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Eine Düse ist ein Gerät, das häufig in Antriebssystemen der Luft- und Raumfahrt verwendet wird, um die Strömung unter Verwendung ihres variierenden Querschnitts zu beschleunigen oder zu verlangsamen.
Die einfachste Art von Düse, die konvergierende Düse, ist im Wesentlichen ein Rohr mit einer Fläche, die vom Eingang bis zum Ausgang oder Hals allmählich abnimmt. Mit abnehmender Düsenfläche nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu, wobei die maximale Geschwindigkeit am Hals auftritt. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Einlasses nimmt auch die Strömungsgeschwindigkeit am Hals zu, bis sie Mach 1 erreicht. Bei Erreichen von Mach 1 wird die Strömung am Hals gedrosselt, was bedeutet, dass eine weitere Erhöhung der Einlassströmungsgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit am Hals nicht erhöht. Aus diesem Grund werden konvergierende Düsen allein im Unterschallbereich zur Beschleunigung von Flüssigkeiten eingesetzt.
Die Strömung in einer Düse wird durch eine Druckvariation zwischen zwei Punkten verursacht. Dabei wird der Druck am Ausgang als Gegendruck bezeichnet, der Druck am Eingang als Stagnationsdruck. Das Verhältnis zwischen ihnen ist das Gegendruckverhältnis, mit dem die Strömungsgeschwindigkeit gesteuert werden kann. Wenn der Stagnationsdruck dem Gegendruck entspricht, gibt es keinen Durchfluss.
Schauen wir uns die Machzahl über die Länge der Düse an. Bei der Bedingung ohne Durchfluss, wenn das Gegendruckverhältnis gleich eins ist, ist die Machzahl offensichtlich Null. Mit abnehmendem Gegendruck steigt die Strömungsgeschwindigkeit entlang der konvergierenden Sektion sowie die Machzahl mit ihrem Spitzenwert an der Kehle. Wenn das Gegendruckverhältnis einen Wert von 0,5283 erreicht, ist die Machzahl an der Kehle eins und der Durchfluss wird gedrosselt. Da der Gegendruck weiter reduziert wird, bleibt die Machzahl an der Kehle konstant bei eins.
Eine weitere gängige Düse ist die konvergierende-divergierende Düse, die einen Abschnitt mit abnehmender Fläche aufweist, gefolgt von einem Abschnitt mit zunehmender Fläche. Wir können auch die Machzahl über die Länge der konvergierend-divergierenden Düse betrachten, um die Strömungsbedingungen bei unterschiedlichen Gegendruckverhältnissen zu untersuchen. Bei der Bedingung ohne Durchfluss ist die Machzahl wiederum Null.
Wenn der Gegendruck abnimmt, nimmt die Machzahl im konvergierenden Abschnitt zu, während sie im divergierenden Abschnitt abnimmt. Wenn sich das Halsdruckverhältnis 0 nähert. 5283 wird die Strömung gedrosselt und erreicht Mach eins, bevor sie im Unterschall abnimmt. Wenn der Gegendruck weiter reduziert wird, geht die Strömung nach dem Hals in den Überschall- und dann in den Unterschallbereich.
Bei sehr niedrigen Gegendruckverhältnissen dehnt sich die Strömung isentrop aus und bleibt in der gesamten divergierenden Düse im Überschall, wodurch Machzahlen von mehr als eins erreicht werden. Alternativ kann die Strömung einen Schock bilden, wenn sie sich im divergierenden Abschnitt ausdehnt.
Wenn der Druck am Düsenaustritt niedriger ist als der Umgebungsdruck, ist der aus der Düse austretende Strahl mit Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen sehr instabil. Dies wird als überexpandierte Strömung bezeichnet. Ist der Druck am Düsenausgang höher als der Umgebungsdruck, weist die Strömung eine ähnlich instabile Strömung auf und wird als unterexpandiert bezeichnet.
In diesem Experiment werden wir die Strömung sowohl in einer konvergierenden als auch in einer konvergierend-divergierenden Düse demonstrieren und analysieren.
In diesem Experiment untersuchen wir das Verhalten von Düsen anhand eines Düsenprüfstands, der aus einer Druckluftquelle besteht, die die Hochdruckluft durch die zu testenden Düsen leitet. Der Fließdruck reicht von 0 bis 120 psi und wird über ein mechanisches Ventil geregelt. Die Messung der Drücke erfolgt über einen externen Sensor, und die Massenströme werden mit einem Paar Rotameter gemessen, die direkt vor dem Düsenauslass in Reihe geschaltet sind. Beide getesteten Düsen verfügen über 10 Anschlüsse, die Druckmessungen über die gesamte Länge der Düse ermöglichen.
Um das Experiment zu starten, montieren Sie die konvergierende Düse in der Mitte des Düsenprüfstands. Verwenden Sie dann Hochdruck-PVC-Schläuche, um die 10 statischen Druckanschlüsse sowie den Stagnationsdruckanschluss mit dem Druckmesssystem zu verbinden. Verbinden Sie das Druckmesssystem mit der Datenerfassungsschnittstelle, um Echtzeit-Datenmesswerte zu erfassen.
Nehmen Sie nun den Druckmesswert im Nulldurchflusszusatz vor. Öffnen Sie das mechanische Ventil, um den Luftstrom zu starten. Stellen Sie dann den Durchfluss mit dem mechanischen Ventil ein, um ein Gegendruckverhältnis von 0,9 zu erhalten. Erfassen Sie den Stagnationsdruck und den Atmosphärendruck aus dem Druckmesssystem und die Temperatur aus dem Temperatursensor. Notieren Sie den Überdruck jedes Druckhahns und notieren Sie sich die Hahnnummer, die axiale Position und das Düsenflächenverhältnis für jeden einzelnen auf der Grundlage der vom Hersteller bereitgestellten Geometrie.
Sobald die Massendurchflusswerte eingegeben wurden, drücken Sie die Taste "Daten aufzeichnen", um alle Messwerte mit dem eingestellten Gegendruckverhältnis aufzuzeichnen. Verringern Sie das Gegendruckverhältnis in Schritten von 0,1 auf ein Verhältnis von 0. 1, wobei die Messungen in jedem Schritt wie zuvor aufgezeichnet werden. Stellen Sie sicher, dass Sie die Daten bei einem Gegendruckverhältnis von 0,5283 erfassen, was der theoretischen drosselnden Strömungsbedingung entspricht.
Wenn diese Tests abgeschlossen sind, schalten Sie den Luftstrom aus, trennen Sie den PVC-Schlauch und ersetzen Sie die konvergierende Düse durch die konvergierende/divergierende Düse. Schließen Sie die Anschlüsse an das Messsystem an und wiederholen Sie dann alle Messungen wie zuvor beschrieben.
Um unsere Daten zu analysieren, berechnen wir zunächst das Druckverhältnis über die Düse mit Hilfe der statischen Druckmessung an jedem Anschluss. Es sei daran erinnert, dass die Gegendruckmessung an Anschluss 10 durchgeführt wurde. Mit dieser Gleichung können wir auch die Machzahl an jedem Port berechnen, wobei Gamma die spezifische Wärme ist.
Hier haben wir die Variation des Druckverhältnisses und der Machzahl im Vergleich zum normalisierten Düsenabstand für jede Durchflussrate in unserer konvergierenden Düse aufgetragen. An der Kehle überschreitet die Machzahl 1 nicht, was bedeutet, dass die Strömung gedrosselt wird. Zu beachten ist allerdings, dass die Angaben am Hals dem Port 9 entsprechen, der etwas vor dem eigentlichen Rachen liegt. Jenseits des Halsausgangs kommt es zu einer unkontrollierten Ausdehnung der Strömung, die zu Überschall-Machzahlen führt.
Als nächstes können wir mit den gesammelten Daten den Massendurchflussparameter MFP anhand der gezeigten Gleichung berechnen. Dabei ist m-dot der Massendurchfluss durch die Düse, T-Null die Stagnationstemperatur, AT der Bereich des Halses und p-Null der Stagnationsdruck. Der MFP steigt mit abnehmendem Gegendruckverhältnis bis zu 0,6, was dem erwarteten Verhalten entspricht, da der Massenstrom mit abnehmendem Gegendruckverhältnis zunehmen sollte.
Der MFP sollte dann nach 0,6 konstant bleiben, da der Durchfluss an dieser Stelle gedrosselt ist und der Massenstrom nicht ansteigen kann. Wir beobachten jedoch einen Rückgang der MFP in dieser Region. Dieses Ergebnis wird wahrscheinlich durch die Position des Hahns verursacht, der den Halsdruck misst, der sich etwas vor dem wahren Düsenhals befindet. Dies könnte der wahrscheinlichste Grund für den falschen MFP-Messwert sein.
Werfen wir nun einen Blick auf die konvergierende/divergierende Düse, beginnend mit dem Diagramm des Druckverhältnisses und der Machzahl im Vergleich zum normalisierten Düsenabstand. Beobachtungen der Machzahlvariation über die Düse zeigen eine Unterschallströmung, bis das Druckverhältnis an der Kehle dem Erstickungsströmungszustand von 0,5283 entspricht. Nach diesem Punkt werden drei unterschiedliche Muster beobachtet, wenn das Gegendruckverhältnis weiter reduziert wird.
Zunächst erreicht die Strömung den erstickten Zustand an der Kehle und verlangsamt sich im divergierenden Abschnitt im Unterschall. Zweitens beschleunigt sich die Strömung über den Hals hinaus und verlangsamt sich dann, in einigen Fällen auf Unterschallgeschwindigkeiten. Schließlich sehen wir, dass die Strömung über den gesamten divergierenden Abschnitt bei Gegendruckverhältnissen von weniger als 0,3 weiter beschleunigt wird.
Schließlich zeigt das Diagramm von MFP einen Anstieg mit abnehmenden Gegendruckverhältnissen, der bei 0,5283 seinen Höhepunkt erreicht. Dieses Ergebnis wird erwartet, wenn der Durchfluss bis zum erstickten Zustand zunimmt. Wie bei der konvergierenden Düse sollte der MFP nach Erreichen des verstopften Durchflusszustands konstant bleiben, aber wir beobachten eine Abnahme aufgrund der Position des Halsdruckhahns.
Zusammenfassend haben wir gelernt, wie unterschiedliche Querschnitte von Düsen die Strömung in Antriebssystemen beschleunigen oder verlangsamen. Anschließend haben wir den Axialdruck entlang einer konvergierenden und einer konvergierend-divergierenden Düse gemessen, um Variationen der Machzahl und des Drucks zu beobachten und die Strömungsmuster abzuleiten.
