چرا گلو وجود داره؟ اگر کل موتور یک محفظه احتراق U شکل با نازل باشه نیروی رانش یکسان نخواهد بود؟
نکته اصلی در گلو افزایش سرعت اگزوز است. اما نه فقط کمی آن را افزایش دهید - یک نازل موشک طوری طراحی شده است که نازل خفه شود. این یک راه دیگر برای گفتن است که جریان آنقدر شتاب می گیرد که به شرایط صوتی در گلو می رسد. این خفگی مهم است. از آنجا که به این معنی است که جریان در گلو صوتی است، هیچ اطلاعاتی نمی تواند از گلو به سمت بالادست به داخل محفظه حرکت کند. بنابراین فشار بیرونی دیگر تاثیری بر خواص محفظه احتراق ندارد.بنابراین شکل یک نازل د لاوال طوری طراحی شده است که ابتدا گاز را (با باریک کردن) به سرعت صوتی در گلو شتاب می دهد و سپس به دلیل اینکه اثر ونتوری معکوس شده است، گاز را بیشتر (با انبساط) به سرعت های مافوق صوت شتاب می دهد.کوچکترین سطح مقطع نازل را گلوی نازل می نامند. جریان اگزوز داغ در گلو خفه می شود، به این معنی که عدد ماخ برابر با 1.0 در گلو است و سرعت جریان جرمی m نقطه توسط ناحیه گلو تعیین می شود.
هنگامی که در گلو صوتی است، و با فرض اینکه نازل به درستی طراحی شده است، چیزهای جالبی رخ می دهد. هنگامی که به جریان مادون صوت نگاه می کنیم، با کاهش مساحت گاز سرعت آن افزایش می یابد و با افزایش ناحیه سرعت گاز کاهش می یابد. این اثر سنتی ونتوری است. با این حال، زمانی که جریان مافوق صوت باشد، برعکس اتفاق می افتد. جریان با افزایش منطقه شتاب می گیرد و با کاهش آن کاهش می یابد.
بنابراین، هنگامی که جریان در گلو صوتی شد، جریان از طریق نازل در حال گسترش به شتاب ادامه می‌دهد. این همه با هم کار می کند تا سرعت اگزوز را به مقادیر بسیار بالا افزایش دهد.
از نقطه نظر نامگذاری، گلوی نازل مکانی است که ناحیه کوچکترین ناحیه را دارد. بنابراین یک "محفظه U شکل با نازل" همچنان یک گلو خواهد داشت -- به این صورت تعریف می شود که هر منطقه کوچکترین باشد. اگر نازل یک لوله مستقیم است، دیگر گلویی برای صحبت وجود ندارد.
برای به دست آوردن کار مفید (گازهای خروجی تسریع شده)، به نوعی چرخه ترمودینامیکی با احتراق و به دنبال آن انبساط نیاز دارید. به دلیل حفظ انرژی، مقدار انرژی جنبشی به دست آمده توسط گاز با مقدار آنتالپی (انرژی گرما + فشار) که با انبساط و سرد شدن گاز خروجی ناپدید می شود، متناسب خواهد بود.
این بدان معناست که شما می خواهید دمای محفظه احتراق را به حداکثر برسانید و دمای اگزوز را به حداقل برسانید تا راندمان کارنو را به حداکثر برسانید. با اطمینان از اینکه احتراق قبل از انبساط اتفاق می افتد، با یک محفظه احتراق و نازل انبساط جداگانه، این امر را تضمین می کنید.
علاوه بر این، شما می خواهید که گاز تا حد ممکن منبسط شود تا دمای اگزوز به حداقل برسد - و نسبت انبساط متناسب با مساحت خروجی نازل تقسیم بر ناحیه گلوی نازل است. این بدان معناست که تنها از ملاحظات ترمودینامیکی می توان دریافت که بهتر است گلویی بسیار تنگ و ناحیه خروجی بسیار بزرگ داشته باشیم.
دینامیک سیالات جزئیات دقیق شکل نازل ها (نازل های de laval و غیره) را تعیین می کند که بازده ترمودینامیکی را تا حد ممکن به بازده کارنو نزدیک می کند و اینکه آیا اگزوز واقعا منبسط می شود یا در عوض از دیواره های نازل جدا می شود. اما نیاز به یک محفظه و نازل احتراق مجزا بسیار ساده‌تر است و بدون آگاهی از جریان مافوق صوت یا مافوق صوت قابل درک است.
نیروی رانش موتور موشک نیرویی است که توسط نیروی فشار خالصی که بر کل ماده وارد می شود ایجاد می شود. تغییر در تکانه گازهای احتراق که از محفظه احتراق به سمت خروجی نازل حرکت می کنند، تنها وسیله فیزیکی است که با آن این اختلاف فشار مربوطه حفظ می شود. به نظر می رسد بسیاری از دانشجویان کارشناسی این مسائل اساسی را درک نمی کنند، و برخی از این سوء تفاهم ها در برخی از پاسخ های اینجا منعکس شده است.
برای درک این موضوع، یک ولوم کنترل بسته بکشید که کل داخل محفظه احتراق، داخل نازل و صفحه خروجی نازل را مشخص می کند. در ساده‌ترین حالت، نازلی را بردارید که به گلو ختم می‌شود، بدون بخش واگرا و با بخش همگرا بسیار کوتاه. در این حالت صفحه خروجی نازل در فشار اتمسفر و عدد ماخ خروجی واحد خواهد بود.
با فرض یکنواخت بودن فشار ساکن در محفظه احتراق، تمام نیروهای فشاری که در داخل حجم کنترل عمل می‌کنند، اساساً خنثی می‌شوند، به جز نیروهای فشار اتمسفر که بر صفحه خروجی و نیروهای فشار محفظه احتراق بر روی ناحیه پیش‌تاب‌شده توسط گلو بر روی محفظه عمل می‌کنند. انتهای جلوی محفظه احتراق
بنابراین، نیروی خالص وارد بر حجم کنترل برابر با A * (Pc - Pa) است، که در آن A ناحیه گلو، فشار استاتیک محفظه احتراق PC، و فشار اتمسفر Pa است. با چنین وضعیتی، به راحتی می توان فهمید که این نیروهای فشار هستند که موشک را حرکت می دهند. اینکه بگوییم تغییر تکانه گازهای احتراق موشک را به حرکت در می‌آورد، نادرست نیست، اما بدون درک نقش نیروهای فشار، نمی‌توان به درستی درک کرد که موشک چگونه رانده می‌شود.
اکنون می‌توانیم این استدلال را به موردی که دارای بخش نازل متمایز معمولی است تعمیم دهیم. با انجام این کار، می‌دانیم که مزیت چنین بخش به این دلیل است که فشار اتمسفر اکنون می‌تواند روی صفحه خروجی نازل با وجود ناحیه گلویی بسیار کوچکتر عمل کند. ناحیه گلویی کوچکتر جریان جرمی بسیار کمتری از محصولات احتراق تولید می کند، و بنابراین، یک نازل همگرا/ واگرا امکان استفاده بسیار کارآمدتر از جریان جرمی گاز احتراق را فراهم می کند تا فشار اتمسفر روی صفحه خروجی نازل عمل کند. بدون بخش واگرا، یک جریان جرمی بسیار بزرگتر برای تولید همان نیروی فشار خالص که بر روی موشک وارد می شود، مورد نیاز است.
درک قوانین نیوتن و نقش تغییر تکانه در مورد موتورهای موشک بسیار مهم است و نقش نیروهای فشار به طور اجتناب ناپذیری با تغییر تکانه مرتبط است.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
