Analyse de la buse : Variations du nombre et de la pression de Mach le long d'une buse convergente et convergente

Aeronautical Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Concepts

Source: Shreyas Narsipur, Génie mécanique et aérospatial, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord

Une buse est un dispositif qui est couramment utilisé pour accélérer ou décélérer le débit en raison de sa section transversale variable. Les buses sont largement utilisées dans les systèmes de propulsion aérospatiale. Dans les fusées, le propulseur qui est éjecté de la chambre est accéléré par une buse pour créer une force de réaction qui propulse le système. Dans les moteurs à réaction, une buse est utilisée pour transformer l'énergie d'une source à haute pression en énergie cinétique de l'échappement pour produire la poussée. Le modèle isentropique le long de la buse est suffisant pour une analyse de premier ordre car le flux dans une buse est très rapide (et donc adiabatique à une première approximation) avec très peu de pertes de friction (parce que le flux est presque unidimensionnel avec une pression favorable d'onde de choc et les buses sont relativement courtes).

Dans cette expérience, deux types de buses sont montés sur une plate-forme d'essai de buse, et un flux de pression est créé à l'aide d'une source d'air comprimé. Les buses sont exécutés pour différents paramètres de back-pressure pour analyser le flux interne dans les buses dans des conditions de débit variables, identifier les différents régimes de débit, et comparer les données aux prédictions théoriques.

Cite this Video | Reprints and Permissions

JoVE Science Education Database. aéronautique. Analyse de la buse : Variations du nombre et de la pression de Mach le long d'une buse convergente et convergente. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

Une buse commence au point où le diamètre de la chambre commence à diminuer. Il existe deux types principaux de buses : la buse convergente et la buse convergente. L'une des relations isentropiques qui se dorcinent entre mach number (M), zone debuse (A), et lavitesse (u) est représentéepar l'équation suivante :

(1)

u est la vitesse, A est la zone de la buse, et M est le nombre Mach. D'après l'équation 2,

  1. À M '0, le flux est statique, c'est-à-d., l'état de non-flux existe
  2. À 0 lt; M lt; 1, à mesure que la zone diminue, une augmentation proportionnelle de la vitesse du débit est observée
  3. À M '1, toute augmentation de la superficie produira une augmentation proportionnelle de la vitesse

Les buses convergentes, comme le montre la figure 1,sont des tubes dont la zone diminue de l'entrée de la buse à la sortie (ou à la gorge) de la buse. À mesure que la zone de la buse diminue, la vitesse d'écoulement augmente, la vitesse maximale d'écoulement se produisant à la gorge de la buse. Comme la vitesse d'écoulement de l'entrée est augmentée, la vitesse d'écoulement à la gorge de la buse ne cesse d'augmenter jusqu'à ce qu'il atteigne Mach 1. À ce stade, le flux à la gorge s'étouffe, ce qui signifie que toute augmentation supplémentaire de la vitesse d'écoulement d'entrée n'augmentera pas la vitesse d'écoulement à la gorge. C'est pour cette raison que les buses convergentes sont utilisées pour accélérer les fluides dans le régime d'écoulement subsonique seul et peuvent généralement être trouvés sur tous les jets commerciaux (sauf pour le Concord) comme ils voyagent à des vitesses subsoniques.


Figure 1. Schéma d'une buse convergente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Pour les véhicules comme les roquettes et les avions militaires, qui doivent se déplacer à la vitesse et au-dessus de la vitesse du son, une buse convergente, comme l'illustre la figure 2,est utilisée. Dans une buse convergente, la section convergente est suivie d'une section de buse divergente et est conçue d'une manière telle que le flux s'étouffe à la gorge de la section convergente, fixant ainsi le débit de masse dans le système. Le flux est ensuite isentropically élargi pour atteindre les nombres supersoniques Mach dans la section divergente. Les vitesses d'écoulement supersoniques fixées dans la section divergente sont fonction des rapports de zone de la buse après la gorge. Basé sur la conception de la buse convergente-divergeant, la vitesse d'écoulement après la gorge de la buse peut soit: (i) diminuer à des vitesses subsoniques, (ii) devenir supersonique, provoquer un choc normal, puis diminuer à des vitesses subsoniques à la sortie de la buse, ou (iii) restent supersoniques tout au long de la section divergente. La quantité de poussée produite par la buse dépend de la vitesse et de la pression de sortie et du débit de masse à travers la buse.


Figure 2. Schéma d'une buse convergente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

La pression arrière (pB) est le facteur de conduite qui détermine l'état du débit dans la buse. Lorsque la pression de stagnation, pO pB, il n'y a pas de flux à travers la buse. Comme pB est réduit, le nombre de Mach à la gorge (pT) augmente jusqu'à ce que le flux est étouffé (MT - 1). L'état auquel se produit le flux étouffé peut être calculé à l'aide de la relation isentropique :

(2)

est le rapport de chaleur spécifique du fluide. En substituant 1,4 (rapport de chaleur spécifique pour l'air sec) dans l'équation 2, nous obtenons un rapport de pression arrière de :

(3)

L'équation 3 définit la frontière entre les régimes d'écoulement non étouffés et étouffés. Lorsque le débit est étouffé, le nombre de Mach n'augmente plus et est plafonné à M 1.

Dans le cas d'une buse convergente, la sortie de la buse correspond à la gorge de la buse (comme on peut le voir à la figure 1); par conséquent, le nombre Mach à droite à la sortie ne dépasse pas 1, c'est-à-à-d., le flux ne va jamais supersonique. Une fois que le flux sort de la buse, il subit une expansion, en raison de l'augmentation soudaine de la zone qui pourrait conduire à des vitesses de débit supersonique (incontrôlées).

D'après la figure 3,voici les conditions d'écoulement qui peuvent être observées dans une buse convergente :

  1. Pas de condition de débit, où la pression arrière est égale à la pression totale.
  2. Flux subsonique, où le débit s'accélère à mesure que la zone diminue, et la pression diminue.
  3. Flux subsonique, où il ya une accélération significativement plus élevée et la pression baisse.
  4. Flux étouffé, où toute baisse de pression n'accélère pas le flux.
  5. Flux étouffé, où le flux se dilate après la sortie de la buse (considéré comme non-isentropic).


Figure 3. Conditions de débit et régimes dans une buse convergente (prévisions théoriques). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Le paramètre de débit de masse (MFP) est une variable qui détermine la vitesse à laquelle la masse circule à travers la buse et est donnée par l'équation:

(4)

Ici, est le débit de masse à travers la buse, TO est la température de stagnation, et AT est la zone de la gorge, qui, dans le cas de la buse convergente, est égale à la zone à la sortie de la buse, AE . Comme on l'a vu à la figure 3, jusqu'à ce que le débit soit étouffé, le PAM continue d'augmenter. Une fois que le débit est étouffé, le débit de masse est fixe, et le MFP reste une constante pour diminuer les rapports de back-pressure.

Afin d'obtenir des flux supersoniques contrôlés dans une buse, une section divergente doit être introduite après la gorge d'une buse convergente, comme l'illustre la figure 2. Une fois que le flux s'étouffe à la gorge d'une buse convergente (basée sur l'équation 3), trois conditions d'écoulement possibles peuvent se produire : flux isentropique subsonique (le flux décélère après l'état étouffé), flux non-isentropique supersonique (où le le flux s'accélère supersoniquement, forme une onde de choc - une mince région de molécules fusionnées qui forme normal à un certain point sur la buse et provoque un changement soudain des conditions de débit, généralement appelé un choc normal - et décélére subsoniquement après le ou flux isentropique supersonique (où le flux s'accélère supersoniquement après l'état étouffé). La figure 4 montre les sept profils suivants dans la parcelle de ratio de position par rapport à la parcelle de rapport de pression. Notez que la première ligne verticale pointillée à gauche du p/pO par rapport à la distance le long de la parcelle de buse est l'emplacement de la gorge, la deuxième ligne verticale pointillée est l'emplacement de la sortie de la buse, et la ligne horizontale pointillée marque l'état étouffé.

  1. Flux subsonique qui n'atteint jamais l'état étouffé.
  2. Flux subsonique qui atteint l'état étouffé, mais n'atteint pas les vitesses supersoniques (considéré comme isentropic).
  3. Flux subsonique qui atteint l'état étouffé, avec le flux supersonique résultant formant un choc normal, qui connaît alors une décélération subsonique. Ici, le choc normal provoque une chute soudaine de la vitesse et une augmentation de la contre-pression, comme l'indique l'augmentation soudaine de p/pO.
  4. Flux subsonique qui atteint l'état étouffé, avec le flux supersonique résultant formant un choc normal après la buse (considéré comme isentropic dans la buse).
  5. Flux surélargi : la pression à la sortie de la buse est inférieure à la pression ambiante, ce qui rend le jet sortant de la buse très instable avec d'énormes variations de pression et de vitesse pendant qu'il se déplace en aval.
  6. Flux après l'état étouffé est supersonique à travers la buse, et aucun choc n'est formé.
  7. Flux sous-élargi : la pression à la sortie de la buse est plus élevée que la pression ambiante et entraîne des effets similaires à ceux d'un débit trop étendu.


Figure 4. Conditions de débit et régimes dans une buse convergente (prévisions théoriques). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Procedure

Dans cette démonstration, une plate-forme d'essai de buse a été utilisée, qui consistait en une source d'air comprimé qui canalise l'air à haute pression à travers les buses testées, comme le montre la figure 5. La pression d'écoulement varie de 0 à 120 psi et est contrôlée à l'aide d'une valve mécanique. Alors que les pressions sont mesurées à l'aide d'un capteur externe, les débits de masse dans la buse sont mesurés par une paire de rotamètres placés juste avant l'échappement de la plate-forme d'essai de la buse.


Figure 5. Plate-forme d'essai de buse. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

1. Mesurer la pression axiale dans les buses convergentes et convergentes

  1. Montez la buse convergente au centre de la plate-forme d'essai de la buse, comme le montre la figure 5. La section 2D de la buse convergente avec des étiquettes pour les robinets de pression est indiquéedans la figure 6 .


Figure 6. Géométrie de la buse convergente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

  1. Connectez les 10 ports de pression statique séditions et le port de pression de stagnation au système de mesure de pression à l'aide de tubes en PVC flexibles à haute pression.
  2. Connectez le système de mesure de la pression à l'interface logicielle graphique pour la lecture de données de pression en temps réel.
  3. Prenez la lecture de l'état zéro/no-flow.
  4. Ouvrez la soupape mécanique de commande de flux pour démarrer le flux d'air.
  5. Faites pivoter la soupape pour ajuster le débit afin d'obtenir un rapport de pression arrière(pB/pO)de 0,9. Notez que la pression arrière pour les buses convergentes et convergentes-divergeuses correspondent à la lecture des données de pression du port 10.
  6. Enregistrez les données correspondant au tableau 1.
  7. Diminuer le rapport de pression arrière par étapes de 0,1 jusqu'à ce que pB/pO 0,1 répétition de l'étape 7 pour chaque réglage. En outre, répétez l'étape 7 pour un pB/pO 0,5283 pour capturer les données de débit à l'état théorique de débit étouffé.
  8. Remplacez la buse convergente par la buse convergente et répétez les étapes 1.2 - 1.8. La section 2D de la buse convergente avec des étiquettes pour les robinets de pression est indiquée à la figure 7.
  9. À la fin des essais, débranchez tous les systèmes et démontez la plate-forme d'essai de la buse.


Figure 7. Géométrie de la buse convergente- divergente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Tableau 1. Données recueillies pour l'expérience de la buse.

Numéro de robinet Position axiale du robinet (entre) Ratio zone de buse (A/Ai) Pstatique
(psi)
Po
(psi)
masse
Débit
(limaces/s)
Patm
(psi)
To (en)
(F)
Figure 6/7 Tableau 2 Tableau 2 Pression de jauge jauge
pression
Rotamètre Pression de jauge Capteur de température

Tableau 2. Données de géométrie de la buse.

Numéro de robinet Buse convergente Buse convergente-divergeant
Position axiale du robinet (entre) Ratio zone de buse (A/Ai) Position axiale du robinet (entre) Ratio zone de buse (A/Ai)
1 0 60.14 0 60.14
2 1 51.379 4.5 6.093
3 2 35.914 6.5 1
4 3 23.218 6.9075 1.053
5 4 13.275 7.3795 1.222
6 5 6.094 7.8515 1.403
7 5.5 3.54 8.3235 1.595
8 6 1.672 8.7955 1.802
9 6.5 1 9.2675 2.02
10 7 60.041 9.5 60.041

Une buse est un dispositif couramment utilisé dans les systèmes de propulsion aérospatiale pour accélérer ou décélérer le débit à l'aide de sa section transversale variable.

Le type le plus basique de la buse, la buse convergente, est essentiellement un tube avec une zone qui diminue progressivement de l'entrée à la sortie, ou la gorge. À mesure que la zone de la buse diminue, la vitesse d'écoulement augmente, la vitesse maximale se produisant à la gorge. À mesure que la vitesse d'écoulement de l'entrée augmente, la vitesse d'écoulement à la gorge augmente également jusqu'à ce qu'elle atteigne Mach 1. Quand il atteint Mach 1, le flux à la gorge est étouffé, ce qui signifie que toute autre augmentation de la vitesse d'écoulement de l'entrée n'augmente pas la vitesse d'écoulement à la gorge. Pour cette raison, les buses convergentes sont utilisées pour accélérer les fluides dans le seul régime subsonique.

Le flux dans une buse est causé par une variation de pression entre deux points. Ici, la pression à la sortie est appelée la pression arrière, et la pression à l'entrée est la pression de stagnation. Le rapport entre eux est le rapport de back-pressure, qui peut être utilisé pour contrôler la vitesse de débit. Lorsque la pression de stagnation est égale à la pression arrière, il n'y a pas de flux.

Regardons le nombre Mach sur toute la longueur de la buse. Pour l'état de non-flux, lorsque le rapport back-pressure est égal à un, le nombre Mach est évidemment nul. À mesure que la pression arrière diminue, la vitesse d'écoulement le long de la section convergente augmente, ainsi que le nombre de Mach, avec sa valeur maximale à la gorge. Lorsque le rapport de pression arrière atteint une valeur de 0,5283, le nombre de Mach à la gorge est un et le flux est étouffé. Comme la pression arrière est encore réduite, le nombre de Mach à la gorge reste constant à un.

Une autre buse commune est la buse convergente, qui a une section de la zone décroissante, suivie d'une section de surface croissante. Nous pouvons également examiner le nombre de Mach sur toute la longueur de la buse convergente pour examiner les conditions d'écoulement à des rapports de pression arrière variables. Pour l'état de non-écoulement, encore une fois le nombre Mach est nul.

À mesure que la pression arrière diminue, le nombre de Mach augmente dans la section convergente tout en diminuant dans la section divergente. Lorsque le rapport de pression de la gorge approche 0. 5283, le flux s'étouffe et il atteint Mach un avant de diminuer subsoniquement. Comme la pression arrière est encore réduite, le flux après la gorge devient supersonique, puis subsonique.

À des rapports de pression arrière très bas, le flux se dilate et reste supersonique tout au long de la buse divergente, atteignant des nombres de Mach supérieurs à un. Alternativement, le flux peut former un choc quand il se dilate dans la section divergente.

Si la pression à la sortie de la buse est inférieure à la pression ambiante, le jet sortant de la buse est très instable avec des variations de pression et de vitesse. C'est ce qu'on appelle le flux sur-élargi. Si la pression à la sortie de la buse est plus élevée que la pression ambiante, le débit présente un débit instable similaire et est appelé sous-élargi.

Dans cette expérience, nous démontrerons et analyserons le débit dans une buse convergente et convergente.

Dans cette expérience, nous étudierons le comportement des buses à l'aide d'une plate-forme d'essai de buses, qui consiste en une source d'air comprimé qui canalise l'air à haute pression à travers les buses testées. La pression d'écoulement varie de 0 à 120 psi et est contrôlée à l'aide d'une valve mécanique. Les pressions sont mesurées à l'aide d'un capteur externe, et les débits de masse sont mesurés par une paire de rotamètres connectés en série juste avant l'échappement de la buse. Les deux buses testées ont 10 ports, permettant des mesures de pression sur toute la longueur de la buse.

Pour commencer l'expérience, montez la buse convergente au centre de la plate-forme d'essai de la buse. Ensuite, utilisez des tubes en PVC à haute pression pour relier les 10 ports de pression statiques au système de mesure de la pression, ainsi qu'au port de pression de stagnation. Connectez le système de mesure de la pression à l'interface d'acquisition de données pour recueillir des lectures de données en temps réel.

Maintenant, prenez la lecture de la pression de l'état de flux zéro. Ouvrez la soupape mécanique pour démarrer le flux d'air. Ensuite, ajustez le débit à l'aide de la soupape mécanique afin d'obtenir un rapport de pression arrière de 0,9. Enregistrez la pression de stagnation et la pression atmosphérique du système de mesure de la pression et la température du capteur de température. Enregistrez la pression de jauge de chaque robinet de pression, en veillant à noter le nombre de robinet, la position axiale et le rapport de zone de buse pour chacun en fonction de la géométrie fournie par le fabricant.

Une fois les valeurs de débit de masse saisies, appuyez sur le bouton « Données d'enregistrement » pour enregistrer toutes les lectures au rapport de pression arrière de la configuration. Diminuez le rapport back-pressure par étapes de 0,1, jusqu'à un ratio de 0. 1, enregistrant les mesures à chaque incrément comme avant. Assurez-vous de capturer des données à un rapport de pression arrière de 0,5283, qui est l'état théorique de débit étouffé.

Lorsque ces essais sont terminés, éteignez le flux d'air, débranchez le tube en PVC et remplacez la buse convergente par la buse convergente. Connectez les ports au système de mesure, puis répétez toutes les mesures décrites précédemment.

Pour analyser nos données, nous calculons d'abord le rapport de pression à travers la buse à l'aide de la mesure de pression statique à chaque port. Rappelons que la mesure de la contre-pression a été effectuée au port 10. Nous pouvons également calculer le nombre de Mach à chaque port en utilisant cette équation, où le gamma est la chaleur spécifique.

Ici, nous avons tracé la variation du rapport de pression et du nombre de Mach par rapport à la distance de buse normalisée pour chaque débit dans notre buse convergente. À la gorge, le nombre de Mach ne dépasse pas 1, ce qui signifie que le flux est étouffé. Cependant, il convient de noter que les données à la gorge correspond au port 9, qui est légèrement avant la gorge réelle. Au-delà de la sortie de la gorge, il ya une expansion incontrôlée du flux, conduisant à des nombres supersoniques Mach.

Ensuite, à l'aide des données recueillies, nous pouvons calculer le paramètre de flux de masse, MFP, en utilisant l'équation montrée. Ici, m-point est le débit de masse à travers la buse, T-zéro est la température de stagnation, AT est la zone de la gorge, et p-zéro est la pression de stagnation. Le MFP augmente avec la diminution du rapport de back-pressure jusqu'à 0,6, ce qui correspond au comportement attendu, car le flux de masse devrait augmenter à mesure que le rapport back-pressure diminue.

Le MFP doit alors rester constant après 0,6, car le débit est étouffé à ce stade et le flux de masse ne peut pas augmenter. Cependant, nous observons une diminution de mFP dans cette région. Ce résultat est probablement causé par l'emplacement de la pression de la gorge de mesure de robinet, qui est légèrement avant la gorge vraie de buse. Cela pourrait être la raison la plus probable de la lecture MFP incorrecte.

Maintenant, jetons un coup d'oeil à la buse convergent-divergeant, commençant par l'intrigue du rapport de pression et du nombre de Mach par rapport à la distance normalisée de buse. Les observations de la variation du nombre mach à travers la buse montrent un flux subsonique jusqu'à ce que le rapport de pression à la gorge égale l'état d'écoulement étouffé de 0,5283. Après ce point, trois modèles distincts sont observés pendant que le rapport de back-pressure est encore réduit.

Tout d'abord, le débit atteint l'état étouffé à la gorge et décélére subsoniquement dans la section divergente. Deuxièmement, le débit accélère supersoniquement au-delà de la gorge, puis décélère, dans certains cas, à des vitesses subsoniques. Enfin, nous constatons que le débit continue d'accélérer supersoniquement pour l'ensemble de la section divergente pour les rapports de back-pressure inférieurs à 0,3.

Enfin, l'intrigue de MFP montre une augmentation avec des ratios de back-pressure en baisse, qui culmine à 0,5283. Ce résultat est prévu à mesure que le débit augmente jusqu'à l'état étouffé. Comme avec la buse convergente, le MFP devrait rester constant après avoir atteint l'état d'écoulement étouffé, mais nous observons une diminution due à l'emplacement du robinet de pression de la gorge.

En résumé, nous avons appris comment des sections transversales variables de buses accélèrent ou décélérent le débit dans les systèmes de propulsion. Nous avons ensuite mesuré la pression axiale le long d'une buse convergente et convergente, afin d'observer les variations du nombre et de la pression de Mach pour déduire les schémas d'écoulement.

Results

Les constantes suivantes ont été utilisées dans l'analyse : chaleur spécifique de l'air sec, : 1,4 ; zone de buse de référence, Ai 0,0491 en2, et pression atmosphérique standard, Patm 14,1 psi. Les figures 8 et 9 montrent la variation du rapport de pression et du nombre de Mach sur toute la longueur de la buse (normalisée en fonction de la longueur totale de la buse) pour divers réglages de pression arrière pour les buses convergentes et convergentes, respectivement. Le paramètre de débit de masse par rapport au rapport de pression arrière est également tracé et étudié pour les deux buses.

De la figure 8, nous observons qu'à mesure que le ratio p B/pO diminue (jusqu'à 0,5283), le débit à chaque section de la buse est subsonique et augmente avec la diminution de la surface. À et au-dessous dep B/pO 0,5283, le nombre de Mach à la gorge (distance de buse normalisée de 0,93) ne dépasse pas un. Cela démontre clairement que le flux est étouffé à la gorge. Au-delà de la sortie de la gorge/buse, il y a une expansion incontrôlée du flux, conduisant à des nombres de Mach supersoniques. Les tendances globales de la distribution p/pO correspondent aux tendances théoriques de la figure 3. Les tendances dans MFP suivent les résultats théoriques jusqu'à pB/pO 0,6, mais commencer à diminuer au lieu de plafonner pour des valeurs plus faibles des ratios de back-pressure. Étant donné que le flux est étouffé, le MFP doit être constant. Cependant, en fonction de l'emplacement du robinet mesurant la pression de la gorge (tap 9, Figure 6), nous voyons que les mesures sont prises légèrement avant la gorge de la buse véritable qui conduit à son tour à une mesure incorrecte de la MFP.

Pour la buse convergente(figure 9),le flux subsonique est observé jusqu'à ce que p/pO à la gorge (distance de buse normalisée de 0,68) équivaut à 0,5283 (état d'écoulement étouffé). Une réduction supplémentaire de pB/pO montre trois modèles distincts:
a. Modèle 1 - Le débit atteint l'état étouffé à la gorge et décélère subsoniquement dans la section divergente (0,8 lt; pB/pO 'lt; 0,7).
b. Modèle 2 - Le débit s'accélère supersoniquement au-delà de la gorge, forme un choc dans la section divergente, et décélére (dans certains cas à des vitesses subsoniques) pour 0,7 lt; pB/pO lt; 0,3.
c. Modèle 3 - Le débit continue d'accélérer supersoniquement pour l'ensemble de la section divergente pour des valeurs pB/pO inférieures à 0,3.

Le MFP augmente avec la diminution des rapports de back-pressure, culmine à pB/pO 0,5, et commence à diminuer au lieu de rester constant comme prévu par la théorie.


Figure 8. Résultats de la variation de la buse convergente (en haut à droite, dans le sens des aiguilles d'une montre) du rapport de pression sur la buse; variation du nombre de Mach à travers la buse; et la variation du paramètre de charrue de masse avec le rapport de back-pressure. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Applications and Summary

Les buses sont couramment utilisées dans les systèmes de propulsion d'aéronefs et de fusées, car elles offrent une méthode simple et efficace pour accélérer le débit sur des distances restreintes. Afin de concevoir des buses en fonction d'une application donnée, une compréhension du comportement de flux et des facteurs qui affectent ledit comportement pour une gamme de conditions de débit est essentielle pour concevoir des systèmes de propulsion efficaces. Dans cette démonstration, les buses convergentes et convergentes - deux des types de buses les plus courants utilisés dans les applications aérospatiales - ont été testées à l'aide d'une plate-forme d'essai de buse. La pression et les variations du nombre de Mach entre les deux buses ont été étudiées pour un large éventail de conditions de débit.

Les résultats des essais convergents de la buse ont montré que la limite maximale jusqu'à laquelle le débit peut être accéléré est M - 1, à quel point le flux à la gorge de la buse s'étouffe. Une fois que le débit est étouffé, toute augmentation de la vitesse d'écoulement des entrées n'a pas augmenté la vitesse d'écoulement à la gorge /sortie à des vitesses supersoniques. L'analyse de la buse convergente-divergeant fournit un aperçu de la façon dont les vitesses de débit supersoniques peuvent être réalisées une fois que le flux est étouffé à la gorge. Nous avons également observé trois types de flux qui peuvent être obtenus après la gorge étouffée en fonction du rapport de pression arrière du flux. Une comparaison des tendances de pression obtenues pour les buses de type convergentes et convergentes-divergeuses avec des résultats théoriques était excellente. Cependant, les résultats expérimentaux ont montré que le paramètre de flux de masse diminuait pour des valeurs inférieures du rapport de back-pressure au lieu de plafonner une fois que la valeur maximale a été atteinte, comme prévu par la théorie.


Figure 9. Résultats de la variation du rapport de pression entre le haut à droite et dans le sens des aiguilles d'une montre pour la buse convergente ( en haut à droite, dans le sens des aiguilles d'une montre) ; variation du nombre de Mach à travers la buse; et la variation du paramètre de charrue de masse avec le rapport de back-pressure. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Dans cette démonstration, une plate-forme d'essai de buse a été utilisée, qui consistait en une source d'air comprimé qui canalise l'air à haute pression à travers les buses testées, comme le montre la figure 5. La pression d'écoulement varie de 0 à 120 psi et est contrôlée à l'aide d'une valve mécanique. Alors que les pressions sont mesurées à l'aide d'un capteur externe, les débits de masse dans la buse sont mesurés par une paire de rotamètres placés juste avant l'échappement de la plate-forme d'essai de la buse.


Figure 5. Plate-forme d'essai de buse. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

1. Mesurer la pression axiale dans les buses convergentes et convergentes

  1. Montez la buse convergente au centre de la plate-forme d'essai de la buse, comme le montre la figure 5. La section 2D de la buse convergente avec des étiquettes pour les robinets de pression est indiquéedans la figure 6 .


Figure 6. Géométrie de la buse convergente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

  1. Connectez les 10 ports de pression statique séditions et le port de pression de stagnation au système de mesure de pression à l'aide de tubes en PVC flexibles à haute pression.
  2. Connectez le système de mesure de la pression à l'interface logicielle graphique pour la lecture de données de pression en temps réel.
  3. Prenez la lecture de l'état zéro/no-flow.
  4. Ouvrez la soupape mécanique de commande de flux pour démarrer le flux d'air.
  5. Faites pivoter la soupape pour ajuster le débit afin d'obtenir un rapport de pression arrière(pB/pO)de 0,9. Notez que la pression arrière pour les buses convergentes et convergentes-divergeuses correspondent à la lecture des données de pression du port 10.
  6. Enregistrez les données correspondant au tableau 1.
  7. Diminuer le rapport de pression arrière par étapes de 0,1 jusqu'à ce que pB/pO 0,1 répétition de l'étape 7 pour chaque réglage. En outre, répétez l'étape 7 pour un pB/pO 0,5283 pour capturer les données de débit à l'état théorique de débit étouffé.
  8. Remplacez la buse convergente par la buse convergente et répétez les étapes 1.2 - 1.8. La section 2D de la buse convergente avec des étiquettes pour les robinets de pression est indiquée à la figure 7.
  9. À la fin des essais, débranchez tous les systèmes et démontez la plate-forme d'essai de la buse.


Figure 7. Géométrie de la buse convergente- divergente. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Tableau 1. Données recueillies pour l'expérience de la buse.

Numéro de robinet Position axiale du robinet (entre) Ratio zone de buse (A/Ai) Pstatique
(psi)
Po
(psi)
masse
Débit
(limaces/s)
Patm
(psi)
To (en)
(F)
Figure 6/7 Tableau 2 Tableau 2 Pression de jauge jauge
pression
Rotamètre Pression de jauge Capteur de température

Tableau 2. Données de géométrie de la buse.

Numéro de robinet Buse convergente Buse convergente-divergeant
Position axiale du robinet (entre) Ratio zone de buse (A/Ai) Position axiale du robinet (entre) Ratio zone de buse (A/Ai)
1 0 60.14 0 60.14
2 1 51.379 4.5 6.093
3 2 35.914 6.5 1
4 3 23.218 6.9075 1.053
5 4 13.275 7.3795 1.222
6 5 6.094 7.8515 1.403
7 5.5 3.54 8.3235 1.595
8 6 1.672 8.7955 1.802
9 6.5 1 9.2675 2.02
10 7 60.041 9.5 60.041

Une buse est un dispositif couramment utilisé dans les systèmes de propulsion aérospatiale pour accélérer ou décélérer le débit à l'aide de sa section transversale variable.

Le type le plus basique de la buse, la buse convergente, est essentiellement un tube avec une zone qui diminue progressivement de l'entrée à la sortie, ou la gorge. À mesure que la zone de la buse diminue, la vitesse d'écoulement augmente, la vitesse maximale se produisant à la gorge. À mesure que la vitesse d'écoulement de l'entrée augmente, la vitesse d'écoulement à la gorge augmente également jusqu'à ce qu'elle atteigne Mach 1. Quand il atteint Mach 1, le flux à la gorge est étouffé, ce qui signifie que toute autre augmentation de la vitesse d'écoulement de l'entrée n'augmente pas la vitesse d'écoulement à la gorge. Pour cette raison, les buses convergentes sont utilisées pour accélérer les fluides dans le seul régime subsonique.

Le flux dans une buse est causé par une variation de pression entre deux points. Ici, la pression à la sortie est appelée la pression arrière, et la pression à l'entrée est la pression de stagnation. Le rapport entre eux est le rapport de back-pressure, qui peut être utilisé pour contrôler la vitesse de débit. Lorsque la pression de stagnation est égale à la pression arrière, il n'y a pas de flux.

Regardons le nombre Mach sur toute la longueur de la buse. Pour l'état de non-flux, lorsque le rapport back-pressure est égal à un, le nombre Mach est évidemment nul. À mesure que la pression arrière diminue, la vitesse d'écoulement le long de la section convergente augmente, ainsi que le nombre de Mach, avec sa valeur maximale à la gorge. Lorsque le rapport de pression arrière atteint une valeur de 0,5283, le nombre de Mach à la gorge est un et le flux est étouffé. Comme la pression arrière est encore réduite, le nombre de Mach à la gorge reste constant à un.

Une autre buse commune est la buse convergente, qui a une section de la zone décroissante, suivie d'une section de surface croissante. Nous pouvons également examiner le nombre de Mach sur toute la longueur de la buse convergente pour examiner les conditions d'écoulement à des rapports de pression arrière variables. Pour l'état de non-écoulement, encore une fois le nombre Mach est nul.

À mesure que la pression arrière diminue, le nombre de Mach augmente dans la section convergente tout en diminuant dans la section divergente. Lorsque le rapport de pression de la gorge approche 0. 5283, le flux s'étouffe et il atteint Mach un avant de diminuer subsoniquement. Comme la pression arrière est encore réduite, le flux après la gorge devient supersonique, puis subsonique.

À des rapports de pression arrière très bas, le flux se dilate et reste supersonique tout au long de la buse divergente, atteignant des nombres de Mach supérieurs à un. Alternativement, le flux peut former un choc quand il se dilate dans la section divergente.

Si la pression à la sortie de la buse est inférieure à la pression ambiante, le jet sortant de la buse est très instable avec des variations de pression et de vitesse. C'est ce qu'on appelle le flux sur-élargi. Si la pression à la sortie de la buse est plus élevée que la pression ambiante, le débit présente un débit instable similaire et est appelé sous-élargi.

Dans cette expérience, nous démontrerons et analyserons le débit dans une buse convergente et convergente.

Dans cette expérience, nous étudierons le comportement des buses à l'aide d'une plate-forme d'essai de buses, qui consiste en une source d'air comprimé qui canalise l'air à haute pression à travers les buses testées. La pression d'écoulement varie de 0 à 120 psi et est contrôlée à l'aide d'une valve mécanique. Les pressions sont mesurées à l'aide d'un capteur externe, et les débits de masse sont mesurés par une paire de rotamètres connectés en série juste avant l'échappement de la buse. Les deux buses testées ont 10 ports, permettant des mesures de pression sur toute la longueur de la buse.

Pour commencer l'expérience, montez la buse convergente au centre de la plate-forme d'essai de la buse. Ensuite, utilisez des tubes en PVC à haute pression pour relier les 10 ports de pression statiques au système de mesure de la pression, ainsi qu'au port de pression de stagnation. Connectez le système de mesure de la pression à l'interface d'acquisition de données pour recueillir des lectures de données en temps réel.

Maintenant, prenez la lecture de la pression de l'état de flux zéro. Ouvrez la soupape mécanique pour démarrer le flux d'air. Ensuite, ajustez le débit à l'aide de la soupape mécanique afin d'obtenir un rapport de pression arrière de 0,9. Enregistrez la pression de stagnation et la pression atmosphérique du système de mesure de la pression et la température du capteur de température. Enregistrez la pression de jauge de chaque robinet de pression, en veillant à noter le nombre de robinet, la position axiale et le rapport de zone de buse pour chacun en fonction de la géométrie fournie par le fabricant.

Une fois les valeurs de débit de masse saisies, appuyez sur le bouton « Données d'enregistrement » pour enregistrer toutes les lectures au rapport de pression arrière de la configuration. Diminuez le rapport back-pressure par étapes de 0,1, jusqu'à un ratio de 0. 1, enregistrant les mesures à chaque incrément comme avant. Assurez-vous de capturer des données à un rapport de pression arrière de 0,5283, qui est l'état théorique de débit étouffé.

Lorsque ces essais sont terminés, éteignez le flux d'air, débranchez le tube en PVC et remplacez la buse convergente par la buse convergente. Connectez les ports au système de mesure, puis répétez toutes les mesures décrites précédemment.

Pour analyser nos données, nous calculons d'abord le rapport de pression à travers la buse à l'aide de la mesure de pression statique à chaque port. Rappelons que la mesure de la contre-pression a été effectuée au port 10. Nous pouvons également calculer le nombre de Mach à chaque port en utilisant cette équation, où le gamma est la chaleur spécifique.

Ici, nous avons tracé la variation du rapport de pression et du nombre de Mach par rapport à la distance de buse normalisée pour chaque débit dans notre buse convergente. À la gorge, le nombre de Mach ne dépasse pas 1, ce qui signifie que le flux est étouffé. Cependant, il convient de noter que les données à la gorge correspond au port 9, qui est légèrement avant la gorge réelle. Au-delà de la sortie de la gorge, il ya une expansion incontrôlée du flux, conduisant à des nombres supersoniques Mach.

Ensuite, à l'aide des données recueillies, nous pouvons calculer le paramètre de flux de masse, MFP, en utilisant l'équation montrée. Ici, m-point est le débit de masse à travers la buse, T-zéro est la température de stagnation, AT est la zone de la gorge, et p-zéro est la pression de stagnation. Le MFP augmente avec la diminution du rapport de back-pressure jusqu'à 0,6, ce qui correspond au comportement attendu, car le flux de masse devrait augmenter à mesure que le rapport back-pressure diminue.

Le MFP doit alors rester constant après 0,6, car le débit est étouffé à ce stade et le flux de masse ne peut pas augmenter. Cependant, nous observons une diminution de mFP dans cette région. Ce résultat est probablement causé par l'emplacement de la pression de la gorge de mesure de robinet, qui est légèrement avant la gorge vraie de buse. Cela pourrait être la raison la plus probable de la lecture MFP incorrecte.

Maintenant, jetons un coup d'oeil à la buse convergent-divergeant, commençant par l'intrigue du rapport de pression et du nombre de Mach par rapport à la distance normalisée de buse. Les observations de la variation du nombre mach à travers la buse montrent un flux subsonique jusqu'à ce que le rapport de pression à la gorge égale l'état d'écoulement étouffé de 0,5283. Après ce point, trois modèles distincts sont observés pendant que le rapport de back-pressure est encore réduit.

Tout d'abord, le débit atteint l'état étouffé à la gorge et décélére subsoniquement dans la section divergente. Deuxièmement, le débit accélère supersoniquement au-delà de la gorge, puis décélère, dans certains cas, à des vitesses subsoniques. Enfin, nous constatons que le débit continue d'accélérer supersoniquement pour l'ensemble de la section divergente pour les rapports de back-pressure inférieurs à 0,3.

Enfin, l'intrigue de MFP montre une augmentation avec des ratios de back-pressure en baisse, qui culmine à 0,5283. Ce résultat est prévu à mesure que le débit augmente jusqu'à l'état étouffé. Comme avec la buse convergente, le MFP devrait rester constant après avoir atteint l'état d'écoulement étouffé, mais nous observons une diminution due à l'emplacement du robinet de pression de la gorge.

En résumé, nous avons appris comment des sections transversales variables de buses accélèrent ou décélérent le débit dans les systèmes de propulsion. Nous avons ensuite mesuré la pression axiale le long d'une buse convergente et convergente, afin d'observer les variations du nombre et de la pression de Mach pour déduire les schémas d'écoulement.

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

To watch full video, login or sign up!
If your institution is subscribed to the
Aeronautical Engineering
section, you can access that content off-site by login or signing up with your institutional email.
Sign In with Shibboleth

or

We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

RECOMMEND JoVE