$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Una boquilla es un dispositivo que se usa comúnmente en los sistemas de propulsión aeroespacial para acelerar o desacelerar el flujo utilizando su sección transversal variable.
El tipo más básico de boquilla, la boquilla convergente, es esencialmente un tubo con un área que disminuye gradualmente desde la entrada hasta la salida o garganta. A medida que disminuye el área de la boquilla, aumenta la velocidad del flujo, y la velocidad máxima se produce en la garganta. A medida que aumenta la velocidad del flujo de entrada, la velocidad del flujo en la garganta también aumenta hasta que alcanza Mach 1. Cuando alcanza Mach 1, el flujo en la garganta se obstruye, lo que significa que cualquier aumento adicional de la velocidad del flujo de entrada no aumenta la velocidad del flujo en la garganta. Por esta razón, las boquillas convergentes se utilizan para acelerar fluidos solo en el régimen subsónico.
El flujo en una boquilla es causado por una variación de presión entre dos puntos. Aquí, la presión en la salida se denomina contrapresión, y la presión en la entrada es la presión de estancamiento. La relación entre ellos es la relación de contrapresión, que se puede utilizar para controlar la velocidad del flujo. Cuando la presión de estancamiento es igual a la contrapresión, no hay flujo.
Echemos un vistazo al número de Mach a lo largo de la boquilla. Para la condición de no flujo, cuando la relación de contrapresión es igual a uno, el número de Mach es obviamente cero. A medida que disminuye la contrapresión, aumenta la velocidad del flujo a lo largo de la sección convergente, así como el número de Mach, con su valor máximo en la garganta. Cuando la relación de contrapresión alcanza un valor de 0,5283, el número de Mach en la garganta es uno y el flujo se obstruye. A medida que la contrapresión se reduce aún más, el número de Mach en la garganta se mantiene constante en uno.
Otra boquilla común es la boquilla convergente-divergente, que tiene una sección de área decreciente, seguida de una sección de área creciente. También podemos observar el número de Mach a lo largo de la boquilla convergente-divergente para examinar las condiciones de flujo a diferentes relaciones de contrapresión. Para la condición de no flujo, nuevamente el número de Mach es cero.
A medida que la contrapresión disminuye, el número de Mach aumenta a través de la sección convergente mientras disminuye a través de la sección divergente. Cuando la relación de presión de la garganta se acerca a 0. 5283, el flujo se obstruye y alcanza Mach uno antes de disminuir subsónicamente. A medida que la contrapresión se reduce aún más, el flujo después de la garganta se vuelve supersónico y luego subsónico.
A relaciones de contrapresión muy bajas, el flujo se expande isentrópicamente y permanece supersónico a través de la boquilla divergente, alcanzando números de Mach mayores que uno. Alternativamente, el flujo puede formar un choque cuando se expande en la sección divergente.
Si la presión a la salida de la boquilla es menor que la presión ambiente, el chorro que sale de la boquilla es muy inestable con variaciones en la presión y la velocidad. A esto se le llama flujo sobreexpandido. Si la presión a la salida de la boquilla es mayor que la presión ambiente, el flujo exhibe un flujo inestable similar y se denomina subexpandido.
En este experimento, demostraremos y analizaremos el flujo tanto en una boquilla convergente como en una convergente-divergente.
En este experimento, estudiaremos el comportamiento de las boquillas utilizando un banco de pruebas de boquillas, que consiste en una fuente de aire comprimido que canaliza el aire a alta presión a través de las boquillas que se están probando. La presión de flujo oscila entre 0 y 120 psi y se controla mediante una válvula mecánica. Las presiones se miden mediante un sensor externo, y los caudales másicos se miden mediante un par de rotámetros conectados en serie justo antes del escape de la boquilla. Ambas boquillas probadas tienen 10 puertos, lo que permite mediciones de presión en toda la longitud de la boquilla.
Para comenzar el experimento, monte la boquilla convergente en el centro del banco de pruebas de boquillas. Luego, use un tubo de PVC de alta presión para conectar los 10 puertos de presión estática al sistema de medición de presión, así como el puerto de presión de estancamiento. Conecte el sistema de medición de presión a la interfaz de adquisición de datos para recopilar lecturas de datos en tiempo real.
Ahora, tome la lectura de presión de la condición de flujo cero. Abra la válvula mecánica para iniciar el flujo de aire. A continuación, ajuste el caudal mediante la válvula mecánica para obtener una relación de contrapresión de 0,9. Registre la presión de estancamiento y la presión atmosférica del sistema de medición de presión y la temperatura del sensor de temperatura. Registre la presión manométrica de cada grifo de presión, asegurándose de anotar el número de grifo, la posición axial y la relación del área de la boquilla para cada uno según la geometría proporcionada por el fabricante.
Una vez introducidos los valores del caudal másico, pulse el botón "Registrar datos" para registrar todas las lecturas con la relación de contrapresión ajustada. Disminuya la relación de contrapresión en pasos de 0,1, hasta una relación de 0. 1, registrando las mediciones en cada incremento como antes. Asegúrese de capturar los datos a una relación de contrapresión de 0,5283, que es la condición teórica de flujo ahogado.
Cuando se hayan completado estas pruebas, cierre el flujo de aire, desconecte el tubo de PVC y reemplace la boquilla convergente con la boquilla convergente-divergente. Conecte los puertos al sistema de medición y, a continuación, repita todas las mediciones como se ha descrito anteriormente.
Para analizar nuestros datos, primero calculamos la relación de presión a través de la boquilla utilizando la medición de la presión estática en cada puerto. Recordemos que la medición de la contrapresión se realizó en el puerto 10. También podemos calcular el número de Mach en cada puerto usando esta ecuación, donde gamma es el calor específico.
Aquí, hemos trazado la variación en la relación de presión y el número de Mach frente a la distancia normalizada de la boquilla para cada caudal en nuestra boquilla convergente. En la garganta, el número de Mach no supera 1, lo que significa que el flujo está obstruido. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los datos en la garganta corresponden al puerto 9, que está ligeramente antes de la garganta real. Más allá de la salida de la garganta, hay una expansión incontrolada del flujo, lo que lleva a números supersónicos de Mach.
A continuación, utilizando los datos recopilados, podemos calcular el parámetro de caudal másico, MFP, utilizando la ecuación mostrada. Aquí, m-punto es el caudal másico a través de la boquilla, T-cero es la temperatura de estancamiento, AT es el área de la garganta y p-cero es la presión de estancamiento. El MFP aumenta con la relación de contrapresión decreciente hasta 0,6, lo que corresponde al comportamiento esperado, ya que el flujo másico debe aumentar a medida que disminuye la relación de contrapresión.
El MFP debe permanecer constante después de 0,6, ya que el flujo se obstruye en este punto y el flujo másico no puede aumentar. Sin embargo, observamos una disminución de MFP en esta región. Es probable que este resultado se deba a la ubicación del grifo que mide la presión de la garganta, que está ligeramente antes de la verdadera garganta de la boquilla. Esta podría ser la razón más probable de la lectura incorrecta de la impresora multifunción.
Ahora, echemos un vistazo a la boquilla convergente-divergente, comenzando con el gráfico de la relación de presión y el número de Mach frente a la distancia normalizada de la boquilla. Las observaciones de la variación del número de Mach a través de la boquilla muestran un flujo subsónico hasta que la relación de presión en la garganta es igual a la condición de flujo ahogado de 0,5283. Después de este punto, se observan tres patrones distintos a medida que la relación de contrapresión se reduce aún más.
Primero, el flujo alcanza la condición de obstrucción en la garganta y se desacelera subsónicamente en la sección divergente. En segundo lugar, el flujo se acelera supersónicamente más allá de la garganta y luego se desacelera, en algunos casos a velocidades subsónicas. Finalmente, vemos que el flujo continúa acelerándose supersónicamente durante la totalidad de la sección divergente para relaciones de contrapresión inferiores a 0,3.
Por último, el gráfico de MFP muestra un aumento con relaciones de contrapresión decrecientes, que alcanza un máximo de 0,5283. Este resultado se espera a medida que el flujo aumenta hasta la condición de ahogo. Al igual que con la boquilla convergente, la MFP debe permanecer constante después de alcanzar la condición de flujo obstruido, pero observamos una disminución debido a la ubicación del grifo de presión de garganta.
En resumen, aprendimos cómo las diferentes secciones transversales de las toberas aceleran o desaceleran el flujo en los sistemas de propulsión. A continuación, medimos la presión axial a lo largo de una boquilla convergente y una convergente-divergente, para observar las variaciones en el número de Mach y la presión para deducir los patrones de flujo.
