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ノズル解析:収束と収束発散ノズルに沿ったマッハ数と圧力の変動

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ノズルは、航空宇宙推進システムで一般的に使用される装置で、さまざまな断面を使用して流れを加速または減速します。

ノズルの最も基本的なタイプ、収束ノズルは、本質的に出口、または喉への入り口から徐々に減少する領域を持つチューブです。ノズル領域が小さくなるにつれて、流速が増加し、喉に最大速度が発生します。入口の流速が大きくなるにつれて、マッハ1に達するまで喉の流速も増加する。マッハ1に達すると、喉の流れが窒息し、入口流速のさらなる増加が喉の流速を増加させないことを意味する。このため、収束ノズルは、亜音速体制のみの流体を加速するために使用されます。

ノズル内の流れは、2 点間の圧力の変動によって引き起こされます。ここで、出口の圧力は背圧と呼ばれ、入り口の圧力は停滞圧力である。それらの間の比率は、流速を制御するために使用することができる背圧比です。停滞圧力が背圧に等しい場合、流れはありません。

ノズルの長さのマッハ数を見てみましょう。流れのない状態の場合、背圧比が1に等しい場合、マッハ数は明らかにゼロです。背圧が低下するにつれて、収束部に沿った流速が増加し、マッハ数も増加し、喉のピーク値も増加します。背圧比が0.5283の値に達すると、喉のマッハ数は1で、流れが窒息します。背圧がさらに小さくなるにつれて、喉のマッハ数は1で一定のままです。

もう一つの一般的なノズルは、収束発散ノズルで、減少領域のセクションが続き、その後に面積が増加するセクションがあります。また、収束分岐ノズルの長さのマッハ数を調べて、さまざまなバック圧力比で流れ条件を調べることもできます。流れなしの状態の場合、マッハ数は再びゼロになります。

バックプレッシャーが減少するにつれて、マッハ数は収束部全体で増加し、分岐部全体で減少します。喉の圧力比が0に近づくとき。5283は、流れが窒息し、サブソニカルに減少する前にマッハ1に達する。背圧がさらに小さくなるにつれて、喉の後の流れは超音速になり、その後亜音速になる。

非常に低い背圧比では、流れは熱帯に膨張し、分岐ノズル全体で超音速のままであり、マッハ数が1より大きい。あるいは、流れが分岐部で膨張すると衝撃を形成する可能性があります。

ノズル出口の圧力が周囲圧力よりも低い場合、ノズルを出るジェットは圧力および速度の変化と非常に不安定である。これは、オーバーエキスパンド フローと呼ばれます。ノズル出口の圧力が周囲圧力よりも高い場合、流れは同様の不安定な流れを示し、アンダーエキスパンドと呼ばれます。

この実験では、収束ノズルと収束分岐ノズルの両方の流れをデモンストレーションし、分析します。

本実験では、テスト対象のノズルを通して高圧空気を流す圧縮空気源から構成されるノズル試験リグを用いてノズルの挙動を研究する。流れ圧力は0から120 psiまで及び機械弁を使用して制御される。圧力は外部センサーを使用して測定され、質量流量はノズル排気の直前に直射された一対の回転数計によって測定される。テストされたノズルの両方に10の港があり、ノズルの長さ全体の圧力測定を可能にする。

実験を開始するには、収束ノズルをノズルテストリグの中央に取り付けます。次に、高圧PVCチューブを使用して、10の静圧ポートを圧力測定システムと停滞圧力ポートに接続します。圧力測定システムをデータ集録インタフェースに接続し、リアルタイムのデータ読み取り値を収集します。

次に、ゼロフロー条件圧力読み取りを行います。機械弁を開いて気流を開始します。次いで、0.9の背圧比を得るために機械弁を用いて流れを調整する。圧力測定システムからの停滞圧力と大気圧と温度センサからの温度を記録します。各圧力タップのゲージ圧力を記録し、メーカーが提供するジオメトリに基づいて、各タップ数、軸位置、ノズル面積比を記録します。

質量流量の値が入力されたら、「データを記録」ボタンを押して、設定された背圧比ですべての測定値を記録します。背圧比を 0.1 のステップで下げ、0 の比率に下します。1、以前のように各増分で測定値を記録する。理論的な窒息流条件である 0.5283 の背圧比でデータをキャプチャしてください。

これらのテストが完了したら、気流をオフにし、PVCチューブを取り外し、収束ノズルを収束分岐ノズルに交換します。ポートを測定システムに接続し、前述のようにすべての測定値を繰り返します。

データを分析するために、まず各ポートの静圧測定を使用してノズル全体の圧力比を計算します。バック圧力測定はポート10で行われたことを思い出してください。また、ガンマが特定の熱であるこの方程式を使用して、各ポートのマッハ数を計算することもできます。

ここでは、収束ノズルの各流量に対する圧力比とマッハ数の変化と正規化されたノズル距離をプロットしました。喉では、マッハ数は1を超えないため、流れが窒息することを意味します。しかし、喉のデータは、実際の喉のわずかに前にあるポート9に対応することに留意すべきである。喉の出口を越えて、流れの制御不能な膨張があり、超音速マッハ数につながる。

次に、収集したデータを用いて、示す方程式を用いて質量流量パラメータMFPを計算することができる。ここで、mドットはノズルを通る質量流量であり、T-0は停滞温度であり、ATは喉の面積であり、p-0は停滞圧力である。複合機は、バックプレッシャー比が小さくなるにつれて質量フローが増加するにつれて、期待される挙動に対応する0.6まで下圧比を下げると増加します。

この時点で流れが窒息し、質量流量が増加できないため、複合機は 0.6 以降一定のままになります。しかし、この地域では複合機の減少が見られます。この結果は、真のノズルの喉のわずかに前にある蛇口の圧力を測定する位置によって引き起こされる可能性が高い。これは、MFP の読み取りが正しくない最も可能性の高い原因である可能性があります。

次に、圧力比とマッハ数対正規化されたノズル距離のプロットから始めて、収束分岐ノズルを見てみましょう。ノズル全体のマッハ数変動の観測は、喉の圧力比が0.5283の窒息流条件に等しくなるまで亜音速流を示す。この点の後、背圧比がさらに低下するにつれて、3つの異なるパターンが観察される。

まず、流れは喉の窒息状態に達し、発散部で沈んで減速する。第二に、流れは喉を越えて超音速で加速し、その後、亜音速に減速する。最後に、0.3より低い背圧比の分岐部全体の流れが超超音波的に加速し続けていることがわかります。

最後に、MFPのプロットは、0.5283でピークに達する背圧比の減少と共に増加を示しています。この結果は、窒息状態までの流れが増加するにつれて期待されます。収束ノズルと同様に、複合機は窒息した流れ状態に達した後も一定に保つべきであるが、喉圧タップの位置による減少を観察する。

要約すると、ノズルのさまざまな断面が推進システムの流れを加速または減速する方法を学びました。次に、収束ノズルと収束分岐ノズルに沿って軸圧力を測定し、マッハ数と圧力の変動を観察して流パターンを推測しました。

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