Spuitmondanalyse: variaties in Mach-getal en druk langs een convergerende en een convergerend-divergerende spuitmond
In this demonstratie werd een mondstuktestopstelling gebruikt, die bestond uit een persluchtbron die hoogdruklucht door de te testen mondstukken gekanaliseerd, zoals getoond in Figuur 5. De stromingsdruk varieert van 0 - 120 psi en wordt geregeld met een mechanische klep. Terwijl de druk gemeten wordt met een externe sensor, worden de massastroomwaarden in het mondstuk gemeten door een paar rotameters die direct voor de uitlaat van de mondstuktestopstelling geplaatst zijn.
Figuur 5. Mondstuktestopstelling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
1. Axiale druk meten in convergerende en convergerend-divergerende mondstukken
- Monteer het convergerende mondstuk in het midden van de mondstuktestopstelling, zoals getoond in Figuur 5. De 2-D sectie voor het convergerende mondstuk met labels voor de drukaftappeningen is te zien in Figuur 6.
Figuur 6. Geometrie van convergerend mondstuk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
- Verbind de 10 statische drukpoorten en de stagnatiedrukpoort met het drukmeetsysteem met behulp van flexibele, hogedruk PVC buizen.
- Verbind het drukmeetsysteem met de grafische software-interface voor real-time drukgegivezen lezing.
- Neem de nul/geen-stroom toestand lezing.
- Open de mechanische stroomregelklep om de luchtstroom te starten.
- Draai de klep om de stroomsnelheid aan te passen om een terugdrukverhouding (pB/pO) van 0,9 te verkrijgen. Merk op dat de terugdruk voor zowel de convergerende als de convergerend-divergerende mondstukken overeenkomt met de drukgegivezen aflezing van poort 10.
- Noteer de gegevens die overeenkomt met Tabel 1.
- Verlaag de terugdrukverhouding in stappen van 0,1 tot pB/pO = 0,1 door stap 7 voor elke instelling te herhalen. Bovendien, herhaal stap 7 voor een pB/pO = 0,5283 om stromingsgegevens bij de theoretische verstikte stromingstoestand te vangen.
- Vervang het convergerende mondstuk door het convergerend-divergerende mondstuk en herhaal stappen 1.2 - 1.8. De 2-D sectie voor het convergerende mondstuk met labels voor de drukaftappeningen is te zien in Figuur 7.
- Na voltooiing van de tests, ontkoppel alle systemen en demonteer de mondstuktestopstelling.
Figuur 7. Geometrie van convergerend-divergerend mondstuk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Tabel 1. Verzamelde gegevens voor het mondstukexperiment.
| Aftappunt nummer | Axiaal positie van aftappunt (in) | Nozzle gebiedsverhouding (A/Ai) | Pstatisch (psi) |
Po (psi) |
Massa Stroomsnelheid (slugs/s) |
Patm (psi) |
To (°F) |
| Figuur 6/7 | Tabel 2 | Tabel 2 | Gaugedruk | Gaugedruk | Rotameter | Gaugedruk | Temperatuursensor |
Tabel 2. Nozzle geometrie gegevens.
| Aftappunt nummer | Convergerend mondstuk | Convergeerend-Divergerend mondstuk | ||||||||||||||||||||||||
| Axiaal positie van aftappunt (in) | Nozzle gebiedsverhouding (A/Ai) | Axiaal positie van aftappunt (in) | ||||||||||||||||||||||||
| Aftappunt nummer | Axiaal positie van aftappunt (in) | Nozzle gebiedsverhouding (A/Ai) | Pstatisch (psi) | Po (psi) | Massa Stroomsnelheid (slugs/s) | Patm (psi) | To (°F) |
| Figuur 6/7 | Tabel 2 | Tabel 2 | Gaugedruk | Gaugedruk | Rotameter | Gaugedruk | Temperatuursensor |
Tabel 2. Nozzle geometrie gegevens.
| Aftappunt nummer | Convergerend mondstuk | Convergeerend-Divergerend mondstuk | ||
| Axiaal positie van aftappunt (in) | Nozzle gebiedsverhouding (A/Ai) | Axiaal positie van aftappunt (in) | ||
Een mondstuk is een apparaat dat vaak wordt gebruikt in lucht- en ruimtevaartvoortstuwingssystemen om stroming te versnellen of vertragen door gebruik te maken van de variërende doorsnede.
Het meest basale type mondstuk, het convergerende mondstuk, is in wezen een buis met een gebied dat geleidelijk afneemt van de ingang tot de uitgang, of de keel. Naarmate het mondstukgebied afneemt, neemt de stromingssnelheid toe, waarbij de maximale snelheid optreedt bij de keel. Naarmate de inlaatstroomsnelheid toeneemt, neemt ook de stromingssnelheid bij de keel toe totdat deze Mach 1 bereikt. Wanneer het Mach 1 bereikt, is de stroming bij de keel verstikt, wat betekent dat elke verdere toename van de inlaatstroomsnelheid de stromingssnelheid bij de keel niet verhoogt. Om deze reden worden convergerende mondstukken alleen gebruikt om vloeistoffen in het subsonische regime te versnellen.
De stroming in een mondstuk wordt veroorzaakt door een variatie in druk tussen twee punten. Hier wordt de druk bij de uitgang de tegendruk genoemd en de druk bij de ingang is de stagnatiedruk. De verhouding tussen hen is de tegendrukverhouding, die kan worden gebruikt om de stromingssnelheid te regelen. Wanneer de stagnatiedruk gelijk is aan de tegendruk, is er geen stroming.
Laten we kijken naar het Mach-getal over de lengte van het mondstuk. Voor de geen-stromingstoestand, wanneer de tegendrukverhouding gelijk is aan één, is het Mach-getal duidelijk nul. Naarmate de tegendruk afneemt, neemt de stromingssnelheid langs het convergerende gedeelte toe, evenals het Mach-getal, met zijn piekwaarde bij de keel. Wanneer de keeldrukverhouding een waarde van 0,5283 bereikt, is het Mach-getal bij de keel een en is de stroming verstikt. Naarmate de tegendruk verder wordt verlaagd, blijft het Mach-getal bij de keel constant op één.
Een andere veel voorkomende mondstuik is het convergerend-divergerende mondstuk, dat een sectie met afnemende oppervlakte heeft, gevolgd door een sectie met toenemende oppervlakte. We kunnen ook kijken naar het Mach-getal over de lengte van het convergerend-divergerende mondstuk om de stromingsomstandigheden bij verschillende tegendrukverhoudingen te onderzoeken. Voor de geen-stromingstoestand is het Mach-getal weer nul.
Naarmate de tegendruk afneemt, neemt het Mach-getal toe over het convergerende gedeelte terwijl het afneemt over het divergerende gedeelte. Wanneer de keeldrukverhouding 0,5283 nadert, wordt de stroming verstikt en bereikt het Mach een voordat het subsonisch afneemt. Naarmate de tegendruk verder wordt verlaagd, wordt de stroming na de keel supersonisch en vervolgens subsonisch.
Bij zeer lage tegendrukverhoudingen breidt de stroming isentropelijk uit en blijft supersonisch over de gehele divergerende mondstuk, met Mach-getallen groter dan één. Als alternatief kan de stroming een schokgolf vormen wanneer deze zich in de divergerende sectie uitbreidt.
Als de druk bij de mondstuikuitgang lager is dan de omgevingsdruk, is de uittredende straal zeer onstabiel met variaties in druk en snelheid. Dit wordt over-uitgebreide stroming genoemd. Als de druk bij de mondstuikuitgang hoger is dan de omgevingsdruk, vertoont de stroming vergelijkbare onstabiele stroming en wordt deze onder-uitgebreid genoemd.
In dit experiment zullen we de stroming demonstreren en analyseren in zowel een convergerend als een convergerend-divergerend mondstuk.
In dit experiment zullen we het gedrag van mondstukken bestuderen met behulp van een mondstuktestopstelling, die bestaat uit een gecomprimeerde luchthoogdrukbron die de hoogdruklucht door de te testen mondstukken geleiden. De stromingsdruk varieert van 0 - 120 psi en wordt geregeld met behulp van een mechanische klep. De drukken worden gemeten met behulp van een externe sensor en de massastromen worden gemeten door een paar rotameters die in serie zijn aangesloten vlak voor de mondstuikuitlaat. Beide geteste mondstukken hebben 10 poorten, waardoor drukmetingen over de gehele lengte van het mondstuk mogelijk zijn.
Om het experiment te beginnen, monteert u het convergerende mondstuk in het midden van de mondstuktestopstelling. Gebruik vervolgens hoogdruk PVC-buizen om de 10 statische drukpoorten aan te sluiten op het drukmeetsysteem, evenals de stagnatiedrukpoort. Sluit het drukmeetsysteem aan op de data-acquisitie-interface om realtime datalezingen te verzamelen.
Nu neemt u de drukmeting bij nul stroming. Open de mechanische klep om de luchtstroom te starten. Pas vervolgens de stroming aan met behulp van de mechanische klep om een tegendrukverhouding van 0,9 te verkrijgen. Noteer de stagnatiedruk en atmosferische druk van het drukmeetsysteem en de temperatuur van de temperatuursensor. Noteer de meterdruk van elke druktap, en zorg ervoor om het tapnummer, de axiale positie en de mondstukoppervlakteverhouding voor elk te noteren op basis van de door de fabrikant geleverde geometrie.
Zodra de massastroomsnelheidswaarden zijn ingevoerd, drukt u op de knop 'Gegevens opnemen' om alle metingen bij de ingestelde tegendrukverhouding op te nemen. Verlaag de tegendrukverhouding in stappen van 0,1, tot een verhouding van 0,1, en noteer de metingen bij elke toename zoals eerder. Zorg ervoor om gegevens vast te leggen bij een tegendrukverhouding van 0,5283, wat de theoretische verstikte stromingstoestand is.
Wanneer deze tests zijn voltooid, schakelt u de luchtstroom uit, koppelt u de PVC-buizen los en vervangt u het convergerende mondstuk door het convergerend-divergerende mondstuk. Verbind de poorten met het meetsysteem en herhaal vervolgens alle metingen zoals eerder beschreven.
Om onze gegevens te analyseren, berekenen we eerst de drukverhouding over het mondstuk met behulp van de statische drukmeten bij elke poort. Bedenk dat de tegendrukmeting werd uitgevoerd
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What happens to flow velocity as it passes through a converging nozzle?
As the nozzle area decreases from entry to throat, flow velocity increases, reaching its maximum at the throat. This acceleration occurs because the same mass flow rate must pass through progressively smaller cross-sectional areas. The flow remains subsonic in a converging nozzle, with velocity increasing until it reaches Mach 1 at the throat under choked flow conditions.
Q2: What is choked flow and when does it occur in a converging nozzle?
Choked flow occurs when the Mach number at the nozzle throat reaches 1, meaning the flow velocity equals the speed of sound. This happens at a back-pressure ratio of 0.5283. Once choked, further increases in inlet pressure do not increase throat velocity, limiting converging nozzles to subsonic flow acceleration applications.
Q3: How does back-pressure ratio control flow velocity in a nozzle?
Back-pressure ratio is the ratio between exit pressure and stagnation pressure at the nozzle entry. When these pressures are equal, no flow occurs. As back-pressure decreases, the pressure difference increases, accelerating flow velocity throughout the nozzle. This ratio directly controls flow conditions and determines whether the flow becomes choked.
Q4: What are the three distinct flow patterns in a converging-diverging nozzle at low back-pressure ratios?
At low back-pressure ratios, three patterns emerge: first, choked subsonic deceleration in the diverging section; second, supersonic acceleration followed by deceleration to subsonic velocities; third, continuous supersonic acceleration throughout the diverging section. These patterns depend on how much the back-pressure is reduced below the choked flow condition of 0.5283.
Q5: What is over-expanded and under-expanded flow at a nozzle exit?
Over-expanded flow occurs when nozzle exit pressure is lower than ambient pressure, creating unstable flow with pressure and velocity variations. Under-expanded flow occurs when exit pressure exceeds ambient pressure, producing similar instability. Both conditions result from mismatches between internal nozzle conditions and external atmospheric pressure.
Q6: How is the mass flow parameter used to identify choked flow conditions?
The mass flow parameter (MFP) increases as back-pressure ratio decreases until reaching the choked flow condition at 0.5283. At this point, MFP should remain constant because mass flow cannot increase further. Measuring MFP across varying back-pressure ratios helps experimentally verify theoretical choked flow predictions and flow regime transitions.
Q7: How does a converging-diverging nozzle enable supersonic flow compared to a converging nozzle?
A converging-diverging nozzle accelerates subsonic flow to Mach 1 at the throat, then the diverging section allows continued acceleration to supersonic speeds. In contrast, a converging nozzle alone cannot exceed Mach 1 because the throat is the exit point. The diverging section provides the expanding area needed for supersonic flow expansion using schlieren imaging technique visualize supersonic flow features to observe these phenomena.
Hoofdstukken in deze video
0:01
Concepts
3:48
Measuring Axial Pressure in Converging and Converging-Diverging Nozzles
6:28
Results