رانش خالص از نیروهای فشار وارده به موتور حاصل می شود. پس چگونه نازل بر فشار داخل محفظه احتراق تأثیر میزاره اگر نازل نبود چه اتفاقی می افتادهمه موتورهای توربین گاز دارای نازلی برای تولید نیروی رانش، هدایت گازهای خروجی به جریان آزاد و تنظیم نرخ جریان جرمی در موتور هستن و. نازل در پایین دست توربین قدرت قرار دارد.به این نکته هنم رسید
آیا تا به حال شیلنگ باغچه ای را با نازل قابل تنظیم دیدید و دست گرفتین اگر شلنگ را روی زمین بگذارید و نازل را در حالت باز قرار دهید و شیر آب را باز کنید، آب با سرعت آهسته و بدون پس‌کشی محسوس از شیلنگ خارج می‌شود. اگر نازل را طوری تنظیم کنید که جریان را تا حدی منقبض کنه دیگه ، شیلنگ تحت تأثیر پس زدن آب ساطع شده حرکت می کند. تفاوت بین این دو تنظیم تو این هست که وقتی نازل جریان را محدود می کند، آب با سرعت بسیار بالاتری به بیرون خارج می شود.
خوب موتور جت بر اساس همین اصل کار می کنه. پس زدن (یا رانش) تا حدی به سرعت گازهای خارج شده از عقب موتور بستگی دارد. این به نوبه خود به درجه افزایش سرعت گازها توسط اثر محدود کننده نازل بستگی دارد. موتور قادر است حجم معینی از گاز را در هر ثانیه به عقب براند - اگر دهانه ای را که گازها باید از آن عبور کنند تنگ کنید، گاز را مجبور می کنید با سرعت بیشتری حرکت کند و در نتیجه پس زدن وارد شده به موتور افزایش می یابد. اگر نازل نداشتید، گازها با سرعت کمتری توسط موتور به بیرون پرتاب می‌شد و در نتیجه پس‌زدگی کاهش می‌یافت.ببینید قبلا هم گفتم اثر ونتوری اینجا میاد به کمکمون
نازل اغلب دارای سطح مقطع باریک تری نسبت به سطح مقطع متوسط موتور است. از آنجایی که موتورهای جت یا موشک ها بر اساس همان اصل حفظ تکانه کار می کنند، می توانیم معادله رانش راکت را اعمال کنیم:
$v=u\text{ln}\left(\frac{M_0}{M_0-rt}\right)$
، که در آن v سرعت موشک/موتور در زمین، u سرعت راکت/موتور گاز پیشرانه، $M_0$ جرم اولیه موشک/موتور، و r سرعت پرتاب گاز است.
بنابراین به وضوح در معادله، می توانیم v∝u را ببینیم، بنابراین اگر سرعت گاز را افزایش دهیم، سرعت موشک/موتور خود را افزایش می دهیم. حال جریان گاز سیال است، بنابراین می توانیم قانون بقا را اعمال کنیم:
$A_1v_1=A_2v_2$
بنابراین، اگر سطح مقطع نازل را کاهش دهیم، اگر سرعت گاز خود را افزایش دهیم، که نیاز ما بود. با این حال، به دلیل سرعت بالای گاز، ماده در معرض تنش های زیادی قرار می گیرد، بنابراین ما آن را خیلی باریک نمی کنیم.
اکنون برای فشار، می توانیم از معادله برنولی استفاده کنیم:
$P_1+\frac{1}{2}\rho v_1^2=P_2+\frac{1}{2}\rho \left(\frac{A_1v_1}{A_2}\right)^2$
$P_1-P_2=\frac{1}{2}\rho v_1^2\left(\frac{A_1^2}{A_2^2}-1\right)$
، جایی که A1>A2، بنابراین ما در واقع P1>P2 را دریافت می کنیم. بنابراین فشار در نازل کمتر از موتور خواهد بود، که می تواند برخی از تنش های ایجاد شده در نازل را کاهش دهد.طبق قانون برنولی، فشار معادل انرژی پتانسیل است در حالی که سرعت معادل انرژی جنبشی است. حالا شما میگین که برنولی برای جریان داخل موتور جت اعمال نمیشه و تا حدی درست است. به محض اینکه کار خارجی روی یا توسط سیال انجام شود،دیگه قانون برنولی اعمال نمی شود. اما در این بین، وقتی فشار به سرعت یا برعکس تبدیل می شود، قانون او به خوبی توضیح می دهد که چه اتفاقی می افتد.
در مرحله بعددونستن این مطلب چگونه این تبدیل بین فشار و سرعت کار می کند مفید است. در حالی که در سرعت مافوق صوت جریان همگرا فشار را کاهش می‌دهد، سرعت را افزایش می‌دهد و چگالی را عمدتاً بی‌تأثیر می‌گذارد، در سرعت مافوق صوت جریان همگرا هم چگالی و هم فشار را افزایش می‌دهد در حالی که سرعت را کاهش می‌دهد.نازل اگزوز همگرا
با خروج گازهای خروجی از قسمت عقب موتور به سمت نازل اگزوز جریان می یابد. اولین قسمت نازل اگزوز و پلاگ اگزوز یک مجرای واگرا را تشکیل می دهند تا تلاطم در جریان هوا را کاهش بدهندو سپس گازهای خروجی به قسمت همگرا نازل اگزوز جریان میابه که در آن جریان توسط یک کوچکتر محدود میشه. دهانه خروجی از آنجایی که این یک مجرای همگرا را تشکیل میده سرعت گاز افزایش میده وطبیعتا نیروی رانش افزایش می یابد.
محدودیت باز شدن خروجی نازل اگزوز توسط دو عامل محدود می شود. اگر دهانه نازل خیلی بزرگ باشد، رانش از بین میره . اگر خیلی کم باشد، جریان در سایر اجزای موتور خفه می شود. یعنی نازل اگزوز به عنوان یک روزنه عمل میکنه که اندازه آن چگالی و سرعت گازها را هنگام خروج از موتور تعیین می کنه خوب این برای عملکرد رانش بسیار مهم است و تنظیم ناحیه نازل اگزوز هم عملکرد موتور و هم دمای گاز خروجی را تغییر می دهد. هنگامی که سرعت گازهای خروجی در دهانه نازل 1 ماخ می شود، جریان فقط با این سرعت عبور می کند - افزایش یا کاهش نمی یابد. جریان کافی برای حفظ 1 ماخ در دهانه نازل و داشتن جریان اضافی (جریان که توسط دهانه محدود می شود) چیزی را ایجاد می کند که به آن نازل خفه می گویندهمین جریان اضافی باعث ایجاد فشار در نازل می شود که گاهی اوقات فشار فشار نامیده می شود. اختلاف فشار بین داخل نازل و هوای محیط وجود دارد. با ضرب این اختلاف فشار در مساحت دهانه نازل، رانش فشار را میتونیم محاسبه کنیم . بسیاری از موتورها نمی توانند نیروی رانش فشاری ایجاد کنند زیرا بیشتر انرژی برای راندن توربین هایی که پروانه ها، فن های بزرگ یا روتور هلیکوپتر را می چرخانند، مصرف می شود.
نازل اگزوز همگرا - واگرا
اگه نسبت فشار موتور به اندازه کافی بالا باشد تا سرعت گازهای خروجی را تولید کنه که ممکن است از 1 ماخ در نازل خروجی موتور بیشتر بشه، با استفاده از یک نوع نازل همگرا-واگرا می توان نیروی رانش بیشتری به دست آورد. مزیت یک نازل همگرا-واگرا در اعداد ماخ بالا به دلیل نسبت فشار بالاتر در سرتاسر نازل اگزوز موتور بیشتر است.
پس هنگامی که سرعت گازهای خروجی بیشتر از 1 ماخ است، می توان از یک نازل همگرا-واگرا برای کمک به تولید نیروی رانش بیشتر استفاده کرد.
برای اطمینان از اینکه پس از رسیدن به سرعت صوت، وزن یا حجم ثابتی از گاز از هر نقطه معینی عبور می‌کند، قسمت پشتی یک مجرای اگزوز مافوق صوت بزرگ می‌شود تا وزن یا حجم اضافی گازی را که با نرخ‌های مافوق صوت جریان می‌یابد، در خود جای دهد. اگر این کار انجام نشود، نازل به طور موثر عمل نمی کند. این بخش واگرای مجرای اگزوز است.
هنگامی که یک کانال واگرا در ترکیب با یک کانال اگزوز معمولی استفاده می شود، به آن کانال اگزوز همگرا-واگرا می گویند. در نازل همگرا-واگرا، یا نازل C-D، بخش همگرا به گونه ای طراحی میشن که گازها را در حالی که زیر صوت باقی میمونه، کنترل میکنه و گازها را همانطور که به سرعت صوتی می رسند به گلوی نازل میرسونه . بخش واگرا گازها را کنترل می کند و سرعت آنها را پس از خروج از گلو و مافوق صوت افزایش می دهد. همانطور که گاز از گلوی نازل جریان می یابد، مافوق صوت (1 ماخ و بالاتر) می شود و سپس به بخش واگرای نازل می رود. از آنجایی که مافوق صوت است، به افزایش سرعت خود ادامه می دهد. این نوع نازل عموماً در وسایل نقلیه هوافضا با سرعت بسیار بالا استفاده می شود.این نکته در اینجا مهم هست سرعت صوت و دمای محیط ${\displaystyle c_{\mathrm {air} }=331.3~{\sqrt {1+{\frac {\theta }{273.15}}}}~~~~\mathrm {m/s} .}$و $c = \sqrt{\left(\frac{\partial P}{\partial \rho}\right)_T}$
یک نازل همگرا اجازه خروج مافوق صوت گازهای احتراق را نمی دهد، اما به دلیل دمای بالای آنها، سرعت صوت آنها به طور قابل توجهی بالاتر از هوای اطراف است. برای مثال در دمای 700 درجه سانتی گراد سرعت صوت در هوا 625 متر بر ثانیه است. از آنجایی که رانش عمدتاً با تفاوت در سرعت ورودی و خروجی هوای جریان یافته از یک موتور تعیین میشه، برای رانش مثبت به سرعت بالاتری نسبت به سرعت پرواز نیاز است. سرعت پایین پرواز مافوق صوت با یک نازل همگرا کاملاً امکان پذیر است.
حتما میگین پس چرا بخش دیفیوزر نیروی رانش در موتور جت ایجاد می کنه
خوب دیفیوزر جریان را کاهش می ده تا ترکیب سوخت و هوا و احتراق کمی دیرتر انجام بشه شما اگه فقط . روی سرعت ورود و خروج تمرکز کنید، هیچ نیروی رانشی وجود نخواهد داشت.
با این حال، اگر به فشارهای روی دیواره های پخش کننده نگاه کنید، نتیجه متفاوتی به دست میاورین . جریان آهسته تر به معنای فشار استاتیکی بالاتر است و فشار کل درست در خروجی کمپرسور در حال حاضر بالاترین میزان در کل موتور است. فشار روی دیوارهای پخش کننده در حال گشاد شدن، موتور را در واقع به دلیل شیب رو به جلو بردار فشار (که عمود بر دیواره های دیفیوزور عمل می کند) به جلو می راند. البته اگر جریان گرم نمی شد و در نتیجه در پایین دست شتاب بیشتری می گرفت، هیچ نیروی رانشی حاصل نمی شد. بنابراین دیفیوزر به تنهایی نیروی رانش ایجاد نمی کند. این تنها زمانی اتفاق می افتد که در داخل یک موتور جت در حال کار قرار گیرد.
و همچنین چرا نازل نیروی رانش به عقب را فراهم می کند؟
همیشه اینطور نیست، اما در اینجا نازل شکل همگرا دارد که به تسریع جریان مادون صوت کمک می کند و فشار باقیمانده را به سرعت تبدیل می کند. اکنون دیوارها دارای شیب رو به عقب هستند، بنابراین بردار فشار روی آنها یک جزء رو به عقب را ایجاد می کند. علاوه بر اینی ک سرعت جریان بالا در امتداد دیواره های نازل بزرگ باعث ایجاد اصطکاک میشن که باید در نظر گرفته شود.
. سهم رانش آن فقط ناشی از فشار رو به جلو است که بر روی آن وارد می شود.و آیا یک دیفیوزر نباید نیروی رانش به عقب را فراهم کند، زیرا سرعت خروجی کمتر از سرعت ورودی است و بنابراین m˙×(v−u) منفی است؟
قوانین بقا در فیزیک ابزار بسیار خوبی هستند. آنها به شما این امکان را می دهند که بدون نگاه کردن به جزئیات جزئی فرآیند واقعی، مقدار زیادی محاسبه کنید. و این مثال عالی است: شما می توانید نیروی رانش کل موتور را از تغییر تکانه سیال کار محاسبه کنید. اما این به شما نمی گوید که نیرو در واقع چگونه اعمال می شود، فقط مجموع نیروهای وارد بر کل موتور است.
تفکیک رانش جزییات جزئی فرآیند است. و در آن سطح، تنها راه ایجاد نیرو، فشار سیال است و از آنجایی که فشار همیشه عمود بر سطح عمل می کند، تنها سطوح رو به عقب می توانند بر روی آنها رانش به جلو داشته باشند، در حالی که هر سطح رو به جلوی رانش منفی بر آنها اثر می گذارد.
و در اسپرینکلر هم فرقی نمی کند. فشار داخل بر روی تمام دیوارها تأثیر می گذارد، اما در نازلی که آب به بیرون می ریزد، مقداری وجود ندارد، بنابراین نیروی وارد بر دیوار مقابل غالب است.کاربرد نازل و دیفیوزر گستره وسیعی را شامل شده و از موتورهای جت و فضاپیماها تا تجهیزات آبیاری فضای سبز را در بر می‌گیرد. نازل (nozzle) وسیله‌ایست که با کاهش فشار سیال، سرعت آن را افزایش می‌دهد. در سوی مقابل، دیفیوزر (diffuser) به وسیله‌ای گفته می‌شود که برعکس نازل عمل می‌کند. یعنی با کاهش سرعت سیال، فشار آن را بالا می‌برد. پس من میگم الف: نازل سرعت مایعات را افزایش می دهد ، در حالی که پخش کننده سرعت مایعات را کاهش می دهد. نازل توسط جت و موشک می تواند برای ایجاد رانش اضافی استفاده شود. در مقابل ، بسیاری از موتورهای جت از دیفیوزرها برای کند کردن هوای ورودی به موتور برای جریان یکنواخت تر استفاده می کنند. باز تاکید میکنمپخش کننده "وسیله ای برای کاهش سرعت و افزایش فشار استاتیک سیالی است که از سیستم عبور می کند". ... در مقابل ، از نازل برای افزایش سرعت تخلیه و کاهش فشار سیالی که از آن عبور می کند ، استفاده می شود. سطح مقطع نازل در جهت عبور سیال، برای جریان‌های فروصوت کاهش و برای جریان‌های فراصوت، افزایش می‌یابد. خلاف این موضوع هم برای دیفیوزر صادق است.نرخ انتقال حرارت بین سیال عبوری از داخل نازل و دیفیوزر و محیط اطراف آن معمولاً بسیار کوچک است (˙Q≈0) و در بسیاری از مسائل می‌توان از آن صرف نظر کرد. زیرا سرعت سیال، بسیار زیاد است و فرآیند به قدری سریع اتفاق می‌افتد که فرصتی برای انتقال حرارت باقی نمی‌ماند. همچنین، کار انجام شده و تغییر انرژی پتانسیل در نازل و دیفیوزر نیز برابر صفر است. ولی به دلیل سرعت بالای سیال در عبور از آنها، تغییرات انرژی جنبشی بسیار محسوس است و باید محاسبه شود$\large \dot{E}_{in} – \dot {E} _ {out} \: = \: \frac {dE_{system}} {dt} \: = \: 0$چرا قسمت پخش کننده باعث ایجاد رانش در موتور جت می شود؟در شروع چرخه هوا به موتور القا می شود و فشرده می شود. شتابهای عقب در طی مراحل کمپرسور و در نتیجه افزایش فشار ، یک نیروی واکنشی بزرگ در جهت جلو ایجاد می کند. در مرحله بعدی سفر ، هوا از طریق پخش کننده عبور می کند و در آنجا یک نیروی واکنشی کوچک اعمال می کند ، همچنین در جهت جلو من قسمت اول پاراگراف را درک می کنم که کمپرسور رانش رو به جلو را فراهم می کند ، زیرا هوا را به سمت عقب فشار می دهد (بنابراین فشرده می شود). اما چرا پخش کننده همچنین رانش رو به جلو را فراهم می کند؟ و همچنین چرا نازل رانش عقب را فراهم می کند؟، این غلظت مشابه نیز در اینجا نشان داده شده است که دیفیوزر با محاسبه نیروی فشار ، رانش مثبت ایجاد می کند.از درک من از مکانیک اساسی مایعات ، آیا نباید یک نازل مانند رانشگر در باغ یا یک شیلنگ آتش نشانی ، رانش به جلو ایجاد کند؟ و آیا یک پخش کننده نباید رانش عقب را فراهم کند ، زیرا سرعت خروجی از سرعت ورودی کمتر است و بنابراین m نقطه X (v - u) منفی است؟اما چرا پخش کننده همچنین رانش رو به جلو را فراهم می کند؟دیفیوزر سرعت جریان را کاهش می دهد تا کمی دیرتر اختلاط سوخت و هوا و احتراق آن کاهش یابد. اگر فقط روی سرعت ورود و خروج تمرکز کنید ، هیچ رانش دیگری وجود نخواهد داشت.
با این حال ، اگر به فشارهای وارد شده بر دیواره های پخش کننده نگاه کنید ، نتیجه متفاوتی ظاهر می شود. جریان کندتر به معنای فشار استاتیک بالاتر است و فشار کل در خروجی کمپرسور در حال حاضر بیشترین فشار در کل موتور است. فشار بر روی دیواره های پهن کننده منتشر کننده موتور را به دلیل شیب جلو بردار فشار (که عمود بر دیواره های انتشار عمل می کند) به جلو سوق می دهد.
مطمئناً اگر جریان گرم نشود و در نتیجه در پائین دست سرعت بیشتری بگیرد ، هیچ رانشی حاصل نمی شود. بنابراین پخش کننده به خودی خود محرک ایجاد نمی کند. این فقط وقتی اتفاق می افتد که درون موتور جت قرار بگیرد.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا