Como saber se o fluxo é supersônico em um bico?

Para um projeto, eu construí um bico divergente convergente projetado para o número Mach = 3. Nesse projeto, eu poderia saber que o fluxo ficou supersônico ao ver o manômetro fixo entre a garganta e a seção divergente (queda de pressão, como a seção divergente). age como um bico para o fluxo supersônico).

No entanto, isso me fez pensar: se devo construir um bico para a finalidade de propulsão (ou qualquer outra finalidade prática), não é desejável ter orifícios para o manômetro, a fim de manter a força uniforme. Meus cálculos teóricos me dizem que o fluxo deve ser supersônico e sem choque no bico, mas durante a construção, o acabamento da superfície, as tolerâncias geométricas e a pressão de suprimento podem não ser o que eu espero. Nesse caso, como sei se o fluxo ficou supersônico?

Eu pensei em seguir os caminhos. Até agora, eu não tentei nenhum deles.

O uso de um tubo de Pitot pode não ser útil, pois haverá um choque na frente do tubo, se o fluxo for realmente supersônico (como mostrado na figura), o que aumentará a pressão total. Podemos usar a fórmula do tubo de Reyleigh pitot , mas como calcular a pressão estática do fluxo livre sem afetar o fluxo / bico?
Fotografia Schlieren : Se observarmos choques oblíquos / diamantes de choque, a inferência será: 'o fluxo é supersônico'. Isso funcionará apenas quando os recursos de choque forem super claros.

— Subodh
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Eu acho que seria bom fazer as duas partes desta pergunta como perguntas separadas. Caso um atendedor saiba apenas a resposta para uma parte.

— precisa saber é o seguinte

Contra-argumento: os dois estão bastante entrelaçados, e um respondente que sabe que um provavelmente tem uma resposta para o outro. Eu votei.

— Rick suporta Monica

@GeorgeHerold Na primeira questão, medir a massa não funciona bem porque o fluido é compressível, portanto, configurar um volume de controle não é uma questão trivial. No tubo pitot, não é uma questão de tamanho, é a física real por trás dele. Um tubo pitot interrompe o fluxo e, para que o fluxo supersônico pare, ele passa por uma onda de choque primeiro, o que impede que qualquer coisa anterior à onda de choque seja razoavelmente medida após ela.

— Trevor Archibald

Subodh, você gostaria de editar esta pergunta para focar na Parte A e fazer uma nova pergunta sobre a Parte B? Você pode vincular a este a partir da pergunta da parte B. Qualquer pessoa com opinião sobre isso pode participar da discussão no chat principal , começando aqui .

— Paul Gessler

Claro !, farei da parte B uma nova pergunta .

— Subodh 27/01

Respostas:

Do meu breve envolvimento em choques, acho que a solução mais provável seria imaginar a saída do escapamento, provavelmente opticamente, mas talvez usando interferometria ou algo dependendo do que é o escapamento. A indicação mais óbvia de que você tem fluxo supersônico é se você pode ver um diamante de choque . Eu acho que você provavelmente também poderia trabalhar com isso desde a exaustão, mas não me lembro como.

Como alternativa, você também pode observar o impulso gerado. Você deve poder calcular o impulso esperado. É isso que eles fazem ao testar foguetes / motores a jato, pois na verdade não se importam se o fluxo é supersônico, apenas que gera energia suficiente.

A maneira mais simples para os tubos é apenas medir o fluxo de saída. É um tubo, então o fluxo deve ser constante. No entanto, na prática, suspeito que os tubos longos também tenham escotilhas / áreas de inspeção regulares, onde medem o fluxo de alguma forma para verificar vazamentos / falhas.

— nivag
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Mova a seção de pipe da sua resposta para a nova pergunta do Subodh em engineering.stackexchange.com/questions/303/…

— dcorking

Esse é um experimento muito bom! Em geral, eu argumentaria que você só precisa saber:

$p_t$
$p_\infty$

$M=1$

\frac{p_{\infty}}{p_{t}} \leq 0,528, assumindo gás atômico com γ = 1.4 em \frac{p^{*}}{p_{t}} = {(\frac{2}{γ + 1})}^{γ / (γ - 1)}

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

Olhando para as equações do fluxo compressível constante 1D, existe apenas uma solução; portanto, a única maneira de o fluxo não atingir a velocidade sônica seria uma grande perda total de pressão, para que a taxa crítica nunca seja alcançada.

No que diz respeito ao empuxo, a resposta à sua pergunta é um pouco mais complicada, pois diferentes configurações (acima / abaixo expandida) ou geometrias (por exemplo, campainha dupla).

No que diz respeito à medição, você pode querer dar uma olhada nos sistemas de medição de velocidade do ar acústico.

— rul30
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Se você ainda está procurando resposta,

Você pode manter uma cunha bem projetada, com orifícios estáticos na superfície da cunha, mais oito 1. a superfície da cunha está alinhada com o eixo de fluxo ou 2. a linha simétrica alinhada com o eixo de fluxo. você terá pressão pitot do tubo pitot de Raleigh.

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

— mustang
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