$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Nozul, değişen kesitini kullanarak akışı hızlandırmak veya yavaşlatmak için havacılık tahrik sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir cihazdır.
En temel nozul türü olan yakınsak nozul, esasen girişten çıkışa veya boğaza kadar kademeli olarak azalan bir alana sahip bir tüptür. Meme alanı azaldıkça, akış hızı artar ve maksimum hız boğazda meydana gelir. Giriş akış hızı arttıkça boğazdaki akış hızı da Mach 1'e ulaşana kadar artar. Mach 1'e ulaştığında, boğazdaki akış tıkanır, bu da giriş akış hızının daha fazla artmasının boğazdaki akış hızını artırmadığı anlamına gelir. Bu nedenle, yalnızca ses altı rejimdeki sıvıları hızlandırmak için yakınsak nozullar kullanılır.
Bir nozuldaki akış, iki nokta arasındaki basınçtaki bir değişiklikten kaynaklanır. Burada, çıkıştaki basınç geri basınç olarak adlandırılır ve girişteki basınç durgunluk basıncıdır. Aralarındaki oran, akış hızını kontrol etmek için kullanılabilen geri basınç oranıdır. Durgunluk basıncı geri basınca eşit olduğunda, akış yoktur.
Nozulun uzunluğu boyunca Mach sayısına bakalım. Akış olmaması koşulu için, geri basınç oranı bire eşit olduğunda, Mach sayısı açıkça sıfırdır. Geri basınç azaldıkça, yakınsak bölüm boyunca akış hızı ve boğazdaki tepe değeri ile Mach sayısı artar. Geri basınç oranı 0.5283 değerine ulaştığında, boğazdaki Mach sayısı birdir ve akış tıkanır. Karşı basınç daha da azaldıkça, boğazdaki Mach sayısı birde sabit kalır.
Diğer bir yaygın nozul, azalan alanın bir bölümüne sahip olan ve ardından artan alanın bir bölümüne sahip olan yakınsak-uzaklaşan nozuldur. Değişen geri basınç oranlarında akış koşullarını incelemek için yakınsak-uzaklaşan nozulun uzunluğu boyunca Mach sayısına da bakabiliriz. Akış olmaması koşulu için yine Mach sayısı sıfırdır.
Geri basınç azaldıkça, Mach sayısı yakınsak bölüm boyunca artarken, uzaklaşan bölüm boyunca azalır. Boğaz basınç oranı 0'a yaklaştığında. 5283, akış tıkanır ve subsonik olarak azalmadan önce Mach bir'e ulaşır. Geri basınç daha da azaldıkça, boğazdan sonraki akış süpersonik ve ardından ses altı olur.
Çok düşük geri basınç oranlarında, akış izentropik olarak genişler ve uzaklaşan nozul boyunca süpersonik kalır ve birden büyük Mach sayılarına ulaşır. Alternatif olarak, akış, uzaklaşan bölümde genişlediğinde bir şok oluşturabilir.
Nozul çıkışındaki basınç ortam basıncından düşükse, nozuldan çıkan jet, basınç ve hızdaki değişikliklerle oldukça kararsızdır. Buna aşırı genişletilmiş akış denir. Nozul çıkışındaki basınç ortam basıncından daha yüksekse, akış benzer kararsız akış sergiler ve az genleşmiş olarak adlandırılır.
Bu deneyde, hem yakınsak hem de yakınsak-uzaklaşan bir nozuldaki akışı göstereceğiz ve analiz edeceğiz.
Bu deneyde, yüksek basınçlı havayı test edilen nozullardan geçiren bir basınçlı hava kaynağından oluşan bir nozul test donanımı kullanarak nozulların davranışını inceleyeceğiz. Akış basıncı 0 - 120 psi arasında değişir ve mekanik bir valf kullanılarak kontrol edilir. Basınçlar harici bir sensör kullanılarak ölçülür ve kütle akış hızları, nozul egzozundan hemen önce seri olarak bağlanmış bir çift rotametre ile ölçülür. Test edilen nozulların her ikisi de nozulun uzunluğu boyunca basınç ölçümlerini mümkün kılan 10 porta sahiptir.
Deneye başlamak için, yakınsak nozulu nozul test donanımının ortasına monte edin. Ardından, 10 statik basınç portunu basınç ölçüm sistemine ve durgunluk basınç portuna bağlamak için yüksek basınçlı PVC boru kullanın. Gerçek zamanlı veri okumalarını toplamak için basınç ölçüm sistemini veri toplama arayüzüne bağlayın.
Şimdi, sıfır akış koşulu basınç okumasını alın. Hava akışını başlatmak için mekanik valfi açın. Ardından, 0,9'luk bir geri basınç oranı elde etmek için mekanik valfi kullanarak akışı ayarlayın. Basınç ölçüm sisteminden durgunluk basıncını ve atmosferik basıncı ve sıcaklık sensöründen sıcaklığı kaydedin. Üretici tarafından sağlanan geometriye bağlı olarak her biri için musluk numarasını, eksenel konumunu ve nozul alanı oranını not ettiğinizden emin olarak her bir basınç musluğunun gösterge basıncını kaydedin.
Kütle akış hızı değerleri girildikten sonra, tüm okumaları ayarlanan geri basınç oranında kaydetmek için 'Verileri Kaydet' düğmesine basın. Geri basınç oranını 0,1'lik adımlarla 0 oranına düşürün. 1, ölçümleri daha önce olduğu gibi her artışta kaydetme. Verileri, teorik tıkanmış akış koşulu olan 0,5283'lük bir geri basınç oranında yakaladığınızdan emin olun.
Bu testler tamamlandığında, hava akışını kapatın, PVC boruyu ayırın ve yakınsak nozulu yakınsak-uzaklaşan nozulla değiştirin. Bağlantı noktalarını ölçüm sistemine bağlayın, ardından tüm ölçümleri daha önce açıklandığı gibi tekrarlayın.
Verilerimizi analiz etmek için önce her bir porttaki statik basınç ölçümünü kullanarak nozul boyunca basınç oranını hesaplıyoruz. Geri basınç ölçümünün 10 numaralı bağlantı noktasında yapıldığını hatırlayın. Gama'nın özgül ısı olduğu bu denklemi kullanarak her bağlantı noktasındaki Mach sayısını da hesaplayabiliriz.
Burada, yakınsak nozulumuzdaki her bir akış hızı için normalleştirilmiş nozul mesafesine karşı basınç oranı ve Mach sayısındaki değişimi çizdik. Boğazda, Mach sayısı 1'i geçmez, bu da akışın tıkandığı anlamına gelir. Bununla birlikte, boğazdaki verilerin, gerçek boğazdan biraz önce olan 9 numaralı bağlantı noktasına karşılık geldiğine dikkat edilmelidir. Boğaz çıkışının ötesinde, akışın kontrolsüz bir şekilde genişlemesi söz konusudur ve bu da süpersonik Mach sayılarına yol açar.
Daha sonra, toplanan verileri kullanarak, gösterilen denklemi kullanarak kütle akış parametresini, MFP'yi hesaplayabiliriz. Burada, m-dot nozuldan geçen kütle akış hızıdır, T-sıfır durgunluk sıcaklığıdır, AT boğaz alanıdır ve p-sıfır durgunluk basıncıdır. MFP, geri basınç oranı azaldıkça kütle akışının artması gerektiğinden, beklenen davranışa karşılık gelen 0,6'ya kadar azalan geri basınç oranıyla artar.
MFP daha sonra 0,6'dan sonra sabit kalmalıdır, çünkü akış bu noktada tıkanır ve kütle akışı artamaz. Ancak bu bölgede MFP'de bir azalma gözlemliyoruz. Bu sonuç, büyük olasılıkla, gerçek nozul boğazından biraz önce olan boğaz basıncını ölçen musluğun konumundan kaynaklanır. Yanlış MFP okumasının en olası nedeni bu olabilir.
Şimdi, normalleştirilmiş nozul mesafesine karşı basınç oranı ve Mach sayısı grafiğinden başlayarak yakınsak-uzaklaşan nozüle bir göz atalım. Nozul boyunca Mach sayısı değişiminin gözlemleri, boğazdaki basınç oranı 0.5283'lük tıkanmış akış durumuna eşit olana kadar ses altı akışı gösterir. Bu noktadan sonra, geri basınç oranı daha da azaldıkça üç farklı model gözlemlenir.
İlk olarak, akış boğazda tıkanma durumuna ulaşır ve ayrılan bölümde subsonik olarak yavaşlar. İkincisi, akış boğazın ötesinde süpersonik olarak hızlanır ve daha sonra bazı durumlarda ses altı hızlara yavaşlar. Son olarak, 0,3'ten daha düşük geri basınç oranları için ıraksak bölümün tamamı için akışın süpersonik olarak hızlanmaya devam ettiğini görüyoruz.
Son olarak, MFP'nin grafiği, 0.5283'te zirve yapan azalan geri basınç oranlarıyla bir artış göstermektedir. Boğulma durumuna kadar akış arttıkça bu sonuç beklenir. Yakınsak nozulda olduğu gibi, MFP tıkanmış akış durumuna ulaştıktan sonra sabit kalmalıdır, ancak boğaz basınç musluğunun konumu nedeniyle bir azalma gözlemliyoruz.
Özetle, nozulların değişen kesitlerinin tahrik sistemlerinde akışı nasıl hızlandırdığını veya yavaşlattığını öğrendik. Daha sonra, akış modellerini çıkarmak için Mach sayısındaki ve basınçtaki değişiklikleri gözlemlemek için yakınsak ve yakınsak-uzaklaşan bir nozul boyunca eksenel basıncı ölçtük.
