Analisi degli ugelli: variazioni del numero di Mach e della pressione lungo un ugello convergente e un ugello convergente-divergente

Fonte: Shreyas Narsipur, Ingegneria meccanica e aerospaziale, North Carolina State University, Raleigh, NC

Un ugello è un dispositivo comunemente usato per accelerare o decelerare il flusso in virtù della sua sezione trasversale variabile. Gli ugelli sono ampiamente utilizzati nei sistemi di propulsione aerospaziale. Nei razzi, il propellente che viene espulso dalla camera viene accelerato attraverso un ugello per creare una forza di reazione che spinge il sistema. Nei motori a reazione, un ugello viene utilizzato per trasformare l'energia da una fonte ad alta pressione in energia cinetica dello scarico per produrre spinta. Il modello isentropico lungo l'ugello è sufficiente per un'analisi di primo ordine in quanto il flusso in un ugello è molto rapido (e quindi adiabatico ad una prima approssimazione) con perdite di attrito molto piccole (perché il flusso è quasi unidimensionale con un gradiente di pressione favorevole, tranne se si formano onde d'urto e gli ugelli sono relativamente brevi).

In questo esperimento, due tipi di ugelli sono montati su un banco di prova dell'ugello e viene creato un flusso di pressione utilizzando una fonte di aria compressa. Gli ugelli vengono eseguiti per diverse impostazioni di contropressione per analizzare il flusso interno negli ugelli in condizioni di flusso variabili, identificare i vari regimi di flusso e confrontare i dati con le previsioni teoriche.

In questa dimostrazione è stato utilizzato un banco di prova dell'ugello, che consisteva in una sorgente di aria compressa che incanala l'aria ad alta pressione attraverso gli ugelli da testare, come mostrato nella Figura 5. La pressione di flusso varia da 0 a 120 psi ed è controllata tramite una valvola meccanica. Mentre le pressioni vengono misurate utilizzando un sensore esterno, le portate di massa nell'ugello vengono misurate da una coppia di rotametri posizionati proprio prima dello ..

Nell'analisi sono state utilizzate le seguenti costanti: calore specifico dell'aria secca, γ: 1,4; area dell'ugello di riferimento, A_i = 0,0491 in², e pressione atmosferica standard, P_atm = 14,1 psi. Le figure 8 e 9 mostrano la variazione del rapporto di pressione e del numero di Mach sulla lunghezza dell'ugello (normalizzato in base alla lunghezza totale dell'ugello) per varie impostazioni di retropressione per gli ugelli convergenti e convergenti-divergenti.

Gli ugelli sono comunemente usati nei sistemi di propulsione di aeromobili e razzi in quanto offrono un metodo semplice ed efficace per accelerare il flusso a distanze limitate. Al fine di progettare ugelli per adattarsi a una determinata applicazione, una comprensione del comportamento del flusso e dei fattori che influenzano tale comportamento per una serie di condizioni di flusso è essenziale per la progettazione di sistemi di propulsione efficienti. In questa dimostrazione, gli ugelli convergenti e convergenti-diver.

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