Bagaimana cara mengetahui apakah alirannya supersonik dalam nosel?

Untuk proyek saya telah membangun nosel divergen konvergen yang dirancang untuk nomor Mach = 3. Dalam proyek itu, saya bisa tahu aliran telah berubah supersonik dengan melihat manometer tetap di antara tenggorokan dan bagian yang berbeda (penurunan tekanan, sebagai bagian yang berbeda bertindak seperti nosel untuk aliran supersonik).

Namun, ini membuat saya berpikir, Jika saya membangun nozzle untuk tujuan propulsi (atau tujuan praktis apa pun), tidak diinginkan untuk memiliki lubang di dalamnya untuk manometer untuk menjaga kekuatan seragam. Perhitungan teoritis saya memberi tahu saya bahwa aliran harus supersonik dan tidak ada kejutan di nozzle, tetapi saat membangun, permukaan selesai, toleransi geometris dan tekanan suplai mungkin tidak seperti yang saya harapkan. Kalau begitu, bagaimana saya tahu kalau alirannya sudah supersonik?

Saya berpikir tentang cara-cara berikut. Sejauh ini saya belum mencoba satupun.

Menggunakan tabung Pitot mungkin tidak berguna karena akan ada kejutan busur di depan tabung jika dalam kasus aliran memang supersonik (seperti yang ditunjukkan pada gambar), yang akan meningkatkan tekanan total. Kita dapat menggunakan rumus tabung pitot Reyleigh , tetapi bagaimana menghitung tekanan aliran bebas statis tanpa mempengaruhi aliran / nozzle?
Schlieren Photography : Jika kita melihat guncangan miring / berlian kejut, maka kesimpulannya adalah: 'flow is supersonic'. Ini hanya akan berfungsi bila fitur kejutnya sangat jelas.

— Subodh
sumber

Saya pikir akan baik-baik saja untuk menanyakan 2 bagian dari pertanyaan ini sebagai pertanyaan terpisah. Dalam hal penjawab hanya tahu jawaban untuk satu bagian.

— berangkat kerja

Counterargument: keduanya cukup terjalin, dan penjawab yang tahu satu sangat mungkin untuk memiliki jawaban yang lain. Saya memilih.

— Rick mendukung Monica

@ GeorgeHerold Pada masalah pertama, mengukur massa tidak bekerja dengan baik karena fluida kompresibel, jadi menyiapkan volume kontrol bukanlah masalah sepele. Pada tabung pitot, ini bukan masalah ukuran, itu adalah fisika aktual di baliknya. Sebuah tabung pitot membuat aliran berhenti, dan agar aliran supersonik berhenti, ia melewati gelombang kejut terlebih dahulu, yang mencegah apa pun dari sebelum gelombang kejut diukur secara wajar setelahnya.

— Trevor Archibald

Subodh, apakah Anda bersedia mengedit pertanyaan ini untuk fokus pada Bagian A dan mengajukan pertanyaan baru tentang Bagian B? Anda dapat menautkan ini dari pertanyaan Bagian B. Siapa pun yang memiliki pendapat tentang hal ini dapat bergabung dengan diskusi dalam obrolan utama , mulai dari sini .

— Paul Gessler

Tentu !, saya akan membuat bagian B pertanyaan baru .

— Subodh

Jawaban:

Dari keterlibatan singkat saya dalam guncangan, saya pikir solusi yang paling mungkin adalah untuk gambar knalpot, mungkin secara optik, tetapi mungkin menggunakan interferometri atau sesuatu tergantung pada apa knalpot itu. Indikasi yang paling jelas bahwa Anda memiliki aliran supersonik adalah jika Anda dapat melihat berlian kejut . Saya pikir Anda mungkin juga bisa mengatasinya dari panjang knalpot tetapi saya tidak ingat caranya.

Atau Anda juga bisa melihat dorongan yang dihasilkan. Anda harus dapat menghitung dorongan yang diharapkan. Ini adalah apa yang mereka lakukan ketika menguji roket / mesin jet karena mereka tidak benar-benar peduli jika alirannya supersonik, hanya saja itu menghasilkan tenaga yang cukup.

Cara sederhana untuk pipa adalah mengukur aliran keluar. Itu pipa jadi aliran harus konstan. Namun, dalam praktiknya saya mencurigai pipa panjang juga memiliki palka / area inspeksi di mana mereka mengukur aliran untuk memeriksa kebocoran / kesalahan.

— nivag
sumber

Silakan pindahkan bagian pipa dari jawaban Anda ke pertanyaan baru Subodh di engineering.stackexchange.com/questions/303/…

— dcorking

Itu adalah eksperimen pikiran yang sangat bagus! Secara umum saya berpendapat bahwa Anda hanya perlu tahu:

$p_t$
$p_\infty$

$M=1$

\frac{{hal}_{\infty}}{{hal}_{t}} \leq 0,528, dengan asumsi dua atom-gas dengan γ = 1.4 di \frac{{hal}^{*}}{{hal}_{t}} = {(\frac{2}{γ + 1})}^{γ / (γ - 1)}

$\frac{p_\infty}{p_t}\leq 0.528 \quad, \text{assuming two-atomic-gas with } \gamma=1.4 \text{ in } \frac{p^*}{p_t}=\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\gamma/(\gamma-1)}$

Melihat persamaan untuk aliran kompresif 1D yang stabil hanya ada satu solusi sehingga satu-satunya cara agar aliran tidak mencapai kecepatan sonik adalah kehilangan tekanan total yang besar sehingga rasio kritis tidak pernah tercapai.

Sejauh menyangkut dorong jawaban untuk pertanyaan Anda sedikit lebih rumit karena set-up yang berbeda (over / under diperluas) atau geometri (misalnya dual-bell).

Sejauh menyangkut pengukuran Anda mungkin ingin melihat pada sistem pengukuran kecepatan udara akustik.

— aturan30
sumber

Jika Anda masih mencari jawaban,

Anda dapat mempertahankan irisan yang dirancang dengan baik, dengan lubang statis pada permukaan irisan, delapan 1. permukaan irisan sejajar dengan sumbu aliran atau 2. garis simetris yang selaras dengan sumbu aliran. Anda akan mendapatkan tekanan pitot dari Raleigh pitot-tube.

$\theta$ $P_0$ $P_{\infty}$ $\beta$ $M$

— mustang
sumber