$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Сопло — это устройство, которое обычно используется в аэрокосмических двигательных установках для ускорения или замедления потока с использованием его изменяющегося поперечного сечения.
Самый простой тип насадки, сходящаяся насадка, по сути, представляет собой трубку с площадью, которая постепенно уменьшается от входа к выходу, или горловине. По мере уменьшения площади сопла скорость потока увеличивается, при этом максимальная скорость приходится на горловину. По мере увеличения скорости входного потока скорость потока в горловине также увеличивается, пока не достигнет 1 Маха. Когда он достигает 1 Маха, поток в горловине перекрывается, а это означает, что любое дальнейшее увеличение скорости потока на входе не увеличивает скорость потока в горловине. По этой причине сходящиеся сопла используются для разгона жидкостей только в дозвуковом режиме.
Поток в форсунке вызван изменением давления между двумя точками. Здесь давление на выходе называется противодавлением, а давление на входе — давлением застоя. Соотношение между ними — это коэффициент противодавления, который можно использовать для управления скоростью потока. Когда давление застоя равно противодавлению, потока нет.
Давайте посмотрим на число Маха по длине сопла. Для условий отсутствия потока, когда коэффициент обратного давления равен единице, число Маха, очевидно, равно нулю. По мере уменьшения противодавления скорость потока вдоль сходящегося участка увеличивается, а также число Маха с его пиковым значением в горловине. Когда коэффициент обратного давления достигает значения 0,5283, число Маха в горловине равно единице, и поток перекрывается. По мере дальнейшего снижения противодавления число Маха в горле остается постоянным на уровне единицы.
Еще одним распространенным соплом является сходящееся-расходящееся сопло, которое имеет участок убывающей площади, за которым следует участок увеличивающейся площади. Мы также можем посмотреть на число Маха по всей длине сходящегося-расходящегося сопла, чтобы изучить условия течения при различных коэффициентах противодавления. Для условия отсутствия потока число Маха снова равно нулю.
По мере уменьшения противодавления число Маха увеличивается на сходящемся участке и уменьшается на расходящемся. Когда коэффициент давления в горле приближается к 0. 5283, поток становится прерывистым и достигает одного Маха, прежде чем уменьшиться на дозвуке. По мере того, как противодавление еще больше уменьшается, поток после горловины становится сверхзвуковым, а затем дозвуковым.
При очень низких коэффициентах противодавления поток изоэнтропийно расширяется и остается сверхзвуковым по всему расходящемуся соплу, достигая чисел Маха больше единицы. Кроме того, поток может образовать ударную волну при расширении в расходящейся секции.
Если давление на выходе из сопла ниже давления окружающей среды, струя, выходящая из сопла, крайне нестабильна с изменениями давления и скорости. Это называется чрезмерно расширенным потоком. Если давление на выходе из сопла выше, чем давление окружающей среды, поток имеет такой же неустойчивый поток и называется недорасширенным.
В этом эксперименте мы продемонстрируем и проанализируем поток как в сходящемся, так и в сходящемся-расходящемся сопле.
В этом эксперименте мы будем изучать поведение форсунок с помощью испытательного стенда, который состоит из источника сжатого воздуха, который направляет воздух под высоким давлением через тестируемые форсунки. Давление потока колеблется от 0 до 120 фунтов на квадратный дюйм и регулируется с помощью механического клапана. Давление измеряется с помощью внешнего датчика, а массовый расход измеряется парой ротаметров, соединенных последовательно прямо перед выпуском форсунки. Обе испытанные форсунки имеют 10 отверстий, что позволяет измерять давление по всей длине форсунки.
Чтобы начать эксперимент, установите сходящееся сопло в центре испытательного стенда сопла. Затем используйте трубки высокого давления из ПВХ для подключения 10 портов статического давления к системе измерения давления, а также порта давления застоя. Подключите систему измерения давления к интерфейсу сбора данных для сбора данных в режиме реального времени.
Теперь возьмем показания давления в условиях нулевого расхода. Откройте механический клапан, чтобы запустить поток воздуха. Затем отрегулируйте поток с помощью механического клапана, чтобы получить коэффициент противодавления 0,9. Зарегистрируйте давление застоя и атмосферное давление от системы измерения давления и температуру от датчика температуры. Запишите манометрическое давление каждого штуцера давления, обязательно запишите номер крана, осевое положение и соотношение площади сопла для каждого из них в зависимости от геометрии, предоставленной производителем.
После ввода значений массового расхода нажмите кнопку «Записать данные», чтобы записать все показания при заданном коэффициенте противодавления. Уменьшайте коэффициент противодавления с шагом 0,1 до коэффициента 0. 1, записывая измерения с каждым шагом, как и раньше. Убедитесь, что данные собраны при коэффициенте противодавления 0,5283, который является теоретическим условием дросселящего потока.
Когда эти испытания будут завершены, выключите поток воздуха, отсоедините трубки из ПВХ и замените сходящееся сопло на сходящееся-расходящееся сопло. Подключите порты к измерительной системе, затем повторите все измерения, как описано ранее.
Чтобы проанализировать наши данные, сначала мы рассчитаем коэффициент давления на форсунке с помощью измерения статического давления в каждом порту. Напомним, что измерение противодавления было произведено на порту 10. Мы также можем рассчитать число Маха в каждом порту с помощью этого уравнения, где гамма — удельная теплоемкость.
Здесь мы построили график изменения отношения давления и числа Маха в зависимости от нормализованного расстояния до сопла для каждой скорости потока в нашем сходящемся сопле. В горловине число Маха не превышает 1, что означает, что поток задыхается. Однако следует отметить, что данные на горловине соответствуют порту 9, который находится немного раньше собственно горла. За пределами выхода из горловины происходит неконтролируемое расширение потока, приводящее к сверхзвуковым числам Маха.
Далее, используя собранные данные, мы можем рассчитать параметр массового расхода, MFP, используя показанное уравнение. Здесь m-dot — это массовый расход через сопло, T-zero — температура застоя, AT — площадь горла, а p-zero — давление застоя. МФУ увеличивается с уменьшением коэффициента противодавления до 0,6, что соответствует ожидаемому поведению, так как массовый расход должен увеличиваться при уменьшении коэффициента противодавления.
После 0,6 МФУ должен оставаться постоянным, так как поток в этой точке дросселируется и массовый расход не может увеличиться. Тем не менее, мы наблюдаем снижение МФУ в этом регионе. Этот результат, вероятно, вызван расположением крана для измерения давления в горловине, которое находится немного раньше истинной горловины сопла. Это может быть наиболее вероятной причиной неправильных показаний МФУ.
Теперь давайте посмотрим на сходящееся-расходящееся сопло, начиная с графика отношения давления и числа Маха от нормализованного расстояния до сопла. Наблюдения за изменением числа Маха на сопле показывают дозвуковое течение до тех пор, пока коэффициент давления в горловине не сравняется с состоянием дросселящего потока, равным 0,5283. После этого момента наблюдаются три отчетливые картины, поскольку коэффициент обратного давления еще больше уменьшается.
Сначала поток достигает захлебывающегося состояния в горловине и замедляется дозвуково в расходящейся секции. Во-вторых, поток сверхзвуково ускоряется за горловиной, а затем замедляется, в некоторых случаях до дозвуковых скоростей. Наконец, мы видим, что поток продолжает ускоряться сверхзвуково на всем расходящемся участке при коэффициентах обратного давления ниже 0,3.
Наконец, график MFP показывает увеличение с уменьшением коэффициента обратного давления, который достигает пика на 0,5283. Этот результат ожидается по мере увеличения потока до состояния дросселя. Как и в случае со сходящимся соплом, МФУ должно оставаться постоянным после достижения состояния дроссельного потока, но мы наблюдаем снижение из-за расположения крана давления горловины.
Таким образом, мы узнали, как различные поперечные сечения сопел ускоряют или замедляют поток в двигательных установках. Затем мы измерили осевое давление вдоль сходящегося и сходящегося-расходящегося сопла, чтобы наблюдать изменения числа Маха и давления для вывода моделей потока.
