黄小颓.可转职成A:捕快B:衙役C:狱卒D:其他

2014-04-13 01:47

摩擦生热.
空气阻力有摩擦.
超音速.
应该能融化吧.

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创世者航空报国的热血青年

2014-04-13 20:58

很简单啊 你可以反过来想 航天飞机降落穿过大气层的时候是不是会产生高温

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支持者: None

太能吹了,吹上天,又吹没边儿,

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