为什么喷气发动机燃烧产生的气体只能向后喷射？

温/杭晓蓓的《每日科普》

虽然航空空发动机的结构复杂，但其基本原理非常简单。它不过是一种利用航空空燃料和氧气的混合燃烧，通过产生的能量为飞机提供前进动力的装置。如下图所示，这是典型航空空发动机的结构图。

△导航空发动机的原理实际上并不复杂△

在发动机运行期间，空气体首先被发动机的压缩机压缩，然后进入燃烧室与燃料混合并点燃产生高温气体，然后进入后涡轮推动涡轮旋转。最后，气体通过发动机的加力燃烧室和排气口喷出。

这个过程并不复杂，但许多人意识到了一个问题:我们都点燃鞭炮，火药点燃时高压气体应该向四面八方流动，只要有出口就钻孔。air 空发动机的结构前后透明，不会堵塞进气口。那么，为什么发动机中的气体只是在点燃后才回流，而不是从发动机前部涌出？

△鞭炮点燃后，气体向四面八方流动。

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高温不等于高压

在气体燃烧并变热之后，从气体分子的角度来看，因为气体分子在被加热后移动得更剧烈，并且趋向于彼此分离，所以在这种情况下气体内部出现的第一个现象是“膨胀”。只有当气体膨胀受阻时，才会产生高压。

也就是说，高温不一定产生高压。低温气体加热后，只有在有限的空间内，高温才会产生高压空。因此，我们可以看到鞭炮点燃后火药剧烈燃烧，在狭窄的空间空形成高压，使鞭炮最终爆炸。

然而，如果气体在块空之间的足够大的区域被点燃，气体可以完全膨胀，但是压力不会上升，这被称为“等压燃烧”。如下图所示，它是模拟等压燃烧。可以看出，这部分气体的体积越来越大，但压力没有变化。

△模拟中的等压燃烧△

航空空发动机的燃烧室是等压燃烧。下图显示了航空空发动机燃烧室的结构图。可以看出，尽管燃烧室的容积很小，但对于火焰来说，它仍然可以完全膨胀。

△环形燃烧室△ [/K0/]发动机

此外，只要气流没有持续加热，高温气体的持续膨胀(因为环境压力仍然很低)只会降低气体的压力。

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应考虑气体的速度

气体确实会从高压区流向低压区，但我们不能忘记气体本身有一个速度，速度方向从入口流向出口。因此，对气体运动压力影响的更准确描述应该是:压差将导致气体流速改变，而不是简单的句子“气体从高压区流向低压区”。

例如，下面的管道部分可以说明这个问题。这是一段从细到粗的管道。根据伯努利方程，水进入粗管后，流速下降，压力上升。然而，水不会向下流动，而是“异常地”从低压区流向高压区——这是流体速度的影响。

三角洲水管下游压力高于上游三角洲

因此，在发动机的燃烧室中，可能会发生气体的下游压力局部高于上游压力的情况，导致气体速度减慢，或者甚至导致气体在小范围内回流，但是气体流将继续以初始速度整体前进。

燃烧室气体回流增量

发动机内部的气体流量是多少？

说了这么多，

让我们回到空发动机。

如下图所示，

绿线是发动机内部的总压线。

△发动机空气流量的参数变化△

可以看出，气体的压力在进入发动机后一直上升，但是在离开压缩机后，即使气体在燃烧室中被点燃，气体的压力不仅不上升，而且由于流动过程中的能量损失而略微下降[]，因此气体不回流，而是流向下游涡轮。

此外，在涡轮机中，“高压气体”已经是用词不当了。当气流在流经涡轮机时继续膨胀，并且没有能量来持续加热气体时，气流的压力沿着涡轮机下降。

那么为什么气体不会在压力最高的地方(压缩机出口)反向流动呢？答案是:“因为前面有一台压缩机！”压缩机的功能是将气体从低压压缩到高压，这样气体就可以沿增加压力的方向流动，而不是反向流动。

另一方面，当发动机的压缩机由于各种原因不能对空气流加压时，燃烧室中的压力将迫使高温气体回流，从而导致发动机的所谓“喘振”。我们能看到的是火焰从发动机的入口喷出。

德尔塔发动机喘振德尔塔

总结

空气空发动机中的气体流出压缩机后，压力一直在下降。即使混合燃料在点火后剧烈燃烧，由于恒压燃烧，气流压力保持不变(甚至降低)，高温气体将在原始速度祝福下流向发动机尾喷管，而不是反向流向发动机入口。