拉瓦尔喷管喷喉为一马赫，扩张段怎么加速？
拉瓦尔喷管的喷喉处恰好是一马赫，这是它神奇之处的核心，也是喷管能够继续加速的起点。很多人会觉得，既然已经达到了音速，再往后加速似乎就不太可能了，毕竟音速就是声音传播的速度，是介质中信息传播的极限速度。但实际上，喷喉之后，进入扩张段的超音速气流，确实能够继续加速，而且速度会越来越快，直至离开喷管。这其中的奥秘，就隐藏在超音速流动的特性以及喷管的几何设计之中。
要理解这一点，我们首先需要区分亚音速和超音速流动的基本行为。
亚音速流动：喉道收缩加速，扩张减速
在喷管的收敛段，当我们还没有达到音速时，气体的行为是符合我们日常直觉的。就像水流一样，当你把它引导到一个越来越窄的通道里，水流的速度就会加快。这是因为在亚音速流动中，压缩性相对较小，声音的传播速度远超于气体的流动速度。这意味着，当气体进入一个收缩的通道时，为了维持一定的质量流量（单位时间内通过的物质总量），它会自然地加快速度来“挤过”那个窄小的区域。
反过来，如果气流进入一个扩张的通道，在亚音速状态下，它会自然地减速。可以想象，在一个越来越宽阔的河流里，水流会自然舒缓下来。
超音速流动：性质逆转，扩张加速！
然而，一旦气流在喷喉处达到了马赫数等于1（即音速），情况就发生了根本性的变化。这时候，气流的压缩性变得非常显著，而且气流的速度已经接近甚至等于了声音在介质中的传播速度。在超音速状态下，之前我们熟悉的亚音速流动规律就失效了。
这时候，最关键的一点来了：在超音速状态下，扩张段反而会使气流加速，而收缩段会使气流减速。
这听起来很反直觉，但它是基于热力学和流体力学的基本原理。让我们来深入剖析一下：
1. 能量守恒与焓降：
首先，我们要明白，在喷管中，气流的加速是依靠其内能（尤其是热能）转化为动能来实现的。这些能量的来源是高温高压的气体。气流在通过喷喉并进入扩张段后，虽然它整体上是向外膨胀的，但这种膨胀并非简单地“散开”。
在超音速流动中，气流的焓（焓可以理解为气体的总能量，包括内能和动能）会持续下降，转化为动能。你可以想象成，气体在扩张段“燃烧”了自己的热能，来驱动自己跑得更快。
2. 压力梯度与推力：
尽管气流的速度很高，但它仍然受到压力梯度（Pressure Gradient）的影响。在扩张段，气体从喷喉处的高压状态逐渐膨胀到出口的低压状态。然而，由于气流是超音速的，它对下游压力的“感知”能力变得非常有限。
想象一下，你是一个跑得非常快的人，你前面有一个低洼的地方，你很难通过空气的阻力来提前“知道”前方有这个低洼，然后提前减速。超音速气流也是如此，它对下游压力的“反馈”是滞后的。
在扩张段，尽管从宏观上看，气流是向外膨胀的，但气流内部的分子仍然在以超音速运动。这种运动使得气流能够有效地利用扩张段提供的空间来“舒展”并加速。具体来说，扩张段的形状使得气流能够以更低的压力梯度，持续地将热能转化为动能。
我们可以用一个简化的思想实验来理解：试想一下，如果扩张段不是用来加速，而是像亚音速那样用来减速，那么气流的速度就会下降。但我们知道，在喷喉处已经达到音速，如果速度下降，就意味着出现了超音速到亚音速的转变，这在没有激波的情况下是不可能发生的（激波是速度发生突变的地方，通常伴随能量损失）。所以，为了保持超音速流动的连续性，扩张段的几何形状必然是促进加速的。
3. 绝热过程与熵增：
理想情况下，喷管内的流动可以被视为一个绝热过程，即没有热量与外界交换。在超音速状态下，当气体通过扩张段膨胀时，它会经历一个所谓的“等熵膨胀”过程（在理想情况下）。在等熵膨胀过程中，气体的压力和温度都会下降，但其动能则会显著增加。这个过程也伴随着总压力的下降，但这与局部压力梯度和气流的加速是分开讨论的。
更重要的是，在超音速流动中，声波（或扰动波）的传播速度比气流的速度慢。这意味着，气流在进入扩张段后，来自下游压力降低的信息无法“及时”地传回上游，告诉它“该减速了”。相反，气流会以其自身的速度向前推进，并充分利用扩张段提供的空间来加速。
举个例子，假设扩张段出口的压力非常低。在亚音速时，出口低压信息会沿着气流向上游传播，引导气流减速以适应低压环境。但在超音速时，下游的低压信息只能以音速向前传播。而气流本身的运动速度比音速快，所以出口的低压信号实际上是滞后于气流本身前进速度的。因此，气流能够“穿越”低压区域，并在扩张过程中持续加速。
4. 喷管形状的作用：
拉瓦尔喷管的特殊形状正是为了适应这种超音速流动的特性而设计的。收敛段将亚音速流加速到喷喉的马赫数为1。一旦达到喷喉，气流就已经具备了超音速流动的潜质。随后，扩张段被设计成一个逐渐增大的圆锥形或类圆锥形通道。
在这个扩张段中，虽然气流在继续膨胀，但它的截面积在增加。这种面积的增加，在超音速状态下，会产生一个“拉力”，使得气流得以进一步加速。你可以想象成，气流在越来越宽敞的道路上跑，并且它跑得比路上的“刹车信号”（来自下游的压力反馈）要快，所以它会一直加速到路尽头（出口）。
具体来说，扩张段的几何形状与气流的超音速属性协同作用，使得在每一段扩张区域，压力和温度的下降幅度都能有效地转化为速度的增加。随着截面积的增大，气流的密度会下降，但单位时间流过的总质量不变，这就迫使速度必须进一步增加来补偿密度的降低。
总结一下：
喷喉处马赫数为1是临界点： 这是亚音速流动向超音速流动转变的标志。
超音速流动的特性逆转： 在超音速时，扩张段导致加速，收缩段导致减速。
能量转化： 气流的内能（热能）转化为动能，这是加速的根本动力。
压力梯度与信号滞后： 超音速气流对下游低压环境的响应是滞后的，允许它在扩张段持续加速。
等熵膨胀： 在理想情况下，超音速膨胀是一个等熵过程，伴随着压力、温度下降和速度升高。
喷管几何设计： 拉瓦尔喷管的扩张段形状正是为了最大化地利用超音速流动特性，将其进一步加速。
所以，拉瓦尔喷管并不是在喷喉处达到最高速度，而是将气流在进入扩张段后，利用超音速流动的独特物理规律，将其持续加速到出口，从而获得更高的出口速度和推力。这就像是给气流一个“加速跑道”，一旦它冲过了起跑线（喷喉），它就能在这条跑道上越跑越快。
要理解这一点，我们首先需要区分亚音速和超音速流动的基本行为。
亚音速流动：喉道收缩加速，扩张减速
在喷管的收敛段，当我们还没有达到音速时，气体的行为是符合我们日常直觉的。就像水流一样，当你把它引导到一个越来越窄的通道里，水流的速度就会加快。这是因为在亚音速流动中，压缩性相对较小，声音的传播速度远超于气体的流动速度。这意味着，当气体进入一个收缩的通道时，为了维持一定的质量流量（单位时间内通过的物质总量），它会自然地加快速度来“挤过”那个窄小的区域。
反过来，如果气流进入一个扩张的通道，在亚音速状态下，它会自然地减速。可以想象，在一个越来越宽阔的河流里，水流会自然舒缓下来。
超音速流动：性质逆转，扩张加速！
然而，一旦气流在喷喉处达到了马赫数等于1（即音速），情况就发生了根本性的变化。这时候，气流的压缩性变得非常显著，而且气流的速度已经接近甚至等于了声音在介质中的传播速度。在超音速状态下，之前我们熟悉的亚音速流动规律就失效了。
这时候，最关键的一点来了：在超音速状态下，扩张段反而会使气流加速，而收缩段会使气流减速。
这听起来很反直觉，但它是基于热力学和流体力学的基本原理。让我们来深入剖析一下：
1. 能量守恒与焓降：
首先，我们要明白，在喷管中，气流的加速是依靠其内能（尤其是热能）转化为动能来实现的。这些能量的来源是高温高压的气体。气流在通过喷喉并进入扩张段后，虽然它整体上是向外膨胀的，但这种膨胀并非简单地“散开”。
在超音速流动中，气流的焓（焓可以理解为气体的总能量，包括内能和动能）会持续下降，转化为动能。你可以想象成，气体在扩张段“燃烧”了自己的热能，来驱动自己跑得更快。
2. 压力梯度与推力：
尽管气流的速度很高，但它仍然受到压力梯度（Pressure Gradient）的影响。在扩张段，气体从喷喉处的高压状态逐渐膨胀到出口的低压状态。然而，由于气流是超音速的，它对下游压力的“感知”能力变得非常有限。
想象一下，你是一个跑得非常快的人，你前面有一个低洼的地方，你很难通过空气的阻力来提前“知道”前方有这个低洼，然后提前减速。超音速气流也是如此，它对下游压力的“反馈”是滞后的。
在扩张段，尽管从宏观上看，气流是向外膨胀的，但气流内部的分子仍然在以超音速运动。这种运动使得气流能够有效地利用扩张段提供的空间来“舒展”并加速。具体来说，扩张段的形状使得气流能够以更低的压力梯度，持续地将热能转化为动能。
我们可以用一个简化的思想实验来理解：试想一下，如果扩张段不是用来加速，而是像亚音速那样用来减速，那么气流的速度就会下降。但我们知道，在喷喉处已经达到音速，如果速度下降，就意味着出现了超音速到亚音速的转变，这在没有激波的情况下是不可能发生的（激波是速度发生突变的地方，通常伴随能量损失）。所以，为了保持超音速流动的连续性，扩张段的几何形状必然是促进加速的。
3. 绝热过程与熵增：
理想情况下，喷管内的流动可以被视为一个绝热过程，即没有热量与外界交换。在超音速状态下，当气体通过扩张段膨胀时，它会经历一个所谓的“等熵膨胀”过程（在理想情况下）。在等熵膨胀过程中，气体的压力和温度都会下降，但其动能则会显著增加。这个过程也伴随着总压力的下降，但这与局部压力梯度和气流的加速是分开讨论的。
更重要的是，在超音速流动中，声波（或扰动波）的传播速度比气流的速度慢。这意味着，气流在进入扩张段后，来自下游压力降低的信息无法“及时”地传回上游，告诉它“该减速了”。相反，气流会以其自身的速度向前推进，并充分利用扩张段提供的空间来加速。
举个例子，假设扩张段出口的压力非常低。在亚音速时，出口低压信息会沿着气流向上游传播，引导气流减速以适应低压环境。但在超音速时，下游的低压信息只能以音速向前传播。而气流本身的运动速度比音速快，所以出口的低压信号实际上是滞后于气流本身前进速度的。因此，气流能够“穿越”低压区域，并在扩张过程中持续加速。
4. 喷管形状的作用：
拉瓦尔喷管的特殊形状正是为了适应这种超音速流动的特性而设计的。收敛段将亚音速流加速到喷喉的马赫数为1。一旦达到喷喉，气流就已经具备了超音速流动的潜质。随后，扩张段被设计成一个逐渐增大的圆锥形或类圆锥形通道。
在这个扩张段中，虽然气流在继续膨胀，但它的截面积在增加。这种面积的增加，在超音速状态下，会产生一个“拉力”，使得气流得以进一步加速。你可以想象成，气流在越来越宽敞的道路上跑，并且它跑得比路上的“刹车信号”（来自下游的压力反馈）要快，所以它会一直加速到路尽头（出口）。
具体来说，扩张段的几何形状与气流的超音速属性协同作用，使得在每一段扩张区域，压力和温度的下降幅度都能有效地转化为速度的增加。随着截面积的增大，气流的密度会下降，但单位时间流过的总质量不变，这就迫使速度必须进一步增加来补偿密度的降低。
总结一下：
喷喉处马赫数为1是临界点： 这是亚音速流动向超音速流动转变的标志。
超音速流动的特性逆转： 在超音速时，扩张段导致加速，收缩段导致减速。
能量转化： 气流的内能（热能）转化为动能，这是加速的根本动力。
压力梯度与信号滞后： 超音速气流对下游低压环境的响应是滞后的，允许它在扩张段持续加速。
等熵膨胀： 在理想情况下，超音速膨胀是一个等熵过程，伴随着压力、温度下降和速度升高。
喷管几何设计： 拉瓦尔喷管的扩张段形状正是为了最大化地利用超音速流动特性，将其进一步加速。
所以，拉瓦尔喷管并不是在喷喉处达到最高速度，而是将气流在进入扩张段后，利用超音速流动的独特物理规律，将其持续加速到出口，从而获得更高的出口速度和推力。这就像是给气流一个“加速跑道”，一旦它冲过了起跑线（喷喉），它就能在这条跑道上越跑越快。
网友意见
速度大于一马赫时，扩张段是增大流速的，速度低于时是收缩段增大。
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