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Um bico é um dispositivo comumente usado em sistemas de propulsão aeroespacial para acelerar ou desacelerar o fluxo usando sua seção transversal variável.
O tipo mais básico de bico, o bico convergente, é essencialmente um tubo com uma área que diminui gradualmente da entrada para a saída, ou garganta. À medida que a área do bico diminui, a velocidade do fluxo aumenta, com a velocidade máxima ocorrendo na garganta. À medida que a velocidade do fluxo de entrada aumenta, a velocidade do fluxo na garganta também aumenta até atingir Mach 1. Quando atinge Mach 1, o fluxo na garganta é sufocado, o que significa que qualquer aumento adicional da velocidade do fluxo de entrada não aumenta a velocidade do fluxo na garganta. Por esse motivo, bicos convergentes são usados para acelerar fluidos apenas no regime subsônico.
O fluxo em um bico é causado por uma variação na pressão entre dois pontos. Aqui, a pressão na saída é chamada de contrapressão, e a pressão na entrada é a pressão de estagnação. A relação entre eles é a taxa de contrapressão, que pode ser usada para controlar a velocidade do fluxo. Quando a pressão de estagnação é igual à contrapressão, não há fluxo.
Vejamos o número de Mach ao longo do comprimento do bico. Para a condição sem fluxo, quando a razão de contrapressão é igual a um, o número de Mach é obviamente zero. À medida que a contrapressão diminui, a velocidade do fluxo ao longo da seção convergente aumenta, assim como o número de Mach, com seu valor de pico na garganta. Quando a taxa de contrapressão atinge um valor de 0,5283, o número de Mach na garganta é um e o fluxo é sufocado. À medida que a contrapressão é reduzida ainda mais, o número de Mach na garganta permanece constante em um.
Outro bico comum é o bico convergente-divergente, que tem uma seção de área decrescente, seguida por uma seção de área crescente. Também podemos observar o número de Mach ao longo do comprimento do bico convergente-divergente para examinar as condições de fluxo em diferentes taxas de contrapressão. Para a condição sem fluxo, novamente o número de Mach é zero.
À medida que a contrapressão diminui, o número de Mach aumenta na seção convergente enquanto diminui na seção divergente. Quando a taxa de pressão da garganta se aproxima de 0. 5283, o fluxo fica sufocado e atinge Mach um antes de diminuir subsônicamente. À medida que a contrapressão é reduzida ainda mais, o fluxo após a garganta torna-se supersônico e depois subsônico.
Em taxas de contrapressão muito baixas, o fluxo é entropicamente se expande e permanece supersônico em todo o bico divergente, atingindo números de Mach maiores que um. Alternativamente, o fluxo pode formar um choque quando se expande na seção divergente.
Se a pressão na saída do bico for menor que a pressão ambiente, o jato que sai do bico é altamente instável com variações de pressão e velocidade. Isso é chamado de fluxo superexpandido. Se a pressão na saída do bico for maior que a pressão ambiente, o fluxo exibe fluxo instável semelhante e é chamado de subexpandido.
Neste experimento, demonstraremos e analisaremos o fluxo em um bico convergente e um bico convergente-divergente.
Neste experimento, estudaremos o comportamento dos bicos usando um equipamento de teste de bico, que consiste em uma fonte de ar comprimido que canaliza o ar de alta pressão através dos bicos que estão sendo testados. A pressão de fluxo varia de 0 a 120 psi e é controlada por meio de uma válvula mecânica. As pressões são medidas usando um sensor externo e as taxas de fluxo de massa são medidas por um par de rotâmetros conectados em série logo antes da exaustão do bico. Ambos os bicos testados têm 10 portas, permitindo medições de pressão em todo o comprimento do bico.
Para iniciar o experimento, monte o bico convergente no centro do equipamento de teste do bico. Em seguida, use tubos de PVC de alta pressão para conectar as 10 portas de pressão estática ao sistema de medição de pressão, bem como a porta de pressão de estagnação. Conecte o sistema de medição de pressão à interface de aquisição de dados para coletar leituras de dados em tempo real.
Agora, faça a leitura da pressão da condição de fluxo zero. Abra a válvula mecânica para iniciar o fluxo de ar. Em seguida, ajuste o fluxo usando a válvula mecânica para obter uma relação de contrapressão de 0,9. Registre a pressão de estagnação e a pressão atmosférica do sistema de medição de pressão e a temperatura do sensor de temperatura. Registre a pressão manométrica de cada tomada de pressão, certificando-se de anotar o número da torneira, a posição axial e a proporção da área do bico para cada uma com base na geometria fornecida pelo fabricante.
Assim que os valores da taxa de fluxo de massa forem inseridos, pressione o botão 'Gravar dados' para registrar todas as leituras na taxa de contrapressão definida. Diminua a taxa de contrapressão em etapas de 0,1, até uma proporção de 0. 1, registrando as medições em cada incremento como antes. Certifique-se de capturar dados em uma taxa de contrapressão de 0,5283, que é a condição teórica de fluxo bloqueado.
Quando esses testes forem concluídos, desligue o fluxo de ar, desconecte a tubulação de PVC e substitua o bico convergente pelo bico convergente-divergente. Conecte as portas ao sistema de medição e repita todas as medições conforme descrito anteriormente.
Para analisar nossos dados, primeiro calculamos a taxa de pressão no bico usando a medição de pressão estática em cada porta. Lembre-se de que a medição de contrapressão foi feita na porta 10. Também podemos calcular o número de Mach em cada porta usando esta equação, onde gama é o calor específico.
Aqui, traçamos a variação na taxa de pressão e no número de Mach versus a distância normalizada do bico para cada vazão em nosso bico convergente. Na garganta, o número de Mach não excede 1, o que significa que o fluxo é sufocado. No entanto, deve-se notar que os dados na garganta correspondem à porta 9, que está um pouco antes da garganta real. Além da saída da garganta, há expansão descontrolada do fluxo, levando a números supersônicos de Mach.
Em seguida, utilizando os dados coletados, podemos calcular o parâmetro de fluxo de massa, MFP, utilizando a equação mostrada. Aqui, m-dot é a taxa de fluxo de massa através do bico, T-zero é a temperatura de estagnação, AT é a área da garganta e p-zero é a pressão de estagnação. O MFP aumenta com a diminuição da taxa de contrapressão até 0,6, o que corresponde ao comportamento esperado, pois o fluxo de massa deve aumentar à medida que a taxa de contrapressão diminui.
O MFP deve então permanecer constante após 0,6, pois o fluxo é bloqueado neste ponto e o fluxo de massa não pode aumentar. No entanto, observa-se uma diminuição da PMF nessa região. Este resultado é provavelmente causado pela localização da torneira que mede a pressão da garganta, que está um pouco antes da garganta do bico verdadeiro. Esse pode ser o motivo mais provável para a leitura incorreta do MFP.
Agora, vamos dar uma olhada no bico convergente-divergente, começando com o gráfico da razão de pressão e do número de Mach versus a distância normalizada do bico. As observações da variação do número de Mach no bico mostram fluxo subsônico até que a razão de pressão na garganta seja igual à condição de fluxo bloqueado de 0,5283. Após este ponto, três padrões distintos são observados à medida que a razão de contrapressão é reduzida ainda mais.
Primeiro, o fluxo atinge a condição de engasgo na garganta e desacelera subssonicamente na seção divergente. Em segundo lugar, o fluxo acelera supersonicamente além da garganta e depois desacelera, em alguns casos para velocidades subsônicas. Finalmente, vemos que o fluxo continua a acelerar supersônico durante toda a seção divergente para taxas de contrapressão inferiores a 0,3.
Finalmente, o gráfico do MFP mostra um aumento com a diminuição das taxas de contrapressão, que atinge o pico de 0,5283. Este resultado é esperado à medida que o fluxo aumenta até a condição de estrangulamento. Tal como acontece com o bico convergente, o MFP deve permanecer constante após atingir a condição de fluxo bloqueado, mas observamos uma diminuição devido à localização da torneira de pressão da garganta.
Em resumo, aprendemos como as diferentes seções transversais dos bicos aceleram ou desaceleram o fluxo em sistemas de propulsão. Em seguida, medimos a pressão axial ao longo de um bico convergente e um bico convergente-divergente, para observar variações no número de Mach e pressão para deduzir os padrões de fluxo.
