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Düsenanalyse: Variationen in Mach-Zahl und Druck entlang einer konvergierenden und einer konvergierenden, divergierenden Düse

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Eine Düse ist ein Gerät, das häufig in Luft- und Raumfahrtantrieben verwendet wird, um den Durchfluss mit seinem unterschiedlichen Querschnitt zu beschleunigen oder zu verlangsamen.

Die einfachste Art der Düse, die konvergierende Düse, ist im Wesentlichen eine Röhre mit einem Bereich, der allmählich vom Eingang zum Ausgang oder Hals abnimmt. Wenn der Düsenbereich abnimmt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu, wobei die maximale Geschwindigkeit am Hals auftritt. Wenn die Einlassströmungsgeschwindigkeit zunimmt, erhöht sich auch die Strömungsgeschwindigkeit am Hals, bis sie Mach 1 erreicht. Wenn es Mach 1 erreicht, wird der Fluss an der Kehle erstickt, was bedeutet, dass jede weitere Erhöhung der Einlass-Flussgeschwindigkeit die Strömungsgeschwindigkeit am Hals nicht erhöht. Aus diesem Grund werden konvergierende Düsen verwendet, um Flüssigkeiten im Unterschallregime allein zu beschleunigen.

Der Fluss in einer Düse wird durch eine Druckvariation zwischen zwei Punkten verursacht. Hier wird der Druck am Ausgang als Gegendruck bezeichnet, und der Druck am Eingang ist der Stagnationsdruck. Das Verhältnis zwischen ihnen ist das Gegendruckverhältnis, das zur Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden kann. Wenn der Stagnationsdruck dem Gegendruck entspricht, gibt es keinen Durchfluss.

Schauen wir uns die Mach-Zahl über die Länge der Düse an. Bei der No-Flow-Bedingung, wenn das Gegendruckverhältnis gleich eins ist, ist die Mach-Zahl offensichtlich Null. Mit der Verkleinerung des Gegendrucks erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit entlang des konvergierenden Abschnitts sowie die Mach-Zahl mit ihrem Spitzenwert am Hals. Wenn das Gegendruckverhältnis einen Wert von 0,5283 erreicht, ist die Mach-Zahl an der Kehle eins und der Durchfluss wird erstickt. Da der Gegendruck weiter reduziert wird, bleibt die Mach-Zahl an der Kehle konstant bei einem.

Eine weitere gemeinsame Düse ist die konvergierende-divergierende Düse, die einen Abschnitt der abnehmenden Fläche hat, gefolgt von einem Abschnitt der zunehmenden Fläche. Wir können auch die Mach-Zahl über die Länge der konvergierenden, divergierenden Düse betrachten, um Strömungsbedingungen bei unterschiedlichen Gegendruckverhältnissen zu untersuchen. Für die No-Flow-Bedingung ist die Mach-Zahl wiederum Null.

Wenn der Gegendruck abnimmt, nimmt die Mach-Zahl über den konvergierenden Abschnitt zu, während sie über den divergierenden Abschnitt abnimmt. Wenn das Kehldruckverhältnis 0 nähert. 5283 wird der Fluss erstickt und erreicht Mach eins, bevor er subsonisch abnimmt. Da der Gegendruck weiter reduziert wird, wird der Durchfluss nach der Kehle überschall und dann unterschall.

Bei sehr niedrigen Rückdruckverhältnissen dehnt sich der Durchfluss entropisch aus und bleibt überschallend in der divergierenden Düse und erreicht Mach-Zahlen größer als eins. Alternativ kann der Fluss einen Schock bilden, wenn er sich im divergierenden Abschnitt ausdehnt.

Wenn der Druck am Düsenausgang niedriger ist als der Umgebungsdruck, ist der Strahl, der die Düse verlässt, mit Schwankungen in Druck und Geschwindigkeit sehr instabil. Dies wird als überdehnten Fluss bezeichnet. Wenn der Druck am Düsenausgang höher ist als der Umgebungsdruck, weist der Durchfluss einen ähnlichen instabilen Durchfluss auf und wird als unterdehnt bezeichnet.

In diesem Experiment zeigen und analysieren wir den Fluss sowohl in einer konvergierenden als auch in einer konvergierenden, divergierenden Düse.

In diesem Experiment untersuchen wir das Verhalten von Düsen mit einem Düsenprüfstand, der aus einer Druckluftquelle besteht, die die Hochdruckluft durch die getesteten Düsen kanalisiert. Der Durchflussdruck reicht von 0 - 120 psi und wird über ein mechanisches Ventil gesteuert. Die Drücke werden mit einem externen Sensor gemessen, und die Massendurchflussraten werden durch ein Paar Rotameter gemessen, die in Reihe direkt vor dem Düsenauspuff verbunden sind. Beide getesteten Düsen verfügen über 10 Anschlüsse, die Druckmessungen über die gesamte Länge der Düse ermöglichen.

Um das Experiment zu beginnen, montieren Sie die konvergierende Düse in der Mitte des Düsenprüfstandes. Verwenden Sie dann Hochdruck-PVC-Schläuche, um die 10 statischen Druckanschlüsse mit dem Druckmesssystem sowie dem Stagnationsdruckanschluss zu verbinden. Verbinden Sie das Druckmesssystem mit der Datenerfassungsschnittstelle, um Echtzeit-Datenmessungen zu erfassen.

Nehmen Sie nun den Nullstromzustandsdruck. Öffnen Sie das mechanische Ventil, um den Luftstrom zu starten. Passen Sie dann den Durchfluss mit dem mechanischen Ventil an, um ein Gegendruckverhältnis von 0,9 zu erhalten. Zeichnen Sie den Stagnationsdruck und den Luftdruck des Druckmesssystems und die Temperatur des Temperatursensors auf. Zeichnen Sie den Messdruck jedes Druckhahns auf, und achten Sie darauf, die Hahnenzahl, die axiale Position und das Düsenflächenverhältnis für jeden Druck auf der Grundlage der vom Hersteller bereitgestellten Geometrie zu notieren.

Sobald die Massendurchflusswerte eingegeben wurden, drücken Sie die Schaltfläche "Datensatz", um alle Messwerte beim eingestellten Gegendruckverhältnis aufzuzeichnen. Verringern Sie das Gegendruckverhältnis in Schritten von 0,1 auf ein Verhältnis von 0. 1, Aufzeichnung der Messungen in jedem Inkrement wie zuvor. Stellen Sie sicher, dass Sie Daten bei einem Gegendruckverhältnis von 0,5283 erfassen, was der theoretische Ersticktstrombedingung entspricht.

Wenn diese Tests abgeschlossen sind, schalten Sie den Luftstrom aus, trennen Sie den PVC-Schlauch und ersetzen Sie die konvergierende Düse durch die konvergierende, divergierende Düse. Schließen Sie die Anschlüsse an das Messsystem an, und wiederholen Sie dann alle Messungen wie zuvor beschrieben.

Um unsere Daten zu analysieren, berechnen wir zunächst das Druckverhältnis über die Düse mit Hilfe der statischen Druckmessung an jedem Port. Erinnern Sie sich daran, dass die Gegendruckmessung an Port 10 durchgeführt wurde. Wir können auch die Mach-Zahl an jedem Port mit dieser Gleichung berechnen, wobei Gamma die spezifische Wärme ist.

Hier haben wir die Variation des Druckverhältnisses und der Mach-Zahl im Vergleich zum normalisierten Düsenabstand für jede Durchflussrate in unserer konvergierenden Düse dargestellt. An der Kehle überschreitet die Mach-Zahl 1 nicht, was bedeutet, dass der Fluss erstickt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Daten an der Kehle dem Port 9 entsprechen, der etwas vor dem eigentlichen Hals liegt. Jenseits des Kehlkopfaustritts gibt es eine unkontrollierte Ausdehnung des Flusses, was zu Überschall-Mach-Zahlen führt.

Als Nächstes können wir anhand der gesammelten Daten den Massenflussparameter MFP mithilfe der gezeigten Gleichung berechnen. Hier ist m-dot die Massendurchflussrate durch die Düse, T-Null ist die Stagnationstemperatur, AT ist der Bereich des Rachens und p-Null ist der Stagnationsdruck. Das MFP erhöht sich mit abnehmendem Gegendruckverhältnis bis 0,6, was dem erwarteten Verhalten entspricht, da der Massenstrom mit abnehmendem Gegendruckverhältnis zunehmen sollte.

Das MFP sollte dann nach 0,6 konstant bleiben, da der Durchfluss an dieser Stelle erstickt wird und der Massenstrom nicht ansteigen kann. Wir beobachten jedoch einen Rückgang der MFP in dieser Region. Dieses Ergebnis wird wahrscheinlich durch die Position des Hahns verursacht, der den Kehlkopfdruck misst, der leicht vor dem wahren Düsenhals liegt. Dies könnte der wahrscheinlichste Grund für die falsche MFP-Lesung sein.

Werfen wir nun einen Blick auf die konvergierende, divergierende Düse, beginnend mit dem Plot des Druckverhältnisses und der Mach-Zahl im Vergleich zu normalisiertem Düsenabstand. Beobachtungen der Mach-Zahlenvariation über die Düse zeigen Unterschallfluss, bis das Druckverhältnis an der Kehle dem erstickten Durchflusszustand von 0,5283 entspricht. Danach werden drei unterschiedliche Muster beobachtet, da das Rückdruckverhältnis weiter reduziert wird.

Zuerst erreicht der Fluss den erstickten Zustand an der Kehle und verlangsamt subsonisch im divergierenden Abschnitt. Zweitens beschleunigt sich der Fluss supersonisch über die Kehle hinaus und verlangsamt sich dann, in einigen Fällen zu Unterschallgeschwindigkeiten. Schließlich sehen wir, dass sich der Durchfluss für den gesamten divergierenden Abschnitt für Gegendruckverhältnisse unter 0,3 weiterhin supersonisch beschleunigt.

Schließlich zeigt das Diagramm von MFP einen Anstieg mit abnehmenden Gegendruckverhältnissen, der bei 0,5283 liegt. Dieses Ergebnis wird erwartet, da der Durchfluss bis zum erstickten Zustand zunimmt. Wie bei der konvergierenden Düse sollte das MFP nach Erreichen des erstickten Strömungszustandes konstant bleiben, aber wir beobachten eine Abnahme aufgrund der Lage des Kehldruckhahns.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie unterschiedliche Querschnitte von Düsen den Fluss in Antriebssystemen beschleunigen oder verlangsamen. Anschließend haben wir den Axialdruck entlang einer konvergierenden und einer konvergierenden, divergierenden Düse gemessen, um Schwankungen der Mach-Zahl und des Drucks zu beobachten, um die Strömungsmuster abzuleiten.

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