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Analyse einer Düse: Variationen in Machzahl und Druck entlang einer konvergierenden und einer konvergierend-divergierenden Düse

Überblick

Quelle: Shreyas Narsipur, Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, North Carolina State University, Raleigh, NC

Eine Düse ist ein Gerät, das aufgrund seines unterschiedlichen Querschnitts häufig verwendet wird, um den Fluss zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Düsen sind weit verbreitet in Luft- und Raumfahrt-Antriebssystemen verwendet. Bei Raketen wird das aus der Kammer ausgestoßene Treibmittel durch eine Düse beschleunigt, um eine Reaktionskraft zu erzeugen, die das System antreibt. In Strahltriebwerken wird eine Düse verwendet, um Energie aus einer Hochdruckquelle in kinetische Energie des Auspuffs umzuwandeln, um Schub zu erzeugen. Das isentrope Modell entlang der Düse ist ausreichend für eine Erstordnungsanalyse, da der Durchfluss in einer Düse sehr schnell (und damit adiabatisch zu einer ersten Annäherung) mit sehr geringen Reibungsverlusten ist (weil der Durchfluss fast eindimensional mit einem günstigen Druck ist Gradient, außer wenn sich Schockwellen bilden und Düsen relativ kurz sind).

In diesem Experiment werden zwei Düsentypen auf einem Düsenprüfstand montiert, und ein Druckfluss wird mit einer Druckluftquelle erzeugt. Die Düsen werden für verschiedene Rückdruckeinstellungen ausgeführt, um den internen Fluss in den Düsen unter unterschiedlichen Strömungsbedingungen zu analysieren, die verschiedenen Strömungsregime zu identifizieren und die Daten mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen.

Verfahren

In dieser Demonstration wurde ein Düsenprüfstand verwendet, der aus einer Druckluftquelle bestand, die Hochdruckluft durch die getesteten Düsen kanalisiert, wie in Abbildung 5dargestellt. Der Durchflussdruck reicht von 0 - 120 psi und wird über ein mechanisches Ventil gesteuert. Während die Drücke mit einem externen Sensor gemessen werden, werden die Massendurchflussraten in der Düse durch ein Paar Rotameter gemessen, die direkt vor dem Auspuff des Düsenprüfstandes platziert werden.

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Ergebnisse

Bei der Analyse wurden folgende Konstanten verwendet: spezifische Wärme der trockenen Luft, n: 1,4; Referenzdüsenbereich, Ai = 0,0491 in2, und Standard-Atmosphärendruck, Patm = 14,1 psi. Die Abbildungen 8 und 9 zeigen die Variation des Druckverhältnisses und der Mach-Zahl über die Länge der Düse (normalisiert basierend auf der Gesamtdüsenlänge) für verschiedene Gegendruckeinstellungen für die konvergierenden bzw. konvergierenden Düsen. Der Massendu...

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Anwendung und Zusammenfassung

Düsen werden häufig in Flugzeugen und Raketenantrieben verwendet, da sie eine einfache und effektive Methode bieten, um den Fluss in begrenzten Entfernungen zu beschleunigen. Um Düsen für eine bestimmte Anwendung zu entwerfen, ist ein Verständnis des Strömungsverhaltens und der Faktoren, die dieses Verhalten für eine Reihe von Strömungsbedingungen beeinflussen, für die Entwicklung effizienter Antriebssysteme unerlässlich. In dieser Demonstration wurden die konvergierenden und konvergierenden, divergierenden Dü...

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Measuring Axial Pressure in Converging and Converging-Diverging Nozzles

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