Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education Library
Aeronautical Engineering

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

 

Análisis de boquillas: Variaciones en el número Mach y la presión a lo largo de una boquilla convergente y una boquilla convergente

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Una boquilla es un dispositivo que se utiliza comúnmente en sistemas de propulsión aeroespacial para acelerar o desacelerar el flujo utilizando su sección transversal variable.

El tipo más básico de boquilla, la boquilla convergente, es esencialmente un tubo con un área que disminuye gradualmente desde la entrada hasta la salida, o garganta. A medida que el área de la boquilla disminuye, la velocidad de flujo aumenta, con la velocidad máxima que ocurre en la garganta. A medida que aumenta la velocidad de flujo de entrada, la velocidad de flujo en la garganta también aumenta hasta que alcanza Mach 1. Cuando llega a Mach 1, el flujo en la garganta se ahoga, lo que significa que cualquier aumento adicional de la velocidad de flujo de entrada no aumenta la velocidad de flujo en la garganta. Por esta razón, las boquillas convergentes se utilizan para acelerar los fluidos solo en el régimen subsónico.

El flujo en una boquilla es causado por una variación en la presión entre dos puntos. Aquí, la presión en la salida se conoce como la contrapresión, y la presión en la entrada es la presión de estancamiento. La relación entre ellos es la relación de contrapresión, que se puede utilizar para controlar la velocidad del flujo. Cuando la presión de estancamiento es igual a la contrapresión, no hay flujo.

Echemos un vistazo al número Mach a lo largo de la boquilla. Para la condición sin flujo, cuando la relación de contrapresión es igual a uno, el número Mach es obviamente cero. A medida que se reduce la contrapresión, la velocidad de flujo a lo largo de la sección convergente aumenta, así como el número Mach, con su valor máximo en la garganta. Cuando la relación de contrapresión alcanza un valor de 0,5283, el número Mach en la garganta es uno y el flujo se ahoga. A medida que la contrapresión se reduce aún más, el número Mach en la garganta se mantiene constante en uno.

Otra boquilla común es la boquilla convergente-divergente, que tiene una sección de área decreciente, seguida de una sección de área creciente. También podemos ver el número Mach a lo largo de la boquilla convergente-divergente para examinar las condiciones de flujo en diferentes relaciones de contrapresión. Para la condición sin flujo, otra vez el número Mach es cero.

A medida que la contrapresión disminuye, el número Mach aumenta a través de la sección convergente mientras disminuye a través de la sección divergente. Cuando la relación de presión de la garganta se acerca a 0. 5283, el flujo se ahoga y llega a Mach uno antes de disminuir subsónicamente. A medida que la contrapresión se reduce aún más, el flujo después de la garganta se vuelve supersónico y luego subsónico.

Con proporciones de contrapresión muy bajas, el flujo se expande de forma isentropical y permanece supersónico a lo largo de la boquilla divergente, alcanzando números Mach mayores que uno. Alternativamente, el flujo puede formar un choque cuando se expande en la sección divergente.

Si la presión en la salida de la boquilla es inferior a la presión ambiental, el chorro que sale de la boquilla es altamente inestable con variaciones en la presión y la velocidad. Esto se denomina flujo sobreexpandido. Si la presión en la salida de la boquilla es mayor que la presión ambiental, el flujo presenta un flujo inestable similar y se denomina subexpansión.

En este experimento, demostraremos y analizaremos el flujo tanto en una boquilla convergente como en una boquilla convergente.

En este experimento, estudiaremos el comportamiento de las boquillas utilizando un equipo de prueba de boquillas, que consiste en una fuente de aire comprimido que canaliza el aire de alta presión a través de las boquillas que se están probando. La presión de flujo oscila entre 0 y 120 psi y se controla mediante una válvula mecánica. Las presiones se miden mediante un sensor externo, y los caudales de masa se miden mediante un par de rotametros conectados en serie justo antes del escape de la boquilla. Ambas boquillas probadas tienen 10 puertos, lo que permite mediciones de presión a lo largo de la longitud de la boquilla.

Para comenzar el experimento, monte la boquilla convergente en el centro de la plataforma de prueba de la boquilla. A continuación, utilice tubos de PVC de alta presión para conectar los 10 puertos de presión estática al sistema de medición de presión, así como el puerto de presión de estancamiento. Conecte el sistema de medición de presión a la interfaz de adquisición de datos para recopilar lecturas de datos en tiempo real.

Ahora, tome la lectura de presión de condición de flujo cero. Abra la válvula mecánica para iniciar el flujo de aire. A continuación, ajuste el flujo utilizando la válvula mecánica para obtener una relación de contrapresión de 0,9. Registre la presión de estancamiento y la presión atmosférica del sistema de medición de presión y la temperatura del sensor de temperatura. Registre la presión del manómetro de cada grifo de presión, asegurándose de tener en cuenta el número de grifo, la posición axial y la relación de área de la boquilla para cada uno en función de la geometría proporcionada por el fabricante.

Una vez introducidos los valores de caudal de masa, pulse el botón 'Grabar datos' para registrar todas las lecturas en la relación de contrapresión establecida. Disminuir la relación de contrapresión en pasos de 0,1, hasta una relación de 0. 1, registrando las medidas en cada incremento como antes. Asegúrese de capturar los datos en una relación de contrapresión de 0.5283, que es la condición teórica de flujo estrangulado.

Una vez completadas estas pruebas, apague el flujo de aire, desconecte el tubo de PVC y reemplace la boquilla convergente por la boquilla convergente. Conecte los puertos al sistema de medición y, a continuación, repita todas las mediciones como se describió anteriormente.

Para analizar nuestros datos, primero calculamos la relación de presión a través de la boquilla utilizando la medición de presión estática en cada puerto. Recuerde que la medición de contrapresión se realizó en el puerto 10. También podemos calcular el número Mach en cada puerto usando esta ecuación, donde gamma es el calor específico.

Aquí, hemos trazado la variación en la relación de presión y el número Mach en comparación con la distancia de la boquilla normalizada para cada caudal en nuestra boquilla convergente. En la garganta, el número Mach no excede 1, lo que significa que el flujo se ahoga. Sin embargo, cabe señalar que los datos en la garganta corresponden al puerto 9, que es ligeramente antes de la garganta real. Más allá de la salida de la garganta, hay una expansión incontrolada del flujo, lo que lleva a números Mach supersónicos.

A continuación, utilizando los datos recopilados, podemos calcular el parámetro de flujo de masa, MFP, utilizando la ecuación mostrada. Aquí, m-punto es el caudal de masa a través de la boquilla, T-cero es la temperatura de estancamiento, AT es el área de la garganta, y p-cero es la presión de estancamiento. La impresora multifunción aumenta con la disminución de la relación de contrapresión hasta 0,6, que corresponde al comportamiento esperado, ya que el flujo de masa debe aumentar a medida que disminuye la relación de contrapresión.

El MFP debe permanecer constante después de 0.6, ya que el flujo se ahoga en este punto y el flujo de masa no puede aumentar. Sin embargo, observamos una disminución de la PMA en esta región. Este resultado es probablemente causado por la ubicación de la presión de la garganta que mide el grifo, que es ligeramente antes de la verdadera garganta de la boquilla. Esta podría ser la razón más probable para la lectura incorrecta de la impresora multifunción.

Ahora, echemos un vistazo a la boquilla convergente-divergente, comenzando con la gráfica de la relación de presión y el número Mach versus la distancia de la boquilla normalizada. Las observaciones de la variación del número Mach a través de la boquilla muestran flujo subsónico hasta que la relación de presión en la garganta es igual a la condición de flujo asfixiado de 0.5283. Después de este punto, se observan tres patrones distintos a medida que la relación contra la contrapresión se reduce aún más.

En primer lugar, el flujo alcanza la condición de estrangulamiento en la garganta y se desacelera subsónicamente en la sección divergente. En segundo lugar, el flujo se acelera supersonicamente más allá de la garganta y luego se desacelera, en algunos casos a velocidades subsónicas. Por último, vemos que el flujo continúa acelerándose supersonicamente para la totalidad de la sección divergente para relaciones de contrapresión inferiores a 0,3.

Por último, la gráfica de la impresora multifunción muestra un aumento con la disminución de las relaciones de contrapresión, que alcanza un máximo de 0,5283. Este resultado se espera a medida que el flujo aumenta hasta la condición asfixiada. Al igual que con la boquilla convergente, la impresora multifunción debe permanecer constante después de alcanzar la condición de flujo de estrangulación, pero observamos una disminución debido a la ubicación del grifo de presión de la garganta.

En resumen, aprendimos cómo las diferentes secciones transversales de las boquillas aceleran o desaceleran el flujo en los sistemas de propulsión. Luego medimos la presión axial a lo largo de una boquilla convergente y una boquilla convergente-divergente, para observar variaciones en el número Mach y la presión para deducir los patrones de flujo.

Read Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter