چرا نازل های اگزوز این شکلی هستند

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1651

سپاس: 3161

جنسیت:

تماس:

چرا نازل های اگزوز این شکلی هستند

پست توسط rohamjpl »

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
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
آخرین ویرایش توسط rohamjpl شنبه ۱۴۰۱/۳/۲۱ - ۰۷:۵۹, ویرایش شده کلا 6 بار
تصویر

نمایه کاربر
assarzadeh

نام: امیر عصارزاده

عضویت : جمعه ۱۳۹۳/۱۰/۱۲ - ۲۱:۱۹


پست: 151

سپاس: 82

جنسیت:

تماس:

Re: چرا نازل های اگزوز در فضا به شکلی هستند که هستند؟

پست توسط assarzadeh »

رهام؛ مطمئنم تو حتی خودتم متوجه نشدی عنوان جستارت یعنی چی smile151

نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1651

سپاس: 3161

جنسیت:

تماس:

Re: چرا نازل های اگزوز در فضا این شکلی هستند

پست توسط rohamjpl »

شکل نازل De Laval نامیده می شود. نازل باید اگزوز را از فشار محفظه به فشار محیط گسترش دهد تا سرعت و کارایی اگزوز را به حداکثر برساند. نازلی که برای انبساط به خلاء فضا بهینه شده است.شکل زنگ یا کانتور به گونه ای طراحی شده است که انبساط زاویه زیادی را برای گازها درست بعد از گلو ایجاد کند. سپس نازل به سمت داخل خمیده می شود تا یک جریان تقریبا مستقیم گاز از دهانه نازل خارج شود. کانتور استفاده شده نسبتاً پیچیده است. بخش بزرگ انبساط نزدیک گلو باعث ایجاد امواج ضربه ای انبساط می شود.
اجازه دهید فقط روی دو عبارت تمرکز کنیم: فشار محیط (Pa) و فشار خروجی اگزوز (Pe). حداکثر راندمان (یعنی حداکثر رانش) زمانی به دست می آید که Pa = Pe. برای موشک هایی که از زمین به مدار می روند، طراحی نازل ساده تنها در یک ارتفاع بهینه است (از آنجایی که Pa با ارتفاع کاهش می یابد).
مورد (الف): در سطح دریا، Pa > Pe به آن "بیش از حد منبسط شده" گفته می شود که کارایی را کاهش می دهد.
حالت (ب): در ارتفاع بهینه، Pa = Pe به این "انبساط بهینه" گفته می شود که حداکثر کارایی را ارائه می دهد.
حالت (c): در ارتفاع بالاتر، Pa <Pe به آن تحت انبساط گفته می شود که باعث کاهش راندمان می شود.
موشک ها با گرفتن یک گاز فشار بالا با مولکول هایی که در همه جهات حرکت می کنند و این فشار را به جریانی با سرعت بالا در یک جهت بسیار خاص تبدیل می کنند، کار می کنند و اگر همه چیز به آرامی پیش برود، جهت جریان دقیقاً خلاف جهت موشک است. اشاره می کند…
فشار محفظه
این میزان فشاری است که به هر اینچ مربع از محفظه احتراق وارد می شود. برای تبدیل این فشار، مهندسان چیزی به نام نازل همگرا-واگرا یا نازل de Laval ایجاد کردند که مولکول های گاز فشار بالا را که در همه جهات حرکت می کنند به گازی با سرعت بالا تبدیل می کند ک در یک جهت حرکت می کند.
نه فقط هر سیال دینامیک قدیمی بلکه چیزهای فوق‌العاده‌ای که در آن همه چیز به عقب و وارونه می‌شود، زیرا می‌خواهیم از یک گاز داغ فشار بالا مافوق صوت به یک گاز مافوق صوت تبدیل شویم. گاز کولر کم فشار بنابراین اگر محفظه احتراق ما فقط لوله ای باشد که از انژکتور خارج می شود، در نهایت مقداری گاز داغ به سرعت خارج می شود، اما نه مافوق صوت. و یادآوری جالب اینجا در مورد موتورهای موشک و راندمان موتور موشک، هرچه گاز خروجی سریعتر خارج شود، بهتر است.
به منظور تسریع حرکت گاز در یک لوله، در واقع می توانیم اندازه لوله را کوچک کنیم. همان مقدار جرم از این ناحیه کوچکتر عبور می کند و برای این کار باید سرعت بیشتری داشته باشد.من فکر می کنم بهترین مثال برای این یک شلنگ قدیمی باغبانی است. آن را روشن کنید و انگشت شست خود را روی انتهای شلنگ قرار دهید. با نادیده گرفتن چند تلفات احتمالی، بدون توجه به اینکه انگشت شست شما انتهای آن را می پوشاند یا خیر، همان مقدار آب از طریق شلنگ جریان می یابد. تنها چیزی که تغییر می کند این است که آب باید سرعت خود را افزایش دهد تا همان حجم آب را از یک سوراخ کوچکتر عبور دهد. انگشت شست خود را بردارید و سرعت آب کاهش می یابد، اما هر دو روش یک سطل را در مدت زمان یکسانی پر می کنند. یکی از آنها بسیار پرشورتر از دیگری خواهد بود.
بنابراین همین مورد برای عبور گاز از لوله نیز صدق می کند. ما می توانیم لوله را تا زمانی که به نقطه ای برسیم که گاز با سرعت صوتی یا با سرعت محلی صوت حرکت می کند ادامه دهیم. من سرعت محلی صوت را می گویم زیرا سرعت صوت با جذر دما بالا می رود و چون دما در موتورهای موشک واقعاً بالا است، سرعت صدا در گلو می تواند 5 تا 10 برابر دمای اتاق در دریا باشد. مرحله!
هنگامی که گاز خروجی با سرعت صوت حرکت می کند، دیگر نمی توانیم لوله را کوچک کنیم زیرا اینجاست که همه چیز به معنای واقعی کلمه به عقب برمی گردد. هنگامی که گاز با سرعت صوت حرکت می کند، اگر دیگر لوله را منقبض کنید، به سادگی آن را خفه می کنید. بنابراین از این نقطه به بعد، مهندسان نازل را به شکلی عالی طراحی می کنند که انرژی حرارتی را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. همانطور که دیواره نازل پهن تر می شود، در واقع گاز را تسریع می کند و فشار و دما کاهش می یابد.
راندمان نازل توسعه موتور موشک
اگر نازل را به اندازه کافی بزرگ کنید، به نقطه ای خواهید رسید که اگزوز در واقع همان فشار هوای محیط بیرون است، یا در مورد سطح دریا، فشار 1 بار. برای من واقعاً شگفت‌انگیز است که می‌توانیم در چنین فاصله نسبتاً کوتاهی از صدها بار فشار به کمتر از یک بار برسیم. و همچنین عجیب است که حتی اگر گاز با سرعت های باورنکردنی حرکت می کند، فشار اگزوز می تواند واقعاً پایین بیاید. و هر چه فشار کمتری بتوانیم گاز خروجی را دریافت کنیم، فشار بالا را به سرعت گاز بالا تبدیل خواهیم کرد که مطلوب است.
اما همانطور که موشک در ارتفاع بالا می رود، فشار هوای محیط خارج از موشک کاهش می یابد ... بنابراین فشار در انتهای نازل بیشتر و بیشتر از فشار محیط می شود. هنگامی که موشک در خلاء فضا قرار گرفت، می‌توانید ستون‌های آنها را ببینید که در همه جهات منبسط می‌شوند. به همین دلیل است که نازل های بهینه سازی شده با خلاء بسیار بزرگ هستند. نمونه کامل این موتور مرلین اسپیس ایکس است که دارای محفظه احتراق یکسان بین نسخه سطح دریا و نسخه خلاء است.نسخه سطح دریا با نازل سطح دریا آن به اندازه‌ای کوچک است که SpaceX می‌تواند 9 عدد از آن‌ها را در اطراف فالکون 9 با عرض 3.7 متر قرار دهد. اما موتور وکیوم مرحله بالایی فقط یک موتور دارد زیرا نازل نازل خلاء حدود 3 متر عرض دارد! فقط به این نگاه کنید که چقدر به خوبی در داخل فالکون 9 قرار می گیرد. می توانید با نگاه کردن به اگزوز که از نازل خارج می شود، متوجه شوید که آیا نازل برای ارتفاعی که در آن قرار دارد مناسب است یا خیر. نازلی که کاملاً با اتمسفر مطابقت دارد، خروجی اگزوز را مستقیماً در یک ستون کاملاً منبسط خواهد داشت.
موتور وکیوم فالکون 9
اگر نازل نسبت به ارتفاع بیش از حد کوچک باشد، به آن کم انبساط گفته می شود و به محض خروج از نازل می توانید مشاهده کنید که اگزوز عریض تر می شود. اگر اصلاً اگزوز از موشک دور می‌شود، این انرژی به معنای واقعی کلمه صرف شده و از طرفین خارج می‌شود. شما می خواهید اگزوز تا حد امکان مستقیم حرکت کند. باز هم، شما می توانید به راحتی این را در مراحل اولیه موشک ها مشاهده کنید، همانطور که موشک در ارتفاع بالا می رود، ستون اگزوز موتور آن گسترده تر و گسترده تر می شود.
نازل نازل موشک گشاد نشده
در سطح دریا، نازل‌ها تقریباً همیشه خیلی بزرگ هستند و به این می‌گویند بیش از حد منبسط شده است. زمانی که نازل موشک بیش از حد منبسط می‌شود، می‌توانید تشخیص دهید که اگزوز هنگام خروج از نازل توسط هوای محیط فشرده‌تر می‌شود و حتی با افزایش فشار و سپس منبسط شدن، امواج ضربه‌ای به نام الماس ماخ تشکیل می‌دهد. بنابراین ممکن است فکر کنید، چرا آنها فقط از نازل‌های بهینه‌سازی خلاء در سطح دریا استفاده نمی‌کنند، زیرا موشک‌ها فقط چند ثانیه اول خود را در سطح دریا می‌گذرانند، فشار هوای محیط به نصف فقط حدود 5000 متر کاهش می‌یابد و بیشتر وقت خود را در خلاء فضا؟اما به یاد داشته باشید، هرچه فشار خروجی نازل از فشار محیط دورتر باشد، کارایی آن کمتر است. بنابراین یک موتور سطح دریا در خلاء ناکارآمد است و یک موتور خلاء در سطح دریا ناکارآمد است، اما در واقع یک دلیل دیگر، حتی بزرگتر وجود دارد که چرا معمولاً نمی توانید از موتور خلاء در سطح دریا استفاده کنید، زیرا احتمالاً نازل به دلیل شکستن چیزی به نام جداسازی جریان
اینجا جایی است که هوای محیط در برابر جریان اگزوز فشرده می شود و در واقع به سمت نازل بالا می رود و این کار را به قدری انجام می دهد که می تواند امواج ضربه ای و افزایش ناگهانی فشار به نام جداسازی جریان ایجاد کند که به احتمال زیاد به نازل آسیب می رساند. قبل از جداسازی جریان، یک نازل واقعاً می تواند تا حدود 40 درصد بیش از حد منبسط شود.
گسترش بیش از حد جداسازی جریان
خوب، مگر اینکه به موتورهای اصلی شاتل فضایی نگاه کنید، RS-25 که از یک ترفند منحصربه‌فرد برای پیچاندن دیواره‌های نازل استفاده می‌کرد که به آنها اجازه می‌داد تا حدود 14 درصد بیش از حد منبسط شوند، بدون جداسازی جریان. این باعث شد که آنها در طول 8 و نیم دقیقه صعود کارآمدتر شوند، زیرا آنها از سطح دریا شلیک کردند و تا پایان مسیر در مدار دویدند. و با توجه به زمان کمی که در سطح دریا صرف می شود، به حداکثر رساندن طراحی نازل برای خلاء فضا قطعاً چیز خوبی بود.
نازل موشک بیش از حد منبسط شده
اما هنوز هم عجیب است که فکر کنیم فقط هوای قدیمی معمولی در سطح دریا می تواند فشار بالاتری داشته باشد و در واقع اگزوز موشک را فشرده کند. اما فشار در نوک نازل در واقع بسیار کم است، فقط بسیار بسیار سریع حرکت می کند.
اما حتی اگر یک نازل خلاء بزرگ مانند وکیوم Merlin 1D دارید، باز هم برای خلاء فضا بسیار کوچک است. اگر قرار بود با فشار خلاء محیطی مطابقت داشته باشد، نازل باید بی نهایت طولانی باشد... و از آنجایی که به نظر نمی رسد خیلی سبک باشد یا در داخل جهان ما جا بیفتد، مهندسان محیط شادی را بین بسته بندی، جرم و ... پیدا می کنند. کارایی.
اصطلاح بزرگی گلوی محفظه احتراق در مقایسه با خروجی زنگ به عنوان نسبت انبساط شناخته می شود. این نسبت بین ناحیه گلو به ناحیه خروجی نازل است.
به موتور Merlin SpaceX نگاه کنید که قطر محفظه و گلو یکسانی دارد، اما نازل های متفاوتی دارد. مرلین سطح دریا دارای نازلی به عرض 0.91 متر (36 اینچ) است در حالی که موتور وکیوم مرلین دارای نازل 2.89 متری (114 اینچ) است. از آنجایی که هر دو موتور دارای گلوی یکسان 226 میلی متری (8.9 اینچ) هستند، این بدان معناست که سطح دریا مرلین نسبت انبساط 16:1 دارد در حالی که موتور وکیوم مرلین دارای نسبت انبساط 164:1 است.
نسبت انبساط موتور مرلین اسپیس ایکس
من فکر می‌کنم که ما تمایل داریم به نازل موتور موشک نگاه کنیم و «به آن موتور موشک عظیم نگاه کنیم در حالی که واقعاً بی‌اهمیت‌ترین قطعه موتور را می‌بینیم. در واقع، بسیاری از موشک‌هایی که در نمایش می‌بینیم فاقد موتور یا توربوپمپ واقعی هستند و فقط نازل‌های ساختگی دارند. اندازه نهایی نازل فقط به نسبت انبساط موتور مربوط می شود و لزوماً مطابق با آن نیست. خروجی موتور
مثل این است که به چرخ‌های ماشین اشاره کنید و بگویید "به آن موتور نگاه کن!" زیرا درست مانند نحوه انتقال چرخ‌های ماشین انرژی موتور را به جاده، نازل نیز انرژی موتور موشک را به نیروی رانش قابل کار تبدیل می‌کند..hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
تصویر

nader23

عضویت : سه‌شنبه ۱۴۰۰/۷/۲۰ - ۰۹:۰۳


پست: 2



جنسیت:

تماس:

Re: چرا نازل های اگزوز این شکلی هستند

پست توسط nader23 »

خیلی کامل بود لذت بردم.ممنون

ارسال پست