چرا نازل های اگزوز این شکلی هستند
ارسال شده: جمعه ۱۴۰۱/۳/۲۰ - ۰۸:۲۱
ابتدا بگم سه نوع اصلی نازل، مخروطی، زنگی یا کانتور، و حلقوی یا پلاگین . هست موتور موشک یک نازل پیشرانبیشتر از نوع de Lavalهست که در موتور موشک برای انبساط و تسریع محصولات احتراق تا سرعت های مافوق صوت بالا استفاده میشه.نازل de Laval (یا نازل همگرا-واگرا نازل CD یا نازل con-di) لوله ای است که در وسط آن گیر می کند و شکل ساعت شنی نامتقارن و متعادلی را ایجاد می کند. برای شتاب دادن یک سیال قابل تراکم به سرعت های مافوق صوت در جهت محوری (تراست)، با تبدیل انرژی حرارتی جریان به انرژی جنبشی استفاده می شود. نازل های De Laval به طور گسترده در برخی از انواع توربین های بخار و نازل های موتور موشک استفاده می شود. همچنین در موتورهای جت مافوق صوت استفاده می شود.برای موشک نیازی به نازل "زنگ شکل" ندارید -- یک مخروط ساده (به نظر می رسد اغلب با زاویه 30 درجه) کافی است.
طراحی مخروطها آسانتر است (فقط یک پارامتر طراحی دارند که حتی آنقدر حساس نیست) و سادهتر ساخته میشوند (آنها را میتوان با سادهترین روشهای ماشینکاری ساخت). به همین دلیل، بسیاری از موشکهای اولیه از نازلهای مخروطی ساده استفاده میکردند و برخی موشکها و رانشگرهای کوچک که به کارایی بالا نیازی ندارند، هنوز از آنها استفاده میکنند. همچنین به نظر می رسد که آنها گاهی اوقات در موشک های آزمایشی ظاهر می شوند که در آن نازل قسمت جالبی نیست این همان انبساط و شتاب جریان مافوق صوت/تراکم پذیر گاز است که در آن سطح مقطع یک کانال به تدریج و یکنواخت افزایش می یابد. در واقع، هر مجرای همگرا-واگرا، گاز فشرده را به سرعت مافوق صوت شتاب می دهد تا زمانی که فشار محفظه کافی نسبت به فشار محیط وجود داشته باشد تا آن را به مافوق صوت در گلو تبدیل کند. با این حال، نازل های زنگ باید به دقت طراحی شوند تا انبساط را تنظیم کنند و امواج ضربه ای فشرده سازی و انبساط (که توسط انحنا ایجاد می شود) در یک راستا قرار گیرند، و پارامترها حساس تر هستند. میتوانید در مورد طراحی هر دو نوع نازل (و همچنین کمی در مورد آئروسپیکها) در این اسلایدهای سخنرانی دانشگاه پوردو بخوانید -- مقدار زیادی ریاضی وجود دارد.
دو مزیت بزرگ نازل زنگ وجود دارد. اول، در مقایسه با نازل مخروطی، آنها به طور قابل توجهی کوچکتر و در نتیجه سبک تر هستند. دوم، شکل زنگ، جریان اگزوز را به یک جت باریک و کم واگرایی متمرکز می کند، در حالی که نازل مخروطی یک جت با همان زاویه واگرایی به اندازه عرض مخروط تولید می کند (حداقل زمانی که موتور در ارتفاع طراحی شده خود کار می کند). در حالی که این باعث هدر رفتن مقداری از ISP می شود، ضرر آن فاجعه بار نیست.
بهطور ساده پیشرانهایی که توسط پمپها یا گازهای پرفشار فشار بالا تا جایی بین دو تا چند صد اتمسفر تحت فشار قرار میگیرند، برای سوختن به محفظه احتراق تزریق میشوند و محفظه احتراق به نازلی هدایت میشود که انرژی موجود در محصولات احتراق با فشار بالا و دمای بالا را تبدیل میکند. با شتاب دادن به گاز تا سرعت بالا و فشار نزدیک به محیط، به انرژی جنبشی تبدیل می شود.نازل باید اگزوز را از فشار محفظه به فشار محیط گسترش دهد تا سرعت و کارایی اگزوز به حداکثر برسدشکل نازل همچنین بر میزان کارآمدی انبساط گازهای خروجی به حرکت خطی تأثیر می گذارد. ساده ترین شکل نازل دارای نیم زاویه مخروطی ~ 15 درجه است که حدود 98٪ کارایی دارد.
حداکثر نرخ جریان قابل دستیابی یک سیال تراکم پذیر در یک لوله با قطر ثابت، سرعت صوت در آن سیال است. پس از رسیدن به آن نقطه، دیگر نمی توانید با نیروی اعمال شده از طریق بخش های بالادست، روی سرعت بخش های پایین دست تأثیر بگذارید. اگر یک نازل لوله را در گلوی موتور موشک قرار دهید، سرعت اگزوز هرگز از سرعت جریان در گلو بالاتر نمی رود.
شما باید به گازهای خروجی که در پایین دست هستند، نیرو وارد کنید تا آنها را شتاب دهید، که به دلیل جریان مافوق صوت نمی توانید از طریق فشار سیال این کار را انجام دهید. شما این کار را با طرف های شیب دار یک نازل انبساط انجام می دهید که انبساط جانبی را به انبساط بیشتر به سمت عقب هدایت می کند. در این فرآیند، همانطور که قانون سوم نیوتن ایجاب می کند، نیروی رانش بیشتری از مولفه رو به جلو فشاری که گاز در حال انبساط علیه نازل انبساط وارد می کند، دریافت می کنید. توجه داشته باشید که اگر دو طرف نازل مایل نباشند تا گاز به طرفین منبسط شود، غیرممکن خواهد بود..hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
طراحی مخروطها آسانتر است (فقط یک پارامتر طراحی دارند که حتی آنقدر حساس نیست) و سادهتر ساخته میشوند (آنها را میتوان با سادهترین روشهای ماشینکاری ساخت). به همین دلیل، بسیاری از موشکهای اولیه از نازلهای مخروطی ساده استفاده میکردند و برخی موشکها و رانشگرهای کوچک که به کارایی بالا نیازی ندارند، هنوز از آنها استفاده میکنند. همچنین به نظر می رسد که آنها گاهی اوقات در موشک های آزمایشی ظاهر می شوند که در آن نازل قسمت جالبی نیست این همان انبساط و شتاب جریان مافوق صوت/تراکم پذیر گاز است که در آن سطح مقطع یک کانال به تدریج و یکنواخت افزایش می یابد. در واقع، هر مجرای همگرا-واگرا، گاز فشرده را به سرعت مافوق صوت شتاب می دهد تا زمانی که فشار محفظه کافی نسبت به فشار محیط وجود داشته باشد تا آن را به مافوق صوت در گلو تبدیل کند. با این حال، نازل های زنگ باید به دقت طراحی شوند تا انبساط را تنظیم کنند و امواج ضربه ای فشرده سازی و انبساط (که توسط انحنا ایجاد می شود) در یک راستا قرار گیرند، و پارامترها حساس تر هستند. میتوانید در مورد طراحی هر دو نوع نازل (و همچنین کمی در مورد آئروسپیکها) در این اسلایدهای سخنرانی دانشگاه پوردو بخوانید -- مقدار زیادی ریاضی وجود دارد.
دو مزیت بزرگ نازل زنگ وجود دارد. اول، در مقایسه با نازل مخروطی، آنها به طور قابل توجهی کوچکتر و در نتیجه سبک تر هستند. دوم، شکل زنگ، جریان اگزوز را به یک جت باریک و کم واگرایی متمرکز می کند، در حالی که نازل مخروطی یک جت با همان زاویه واگرایی به اندازه عرض مخروط تولید می کند (حداقل زمانی که موتور در ارتفاع طراحی شده خود کار می کند). در حالی که این باعث هدر رفتن مقداری از ISP می شود، ضرر آن فاجعه بار نیست.
بهطور ساده پیشرانهایی که توسط پمپها یا گازهای پرفشار فشار بالا تا جایی بین دو تا چند صد اتمسفر تحت فشار قرار میگیرند، برای سوختن به محفظه احتراق تزریق میشوند و محفظه احتراق به نازلی هدایت میشود که انرژی موجود در محصولات احتراق با فشار بالا و دمای بالا را تبدیل میکند. با شتاب دادن به گاز تا سرعت بالا و فشار نزدیک به محیط، به انرژی جنبشی تبدیل می شود.نازل باید اگزوز را از فشار محفظه به فشار محیط گسترش دهد تا سرعت و کارایی اگزوز به حداکثر برسدشکل نازل همچنین بر میزان کارآمدی انبساط گازهای خروجی به حرکت خطی تأثیر می گذارد. ساده ترین شکل نازل دارای نیم زاویه مخروطی ~ 15 درجه است که حدود 98٪ کارایی دارد.
حداکثر نرخ جریان قابل دستیابی یک سیال تراکم پذیر در یک لوله با قطر ثابت، سرعت صوت در آن سیال است. پس از رسیدن به آن نقطه، دیگر نمی توانید با نیروی اعمال شده از طریق بخش های بالادست، روی سرعت بخش های پایین دست تأثیر بگذارید. اگر یک نازل لوله را در گلوی موتور موشک قرار دهید، سرعت اگزوز هرگز از سرعت جریان در گلو بالاتر نمی رود.
شما باید به گازهای خروجی که در پایین دست هستند، نیرو وارد کنید تا آنها را شتاب دهید، که به دلیل جریان مافوق صوت نمی توانید از طریق فشار سیال این کار را انجام دهید. شما این کار را با طرف های شیب دار یک نازل انبساط انجام می دهید که انبساط جانبی را به انبساط بیشتر به سمت عقب هدایت می کند. در این فرآیند، همانطور که قانون سوم نیوتن ایجاب می کند، نیروی رانش بیشتری از مولفه رو به جلو فشاری که گاز در حال انبساط علیه نازل انبساط وارد می کند، دریافت می کنید. توجه داشته باشید که اگر دو طرف نازل مایل نباشند تا گاز به طرفین منبسط شود، غیرممکن خواهد بود..hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا