Введение
Эффект ограничения скорости сжатия потока Удушение потока является эффектом сжатия потока. Параметр, который становится "задавленным" или "ограниченным", это скорость жидкости. Задушенный поток - это динамическое состояние жидкости, связанное с эффектом Вентури. Когда текущая жидкость при заданном давлении и температуре проходит через сужение (например, горло конвергентной дивергентной насадки или клапан в трубе) в среду с более низким давлением, скорость жидкости увеличивается. При первоначальных субзвуковых условиях вверх по течению принцип сохранения энергии требует увеличения скорости жидкости по мере ее течения через меньшую площадь поперечного сечения сужения. В то же время эффект Вентури приводит к уменьшению статического давления и, следовательно, плотности при сжатии. Задавленный поток - это ограничивающее условие, при котором массовый поток не увеличивается при дальнейшем снижении давления в среде вниз по течению при фиксированном давлении и температуре вверх по течению. Для однородных жидкостей физическая точка, в которой происходит удушение при адьябатических условиях, - это когда скорость выходной плоскости находится в звуковых условиях, т.е. при числе Маха 1. При подавленном потоке скорость массового потока может быть увеличена только за счет увеличения плотности вещества вверх по течению. Задавленный поток газов полезен во многих инженерных приложениях, потому что скорость массового потока не зависит от давления вниз по течению и зависит только от температуры и давления, а следовательно, и от плотности газа вверх по течению от ограничения. В условиях удушья клапаны и калиброванные отверстия могут использоваться для получения желаемой скорости массового потока.
Choked flow is a compressible flow effect. The parameter that becomes "choked" or "limited" is the fluid velocity. Choked flow is a fluid dynamic condition associated with the Venturi effect. When a flowing fluid at a given pressure and temperature passes through a constriction (such as the throat of a convergent divergent nozzle or a valve in a pipe) into a lower pressure environment the fluid velocity increases. At initially subsonic upstream conditions, the conservation of energy principle requires the fluid velocity to increase as it flows through the smaller cross sectional area of the constriction. At the same time, the venturi effect causes the static pressure, and therefore the density, to decrease at the constriction. Choked flow is a limiting condition where the mass flow will not increase with a further decrease in the downstream pressure environment for a fixed upstream pressure and temperature. For homogeneous fluids, the physical point at which the choking occurs for adiabatic conditions is when the exit plane velocity is at sonic conditions; i. e., at a Mach number of 1. At choked flow, the mass flow rate can be increased only by increasing the upstream density of the substance. The choked flow of gases is useful in many engineering applications because the mass flow rate is independent of the downstream pressure, and depends only on the temperature and pressure and hence the density of the gas on the upstream side of the restriction. Under choked conditions, valves and calibrated orifice plates can be used to produce a desired mass flow rate.
Задавленный поток в жидкостях
Если жидкость является жидкостью, то другой тип ограничивающего состояния (также известный как потоковой поток) возникает, когда эффект Вентури, действующий на потоковой поток жидкости через ограничение, вызывает снижение давления жидкости за пределы ограничения до ниже давления пара жидкости при преобладающей температуре жидкости. В этот момент жидкость частично вспыхнет в пузырьки пара, и последующий коллапс пузырьков вызывает кавитацию. Кавитация довольно шумная и может быть достаточно сильной, чтобы физически повредить клапаны, трубы и сопутствующее оборудование. Фактически, образование пузырьков пара в ограничении препятствует дальнейшему увеличению потока.
Массовый расход газа при условии удушья
Все газы переходят от более высокого давления к более низкому. Задушенный поток может возникать при изменении поперечного сечения в соплах де Лаваль или через отверстие. Скорость удушения наблюдается вверх по течению от отверстия или сопла. Объемный расход вверх по течению ниже, чем в условиях вниз по течению, из-за более высокой плотности вверх по течению. Скорость удушения является функцией давления вверх по течению, но не вниз по течению. Хотя скорость постоянна, скорость массового потока зависит от плотности газа вверх по течению, что является функцией давления вверх по течению. Скорость потока достигает скорости звука в отверстии, и его можно назвать звуковым отверстием.
Дюзы Venturi с восстановлением давления
Поток через Venturi-носочку достигает гораздо более низкого давления в носочке, чем давление вниз по течению. Поэтому отношение давления является сравнением давления вверх по течению и давления в соплах. Поэтому поток через вентури может достигать Маха 1 с гораздо более низким соотношением вверх по течению к ниже по течению.
Отверстия тонкой пластины
Поток реальных газов через тонкие отверстия пластин никогда не задыхается полностью. Массовый поток через отверстие продолжает увеличиваться по мере снижения давления вниз по течению до идеального вакуума, хотя массовый поток медленно увеличивается, поскольку давление вниз по течению снижается ниже критического давления. Каннингем (1951) впервые обратил внимание на то, что удушение не будет происходить через стандартный тонкий квадратный отверстие.
Вакуумные условия
В случае давления воздуха вверх по течению при атмосферном давлении и вакуумных условиях вниз по течению от отверстия, как скорость воздуха, так и скорость массового потока задыхаются или ограничиваются, когда звуковая скорость достигается через отверстие.
Модель потока
На рисунке 1а показана скорость потока через сопла, когда она полностью дозвуковая (то есть сопка не забита). Поток в камере ускоряется, когда он сходится к горлу, где достигает своей максимальной (субсонической) скорости в горле. Затем поток замедляется через расходящийся участок и выделяется в окружающую среду в виде дозвукового струи. Снижение обратного давления в этом состоянии увеличит скорость потока в любом месте в сопла. Когда противодавление, pb, достаточно понижено, скорость потока составляет 1 Маха в горле, как на рисунке 1b. Модель потока точно такая же, как и в дозвуковом потоке, за исключением того, что скорость потока в горле только что достигла Маха 1. Поток через сопла теперь задерживается, поскольку дальнейшее снижение обратного давления не может отвести точку M = 1 от горла. Однако, схема потока в расходящейся части меняется по мере дальнейшего снижения противодавления. Поскольку pb снижается ниже того, что необходимо, чтобы просто задушить поток, область сверхзвукового потока образуется прямо вниз по течению горла. В отличие от субзвукового потока, сверхзвуковой поток ускоряется по мере удаления от горла. Эта область сверхзвукового ускорения прекращается обычной ударной волной. Ударная волна производит почти мгновенное замедление потока до дозвуковой скорости. Этот субзвуковой поток затем замедляется по остальной части расходящегося участка и испаряется в виде субзвукового струи. При этом режиме, если вы снижаете или повышаете обратное давление, вы отталкиваете ударную волну от (увеличиваете длину сверхзвукового потока в расходящейся части перед ударной волной) горла. Если pb достаточно понижен, ударная волна будет сидеть на выходе из сопла (рисунок 1d). Из-за очень длинной области ускорения (полной длины сопла) скорость потока достигнет максимума непосредственно перед ударным фронтом. Однако после удара поток в струе будет субзвуковым. Дальнейшее снижение обратного давления приводит к тому, что удар выгибается в струю (рисунок 1e), и в струе создается сложная схема ударов и отражений, которая включает в себя смесь дозвукового и сверхзвукового потока или (если обратное давление достаточно низкое) просто сверхзвуковой поток. Поскольку удар больше не перпендикулярен потоку возле стен сопла, он отклоняет поток внутрь, когда он покидает выход, создавая первоначально сокращающийся струю. Это называется перерасширенным потоком, потому что в этом случае давление на выходе из сопла ниже, чем в окружающей среде (противное давление), т.е. поток слишком сильно расширен соплами. Дальнейшее снижение обратного давления изменяет и ослабляет волновую структуру струи. В конце концов, противодавление будет достаточно низким, чтобы оно теперь было равно давлению на выходе из сопла. В этом случае волны в струе исчезают полностью (рисунок 1f), и струя будет равномерно сверхзвуковой. Эта ситуация, поскольку она часто желательна, называется "проектным условием". Наконец, если обратное давление будет снижено еще больше, мы создадим новый дисбаланс между выходной и обратной давлениями (выходное давление больше, чем обратное давление), рисунок 1g. В этой ситуации (называемой "недорасширенной") то, что мы называем волнами расширения (которые производят постепенное повороты перпендикулярно осевому потоку и ускорению в струе) формируется на выходе из сопла, первоначально поворачивая поток на краях струи наружу в шлейфе и создавая другой тип сложной волновой структуры.