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喷嘴分析:沿聚合和融合分流喷嘴的马赫数和压力的变化
 
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喷嘴分析:沿聚合和融合分流喷嘴的马赫数和压力的变化

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喷嘴是航空航天推进系统中常用的一种装置,用于利用其可变的横截面加速或减速流量。

最基本的喷嘴类型,收敛喷嘴,本质上是一个管,面积逐渐减少,从入口到出口,或喉咙。当喷嘴面积减小时,流动速度增加,最大速度出现在咽喉处。随着进气流速度的增加,咽喉处的流速也会增加,直到达到马赫1。当它达到马赫1时,咽喉处的流量被阻塞,这意味着进气流速的任何进一步增加不会增加咽喉处的流速。因此,仅使用收敛喷嘴在亚音速系统内加速流体。

喷嘴中的流量是由两点之间的压力变化引起的。在这里,出口处的压力称为背压,入口处的压力是停滞压力。它们之间的比率是反压比,可用于控制流速。当停滞压力等于回压时,没有流动。

让我们来看看喷嘴长度的马赫数。对于无流量条件,当反压比等于 1 时,马赫数明显为零。随着反压降低,沿收敛部分的流速增加,马赫数增加,其峰值位于咽喉。当反压比达到0.5283值时,喉咙处的马赫数为1,流量被阻塞。随着反压的进一步降低,喉咙的马赫数保持在一个不变。

另一个常见的喷嘴是收敛分流喷嘴,其面积减少,后跟增加面积的一部分。我们还可以查看聚合分流喷嘴长度的马赫数,以检查不同反压比的流量条件。对于无流条件,马赫数再次为零。

随着反压降低,马赫数在整个收敛部分增加,同时在发散部分减少。当咽喉压力比接近0时。5283,流变得阻塞,它到达马赫一,然后下降的亚声。随着反压的进一步降低,咽喉后流量会超音速,然后亚音速。

在非常低的背压比量会在整个发散喷嘴中膨胀并保持超音速,达到大于一的马赫数。或者,当流在分叉部分中膨胀时,流可能会形成冲击。

如果喷嘴出口处的压力低于环境压力,则离开喷嘴的喷射高度不稳定,且压力和速度发生变化。这称为过度扩展的流。如果喷嘴出口处的压力高于环境压力,则流量表现出类似的不稳定流量,称为膨胀不足。

在本实验中,我们将演示和分析聚合和收敛分流喷嘴中的流量。

在本实验中,我们将使用喷嘴测试装置研究喷嘴的行为,该测试台由压缩空气源组成,该空气源通过被测试的喷嘴输送高压空气。流量压力范围为 0 - 120 psi,使用机械阀进行控制。压力使用外部传感器进行测量,质量流速通过一对在喷嘴排气前串联的旋转计进行测量。测试的两个喷嘴都有 10 个端口,可在喷嘴的整个长度内进行压力测量。

要开始实验,请将收敛喷嘴安装在喷嘴测试台的中心。然后,使用高压 PVC 管将 10 个静态压力端口连接到压力测量系统以及停滞压力端口。将压力测量系统连接到数据采集接口,以收集实时数据读数。

现在,以零流量条件压力读数为例。打开机械阀以启动气流。然后,使用机械阀调节流量,以获得 0.9 的背压比。记录压力测量系统的停滞压力和大气压力以及温度传感器的温度。记录每个压水龙头的仪表压力,确保根据制造商提供的几何形状记录每个水龙头的分头数、轴向位置和喷嘴面积比。

输入质量流速值后,按下"记录数据"按钮,以记录设定的回压比下的所有读数。以 0.1 的步长将反压比降低到 0。1、像以前一样记录每个增量的测量值。确保以 0.5283 的背压比捕获数据,这是理论上的阻塞流量条件。

完成这些测试后,关闭气流,断开 PVC 管,并将收敛喷嘴替换为收敛的分散喷嘴。将端口连接到测量系统,然后重复上述所有测量。

为了分析我们的数据,首先我们使用每个端口的静态压力测量来计算喷嘴上的压力比。回想一下,反压测量是在端口 10 处进行的。我们还可以使用这个方程计算每个端口的马赫数,伽玛是特定的热量。

在这里,我们绘制了压力比和马赫数与收敛喷嘴中每个流速的标准化喷嘴距离的变化。在喉咙处,马赫数不超过 1,这意味着流量被阻塞。但是,应该注意的是,喉咙处的数据对应于端口 9,该端口略高于实际咽喉。除了咽喉出口,有不受控制的流动膨胀,导致超音速马赫数。

其次,利用收集的数据,我们可以用所示的方程计算质量流参数MFP。在这里,m点是通过喷嘴的质量流速,T-0是停滞温度,AT是咽喉区域,p-0是停滞压力。MFP 随回压比的降低而增加,直到 0.6,这与预期行为相对应,因为随着反压比的降低,质量流量应该会增大。

然后,MFP 应在 0.6 之后保持不变,因为此时流量被阻塞,并且质量流量不能增加。然而,我们注意到该地区MFP的减少。此结果可能是由测量咽喉压力的水龙头的位置引起的,该位置略高于真正的喷嘴喉咙。这可能是 MFP 读数不正确的最可能原因。

现在,让我们来看看收敛的分散喷嘴,从压力比和马赫数与标准化喷嘴距离的图开始。对喷嘴中马赫数变化的观察显示亚音速流,直到咽喉处的压力比等于 0.5283 的阻塞流动条件。在此之后,随着反压比的进一步降低,观察到三种不同的模式。

首先,流量达到咽喉的阻塞状态,并在发散部分以声调子减速。其次,流量以超音速加速,越过咽喉,然后减速,在某些情况下,以亚音速速度。最后,我们看到,对于低于 0.3 的背压比,整个发散部分的流量继续以超音速加速。

最后,MFP 的图显示了随着反压比的降低而增加,其峰值为 0.5283。当流量增加到阻塞条件时,预期此结果。与收敛喷嘴一样,MFP 在达到阻塞流量条件后应保持不变,但我们注意到由于咽喉压力水龙头的位置而减少。

总之,我们了解了喷嘴不同截面在推进系统中如何加速或减速流动。然后,我们沿着收敛和收敛的分流喷嘴测量轴向压力,以观察马赫数和压力的变化,以推断流模式。

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