Análise de bocais: variações no número de Mach e na pressão ao longo de um bocal convergente e convergente-divergente

Fonte: Shreyas Narsipur, Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade Estadual da Carolina do Norte, Raleigh, NC

Um bocal é um dispositivo que é comumente usado para acelerar ou desacelerar o fluxo em virtude de sua seção transversal variada. Bicos são amplamente utilizados em sistemas de propulsão aeroespacial. Em foguetes, o propulsor que é ejetado da câmara é acelerado através de um bico para criar uma força de reação que impulsiona o sistema. Em motores a jato, um bico é usado para transformar energia de uma fonte de alta pressão em energia cinética do escapamento para produzir impulso. O modelo isentrópico ao longo do bocal é suficiente para uma análise de primeira ordem, pois o fluxo em um bocal é muito rápido (e, portanto, adiabático a uma primeira aproximação) com muito pouca perda de atrito (porque o fluxo é quase unidimensional com um gradiente de pressão favorável, exceto se as ondas de choque se formam e os bicos são relativamente curtos).

Neste experimento, dois tipos de bicos são montados em uma plataforma de teste de bocal, e um fluxo de pressão é criado usando uma fonte de ar comprimido. Os bicos são executados para diferentes configurações de pressão traseira para analisar o fluxo interno nos bocais em condições de fluxo variadas, identificar os vários regimes de fluxo e comparar os dados com previsões teóricas.

Nesta demonstração, foi utilizada uma plataforma de teste de bocal, que consistia em uma fonte de ar comprimido que canaliza o ar de alta pressão através dos bocais que estão sendo testados, como mostrado na Figura 5. A pressão de fluxo varia de 0 a 120 psi e é controlada usando uma válvula mecânica. Enquanto as pressões são medidas usando um sensor externo, as taxas de fluxo de massa no bocal são medidas por um par de rotametros colocados logo antes do escape da plataforma de teste do bocal

Na análise foram utilizadas as seguintes constantes: calor específico do ar seco, γ: 1,4; área do bocal de referência, A_i = 0,0491 em², e pressão atmosférica padrão, P_atm = 14,1 psi. As figuras 8 e 9 mostram a variação na relação de pressão e o número de Mach em todo o comprimento do bocal (normalizado com base no comprimento total do bocal) para várias configurações de pressão traseira para os bicos convergentes e convergentes, respectivamen...

Os bicos são comumente usados em sistemas de propulsão de aeronaves e foguetes, pois oferecem um método simples e eficaz para acelerar o fluxo em distâncias restritas. A fim de projetar bicos para se adequar a uma determinada aplicação, uma compreensão do comportamento de fluxo e fatores que afetam o comportamento para uma série de condições de fluxo é essencial para projetar sistemas eficientes de propulsão. Nesta demonstração, os bicos convergentes e convergentes - dois dos tipos de bico mais comuns usado...