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举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 345次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

编注:大家还记得日报发布的这篇文章吗《飞机滑行时靠轮子提供动力,还是靠引擎引擎能把人吸进去吗?》 在这篇文章的结尾,我们提出了一个问题“为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线呢?”。本期,我们邀请了能源行业资深从业者 oneking302来回答这个问题。

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首先摆出最能说明问题的图片:

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

这个照片里其实是两个问题:

1.明明照片天气很好,为什么会有水气?

2.为什么水气会向龙卷风一样,径直飞向引擎中?

我们先回答第一个问题,照片里,阳光明媚,没有下雨,预计室外温度大部分时候不会超过 35 度。那么水气会不会是气温太高,水被烧成了汽呢?35 度是个什么概念,夏天里的正常气温,在南方,有的耐热的人,可能空调都还没用起,更别说把水烧开呢,差的远。

问题就出在这里,大家知道高原做饭,跟咱们普通居家做法不一样,如下图,是高原做饭的场景

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

大家可以注意到,高原做饭用的是高压锅,因为不用高压锅煮不熟饭。为什么呢,因为水在一个标准大气压之下(大约 100Kpa)沸点约等于 100 摄氏度,对于一般的家常烹饪就够了。可是,随着海拔增高,大气压力的降低,水的沸点就会降低,也就是也许水只有几十度,但是也沸腾了,温度无法再进一步升高,自然没法做饭,也就需要高压锅了。

这种现象,有时候在低压力的情况下,甚至可以让沸点低到 40 度左右,也就是,你在夏天把一杯水放在太阳下晒一下,然后转到低压力的环境下,会发现,杯子里的水咕嘟嘟沸腾了,慢慢变成了水蒸气。

对于飞机发动机来说,在之前的文章里,已经描述过,飞机发动机具有巨大的吸力,也就自然会吸入大量的空气,可以想象,在大量空气迅速被吸走的情况下,引擎前部会出现局部压力迅速低于当地海拔对应的大气压,也就是,此区域水的沸点,会大大低于平时的沸点,大家再回去看第一张图片,是不是发现水汽从地面湿润处飞起?这就是因为,地面上的水,恰好处于抽气后的低压区域,因为沸点降低而迅速汽化,变成了水蒸气的缘故。

现在我们再来回答第二个问题:为什么水蒸气会龙卷风一样,径直飞向引擎中心呢?

因为飞机引擎,属于燃气轮机的一种,对燃气轮机来说,如下面的截面图,大致可以分为,压气段(compressor),燃烧段(Combustion),透平段(Turbine),正因为压气段的存在,导致了引擎在开始运行之后,会一直吸入大量的空气,并将它压入燃烧室,跟燃料混合,进行燃烧,然后再进入透平段做工,从而提供巨大动力。

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

示意的一款剖面图如下:

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

真正做成的产品,安装完毕前的图如下:

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

大家再仔细看看下面的压气段,是不是觉得有点像家里的电风扇?

举个栗子:为什么水汽被吸入引擎时,会形成类似龙卷风一样的一条线?

是的,只是它比电风扇更复杂,更精密可控。但是基本原理类似,通过一系列叶片的旋转,空气被吸进来,压入后面的区域,在叶片旋转压缩空气做功的过程中,气流便会形成有涡流。

正是在涡流的作用下,地面上的水,一旦因为压力降低而汽化成水蒸气,就会被卷入涡流,旋转,并且进入压缩段的叶片。这时候从外在看来,就是突然出现一股汽,像龙卷风一样,径直飞入了引擎入口。


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