creați un model de duze 3D
SW simulare cu simulare de flux SW
analiza rezultatelor
Duza Laval (sau duza convergentă-expandantă) este un canal îngustat în mijloc, arătând ca o clepsidră. Servește la accelerarea fluxului de gaz care trece prin el, la viteze mai mari decât viteza sunetului. Este utilizat pe scară largă pentru anumite tipuri de turbine cu abur și este o parte importantă a motoarelor de rachete moderne și a motoarelor cu jet de energie supersonic.
Duza a fost dezvoltată în 1890 de către inventatorul suedez Gustave de Laval.
Operația duzei se bazează pe diferitele proprietăți ale fluxului de gaz la viteze subsonice și supersonice. Viteza fluxului subsonic va crește pe măsură ce canalul se îngustează, deoarece debitul masic este constant. Fluxul de gaz din duza Laval este izentropic (entropia gazului este aproximativ constantă). La vitezele subsonice, debitul de gaz este compresibil; sunetul (val de joasă presiune) se va propaga printr-un astfel de flux. Lângă „gât“ al duzei, în care suprafața secțiunii cea mai mică, viteza gazului local devine sunet (număr Mach M = 1) Odată duza aria secțiunii transversale începe să crească, gazul continuă să se extindă, iar fluxul de gaz este accelerat la viteze supersonice, în care unda sonoră trece în direcția opusă prin gaz (M> 1).
Laval ajutaj va acționa numai în cazul în care debitul masic prin duză este suficientă, în caz contrar viteza supersonica nu va fi atins. În plus, presiunea gazului la ieșirea părții expandoare a duzelor nu ar trebui să fie prea mică. Pe măsură ce presiunea nu poate fi trecut împotriva curentului supersonic, presiunea de ieșire poate fi o presiune substanțial înconjurător sub mediul în care expiră gaz, dar dacă este prea mic, atunci fluxul va înceta să mai fie un flux supersonic sau vor fi separate în partea divergente a duzei, formând un flux instabil care poate "prinde" în duza și poate cauza deteriorarea acesteia. În practică, presiunea mediului ambiant trebuie să fie nu mai mult de 2,7 ori mai mare decât presiunea într-un gaz supersonic, în aceste condiții, fluxul supersonic al duzei poate scăpa.
Pentru descrierea matematică a mișcării gazelor se utilizează ecuația de stare a unui gaz ideal și ecuația Euler. Dintre acestea, se poate obține o astfel de ecuație cheie:
unde cantitățile caracterizează gradul relativ de schimbare a coordonatelor densității gazului și, respectiv, viteza acestuia. Mai mult, ecuația (1) arată că raportul dintre aceste valori este egală cu pătratul numărului Mach (semnul minus indică direcția opusă schimbării: densitatea scade pe măsură ce crește viteza). Astfel, la viteze subsonice (M <1) плотность меняется в меньшей степени, чем скорость, а на сверхзвуковых (M> 1) - dimpotrivă. Așa cum se va vedea mai târziu, aceasta determină forma de dilatare-expandare a duzelor.
Deoarece debitul masic al gazului este constant:
,
unde A este aria secțiunii locale a duzei, atunci
.
diferențiând ambele părți ale acestei ecuații cu privire la x. obținem:
După înlocuirea din (1) în (2), obținem în cele din urmă:
Se poate observa din (3) că atunci când viteza gazului în duza crește, semnul expresiei este pozitiv și, prin urmare, semnul derivatului este determinat de semnul expresiei.
Din care putem trage următoarele concluzii:
La o viteză a gazului subsonic (M. <1), производная – сопло сужается
La viteza gazului supersonic (M> 1), derivatul - duza se extinde.
Când gazul se mișcă cu viteza sunetului (M = 1), derivatul - aria secțiunii transversale - ajunge la extrem. adică cea mai îngustă secțiune a duzei, numită critică, are loc.
Deci, pe porțiunea subtrictivă a duzei, gazul se deplasează la viteze subsonice. La cea mai îngustă secțiune critică a duzei, viteza locală a gazului atinge viteza sonoră. Pe segmentul extins, supracritic, fluxul de gaz se mișcă cu viteze supersonice.
Deplasând-o de-a lungul duzei, gazul se extinde, temperatura și presiunea scăzute, iar viteza crește. Energia internă a gazului este transformată în energia cinetică a mișcării direcționate. În unele cazuri, eficiența acestei conversii (de exemplu, în duzele motoarelor de rachete moderne) poate depăși 70%, ceea ce depășește în mod semnificativ eficiența motoarelor termice reale de alte tipuri. Acest lucru se explică prin faptul că mediul de lucru nu transferă nici o energie mecanică nici unui intermediar (lamele de piston sau turbină). În alte motoare termice în acest transfer, există pierderi semnificative. În plus, gazul, care trece prin duza la viteză mare, nu are timp să transfere pereților săi o cantitate apreciabilă de energie termică, ceea ce face procesul adiabatic. În cazul motoarelor cu căldură reale de alte tipuri, încălzirea structurii constituie o parte esențială a pierderilor. Un motor de automobile, de exemplu, funcționează mai mult pe un radiator de răcire decât pe un arbore de ieșire.
Ilustrația lucrării duzei Laval. Când gazul se deplasează prin duza, temperatura absolută T și presiunea p scad și viteza V crește
Ordinea de executare a muncii
Crearea unui model de duză solidă în SW:
Pentru a crea un model de duza:
Model de presiune pe suprafața duzelor:
De asemenea, utilizând Flow Simulation, puteți crea grafice care să arate distribuția unui parametru de-a lungul axei și apoi să exportați aceste grafice în MS Excel.
Pre-construim linia centrală a duzei ca o schiță tridimensională. Lungimea liniei centrale este egală cu lungimea duzei; 100 mm.
Graficul variației vitezei de-a lungul lungimii duzei Graficul de variație a presiunii de-a lungul lungimii duzei
Graficul modificării temperaturii de-a lungul lungimii duzei Graficul variației numărului Mach de-a lungul lungimii duzei
Ce este o duza Laval?
În ce dispozitive a fost folosită duza Laval?
Care este principiul duzei?
Condiții de funcționare a duzelor?
Care este baza pentru descrierea matematică a proceselor care apar în duza?
Care este semnificația fizică a ecuațiilor (1) și (3)?
Care sunt domeniile subcritice, critice și supercritice?
Care este eficiența duzei Laval?
Rezultatele soluției sunt compatibile cu datele teoretice? Afișați exemple specifice.
Numărul de muncă independent 3
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: