8.7: 노즐 분석: 수렴 및 수렴 전달 노즐에 따른 마하수 및 압력의 변화

이 데모에서는 테스트 중인 노즐을 통해 고압 공기를 채널하는 압축 공기원으로 구성된 노즐 테스트 장비가 사용되었으며, 그림 5에나와 같이. 유압은 0- 120 psi범위이며 기계식 밸브를 사용하여 제어됩니다. 압력은 외부 센서를 사용하여 측정되지만 노즐의 질량 유량은 노즐 테스트 장비의 배기 직전에 배치된 한 쌍의 로타미터로 측정됩니다.

그림 5. 노즐 테스트 장비. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 수렴 및 수렴 발산 노즐에서 축 압 측정

1. 그림 5에표시된 것처럼 노즐 테스트 리그의 중앙에 수렴 노즐을 마운트합니다. 압력 탭에 대한 레이블이 있는 수렴 노즐의 2D 섹션은 그림 6에표시됩니다.

그림 6. 수렴 노즐의 기하학. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 10개의 정적 압력 포트와 침체 압력 포트를 유연한 고압 PVC 튜브를 사용하여 압력 측정 시스템에 연결합니다.
3. 압력 측정 시스템을 그래픽 소프트웨어 인터페이스에 연결하여 실시간 압력 데이터 판독을 합니다.
4. 0/무유 조건 읽기를 가져 가라.
5. 기계식 유량 제어 밸브를 열어 기류를 시작합니다.
6. 0.9의 역압비(p_B/pO)를얻기 위해 유량을 조정하기 위해 밸브를 회전한다. 수렴 및 수렴 분기 노즐 모두에 대한 역압력은 포트 10에서 판독되는 압력 데이터에 해당합니다.
7. 표 1에 해당하는 데이터를 기록합니다.
8. 각 설정에 대해 p_B/pO = 0.1 반복 단계 7까지 0.1 단계의 역압 비율을 줄입니다. 또한, p_B/pO = 0.5283에 대해 7단계를 반복하여 이론적으로 질식된 유동 조건에서 유동 데이터를 캡처합니다.
9. 수렴 노즐을 수렴 발산 노즐로 바꾸고 1.2 - 1.8 단계를 반복합니다. 압력 탭에 대한 레이블이 있는 수렴 노즐의 2D 섹션은 그림 7에표시됩니다.
10. 테스트가 완료되면 모든 시스템을 분리하고 노즐 테스트 장비를 해체합니다.

그림 7. 수렴 발산 노즐의 형상. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1. 노즐 실험을 위해 수집된 데이터입니다.

표 2. 노즐 지오메트리 데이터.

노즐은 다양한 단면을 사용하여 흐름을 가속하거나 감속하기 위해 항공 우주 추진 시스템에서 일반적으로 사용되는 장치입니다.

노즐의 가장 기본적인 유형인 수렴 노즐은 본질적으로 입구에서 출구 또는 목구멍까지 점차적으로 감소하는 면적을 가진 튜브입니다. 노즐 면적이 감소함에 따라 유속이 증가하고 최대 속도는 목구멍에서 발생합니다. 입구 유속이 증가함에 따라 목구멍의 유속도 마하 1에 도달할 때까지 증가합니다. 마하 1에 도달하면 목구멍의 흐름이 막히게 되는데, 이는 입구 유속이 더 이상 증가해도 목구멍의 유속이 증가하지 않음을 의미합니다. 이러한 이유로 수렴 노즐은 아음속 영역에서만 유체를 가속하는 데 사용됩니다.

노즐의 흐름은 두 지점 사이의 압력 변화로 인해 발생합니다. 여기서 출구의 압력은 배압이라고 하고 입구의 압력은 정체 압력입니다. 그들 사이의 비율은 유속을 제어하는 데 사용할 수 있는 배압 비율입니다. 정체 압력이 배압과 같을 때 흐름이 없습니다.

노즐의 길이에 걸친 마하 수를 살펴 보겠습니다. 흐름이 없는 조건의 경우 배압 비율이 1과 같을 때 마하 수는 분명히 0입니다. 배압이 감소하면 수렴 구간을 따른 유속이 증가하고 마하 수가 증가하며 목구멍에서 피크 값이 증가합니다. 역압 비율이 0.5283에 도달하면 목구멍의 마하 수가 1이 되고 흐름이 막힙니다. 배압이 더 감소함에 따라 목구멍의 마하 수는 1로 일정하게 유지됩니다.

또 다른 일반적인 노즐은 수렴 분기 노즐이며, 이는 감소 영역의 섹션과 증가 영역의 섹션이 있습니다. 또한 수렴-발산 노즐의 길이에 걸쳐 마하 수를 확인하여 다양한 배압 비율에서 흐름 조건을 검사할 수 있습니다. 흐름이 없는 조건의 경우 다시 마하 수는 0입니다.

배압이 감소함에 따라 마하 수는 수렴 섹션에서 증가하고 분기 섹션에서 감소합니다. 인후 압력비가 0에 가까워질 때. 5283, 흐름은 질식하고 마하 1에 도달한 후 아음속으로 감소합니다. 배압이 더 감소함에 따라 목구멍 뒤의 흐름은 초음속으로 갔다가 아음속으로 이동합니다.

매우 낮은 배압 비율에서 흐름은 발산 노즐 전체에서 엔트로피 적으로 팽창하고 초음속으로 유지되어 1보다 큰 마하 수에 도달합니다. 또는 흐름이 분기 섹션에서 팽창할 때 충격을 형성할 수 있습니다.

노즐 출구의 압력이 주변 압력보다 낮으면 노즐에서 나오는 제트는 압력과 속도의 변화로 인해 매우 불안정합니다. 이를 과도하게 확장된 흐름이라고 합니다. 노즐 출구의 압력이 주변 압력보다 높으면 흐름이 유사하게 불안정한 흐름을 나타내며 이를 과소 팽창이라고 합니다.

이 실험에서는 수렴 노즐과 수렴-발산 노즐 모두에서 흐름을 시연하고 분석합니다.

이 실험에서는 테스트 중인 노즐을 통해 고압 공기를 전달하는 압축 공기 공급원으로 구성된 노즐 테스트 장비를 사용하여 노즐의 거동을 연구합니다. 유량 압력의 범위는 0 - 120psi이며 기계식 밸브를 사용하여 제어됩니다. 압력은 외부 센서를 사용하여 측정되며, 질량 유량은 노즐 배기 직전에 직렬로 연결된 한 쌍의 회전계로 측정됩니다. 테스트된 두 노즐 모두 10개의 포트가 있어 노즐 길이 전체에 걸쳐 압력을 측정할 수 있습니다.

실험을 시작하려면 노즐 테스트 장비의 중앙에 수렴 노즐을 장착합니다. 그런 다음 고압 PVC 튜브를 사용하여 10개의 정압 포트를 압력 측정 시스템과 정체 압력 포트에 연결합니다. 압력 측정 시스템을 데이터 수집 인터페이스에 연결하여 실시간 데이터 판독값을 수집합니다.

이제 제로 유량 조건 압력 판독값을 가져옵니다. 기계식 밸브를 열어 공기 흐름을 시작합니다. 그런 다음 0.9의 배압 비율을 얻기 위해 기계식 밸브를 사용하여 흐름을 조정합니다. 압력 측정 시스템의 정체 압력과 대기압을 기록하고 온도 센서의 온도를 기록합니다. 각 압력 탭의 게이지 압력을 기록하고 제조업체에서 제공한 형상에 따라 각 탭의 탭 번호, 축 위치 및 노즐 면적 비율을 기록해 두십시오.

질량 유량 값이 입력되면 '데이터 기록' 버튼을 눌러 설정된 배압 비율로 모든 판독값을 기록합니다. 배압 비율을 0.1 단계씩 0 비율로 낮춥니다. 1, 이전과 같이 각 증분에서 측정 값을 기록합니다. 이론적인 막힌 흐름 조건인 0.5283의 역압 비율에서 데이터를 캡처해야 합니다.

이러한 테스트가 완료되면 공기 흐름을 끄고 PVC 튜브를 분리한 다음 수렴 노즐을 수렴-발산 노즐로 교체합니다. 포트를 측정 시스템에 연결한 다음 앞에서 설명한 대로 모든 측정을 반복합니다.

데이터를 분석하기 위해 먼저 각 포트에서 정압 측정값을 사용하여 노즐 전체의 압력 비율을 계산합니다. 배압 측정은 포트 10에서 이루어졌습니다. 또한 이 방정식을 사용하여 각 포트에서 마하 수를 계산할 수 있으며, 여기서 감마는 비열입니다.

여기에서는 수렴 노즐의 각 유속에 대한 정규화된 노즐 거리와 비교하여 압력 비율과 마하 수의 변화를 표시했습니다. 목구멍에서 마하 수는 1을 초과하지 않으며, 이는 흐름이 막혔다는 것을 의미합니다. 그러나 목구멍의 데이터는 실제 목구멍보다 약간 앞선 포트 9에 해당한다는 점에 유의해야 합니다. 목구멍 출구 너머에는 흐름의 통제되지 않은 확장이 있어 초음속 마하 수로 이어집니다.

다음으로, 수집된 데이터를 사용하여 표시된 방정식을 사용하여 질량 유량 매개변수 MFP를 계산할 수 있습니다. 여기서 m-dot은 노즐을 통과하는 질량 유량, T-zero는 정체 온도, AT는 목 면적, p-zero는 정체 압력입니다. MFP는 배압 비율이 감소함에 따라 최대 0.6까지 증가하며, 이는 배압 비율이 감소함에 따라 질량 흐름이 증가해야 하므로 예상되는 동작에 해당합니다.

MFP는 이 지점에서 흐름이 막히고 질량 흐름이 증가할 수 없으므로 0.6 이후에도 일정하게 유지되어야 합니다. 그러나 이 지역에서 MFP가 감소하는 것을 관찰할 수 있습니다. 이 결과는 실제 노즐 목구멍보다 약간 앞선 목 압력을 측정하는 탭의 위치로 인해 발생할 수 있습니다. 이것이 잘못된 MFP 판독의 가장 가능성 있는 이유일 수 있습니다.

이제 압력 비율과 마하 수 대 정규화된 노즐 거리의 플롯부터 시작하여 수렴-발산 노즐을 살펴보겠습니다. 노즐 전체의 마하 수 변화를 관찰하면 목구멍의 압력 비율이 0.5283의 막힌 흐름 조건과 같을 때까지 아음속 흐름을 보여줍니다. 이 시점 이후에는 역압 비율이 더욱 감소함에 따라 세 가지 뚜렷한 패턴이 관찰됩니다.

첫째, 흐름은 목구멍에서 질식 상태에 도달하고 발산 부분에서 아음속으로 감속합니다. 둘째, 흐름은 목구멍 너머로 초음속으로 가속된 다음 경우에 따라 아음속으로 감소합니다. 마지막으로, 우리는 0.3보다 낮은 배압 비율에 대해 발산 구간 전체에 대해 흐름이 초음속으로 계속 가속되는 것을 볼 수 있습니다.

마지막으로, MFP의 그림은 배압 비율이 감소함에 따라 증가하며, 이는 0.5283에서 최고점을 나타냅니다. 이 결과는 흐름이 막힌 상태까지 증가함에 따라 예상됩니다. 수렴 노즐과 마찬가지로 MFP는 막힌 흐름 조건에 도달한 후에도 일정하게 유지되어야 하지만 목 압력 탭의 위치로 인해 감소가 관찰됩니다.

요약하면, 우리는 노즐의 다양한 단면이 추진 시스템에서 흐름을 어떻게 가속화하거나 감속하는지 배웠습니다. 그런 다음 수렴 및 수렴-발산 노즐을 따라 축 방향 압력을 측정하여 마하 수와 압력의 변화를 관찰하여 흐름 패턴을 추론했습니다.