Fórmula de tobera convergente-divergente
ResumenVarios fenómenos de flujo, como los flujos de estela recirculante o la generación de ruido, se producen en configuraciones aerodinámicas con escalones orientados hacia atrás. En este contexto, existen toberas subsónicas con cuerpos centrales de radio constante, que permiten la investigación fundamental de estos fenómenos para \(M < 1\). Sin embargo, para el régimen supersónico, la base de datos y los conocimientos existentes son limitados. Por lo tanto, este trabajo presenta un enfoque de diseño para una tobera convergente-divergente con cuerpo central de radio constante. Para la garganta de la tobera, se modifica el método de Sauer para incluir un cuerpo central. El método de las características se utiliza para la parte supersónica posterior. La comparación de los cálculos analíticos con las simulaciones numéricas da como resultado una muy buena concordancia y, por lo tanto, subraya la viabilidad del enfoque elegido. La viscosidad redujo el número de Mach en el plano de salida entre un 1,0 y un 1,2% y, por tanto, tuvo poca influencia.
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¿Qué significa boquilla divergente?
[də′vər-jənt ′näz-əl] (ingeniería de diseño) Tobera cuya sección transversal aumenta en la dirección del flujo.
¿Cómo funciona una boquilla convergente?
Una tobera convergente es una tobera que empieza siendo grande y se va haciendo más pequeña, lo que supone una disminución del área de la sección transversal. Cuando un fluido entra en la sección transversal más pequeña, tiene que acelerar debido a la conservación de la masa. Para mantener una cantidad constante de fluido en movimiento a través de la parte restringida de la tobera, el fluido debe moverse más rápido.
¿Por qué aumenta la velocidad en la boquilla divergente?
En la parte divergente de la tobera, el volumen específico del fluido aumenta a un ritmo mayor que el área transversal a lo largo de la parte divergente. Por lo tanto, para mantener un caudal másico constante (M=A*V*densidad), la velocidad del flujo aumenta hasta alcanzar números de Mach superiores a uno.
Qué es una tobera convergente-divergente
Ahora, a velocidades subsónicas, las toberas convergentes y divergentes se comportan de forma intuitiva. Cuando el aire se mueve a través de una tobera convergente, el área disminuye, por lo que naturalmente tiene que acelerar para mantener la conservación del momento (suponiendo que no se comprima o caliente). Cuando el aire se mueve a través de una boquilla divergente, ocurre lo contrario.
Al parecer, hay un tipo de tobera que se utiliza a menudo en los motores de cohetes y reactores, llamada tobera convergente-divergente, que acelera el aire primero convergiendo para que el aire se acelere a la velocidad del sonido, y luego divergiendo, acelerándolo a velocidades supersónicas.
Un momento. ¿Así que el aire subsónico entra, y mágicamente el aire supersónico, en la misma área de sección transversal, sale? ¿Cómo es posible que esto funcione? Parece que una tobera convergente-divergente con el mismo diámetro de entrada y salida puede utilizarse como un ramjet de movimiento perpetuo. Obviamente, este no es el caso. ¿Qué me estoy perdiendo?
Imagina que estás atrapado en un atasco en una bonita autopista de 6 carriles. Resulta que más adelante han cerrado todos los carriles menos uno, así que todo el mundo tiene que incorporarse. A medida que te acercas y el número de carriles disminuye todo el mundo va un poco más rápido ya que el flujo total de coches debe ser constante. Ahora, una vez que pasas el punto más estrecho, en lugar de que todo el mundo reduzca la velocidad al volver a tener 6 carriles, ¡van más rápido!
¿Por qué es necesaria la parte divergente de la boquilla?
Las toberas divergentes ralentizan los fluidos si el flujo es subsónico, pero aceleran los fluidos sónicos o supersónicos. Por tanto, las toberas convergentes-divergentes pueden acelerar los fluidos que se han atascado en la sección convergente hasta alcanzar velocidades supersónicas.
¿Qué es el flujo supersónico?
Un campo de flujo se define como supersónico si el número de Mach es superior a 1 en cada punto. Los flujos supersónicos se caracterizan frecuentemente por la presencia de ondas de choque a través de las cuales las propiedades del flujo y las líneas de corriente cambian de forma discontinua (en contraste con las variaciones suaves y continuas de los flujos subsónicos).
¿En qué condiciones el flujo que atraviesa una tobera convergente-divergente se ahoga?
El flujo estrangulado es una condición fluidodinámica asociada al efecto venturi. Cuando un fluido que fluye a una presión y temperatura determinadas pasa a través de una constricción (como la garganta de una boquilla convergente-divergente o una válvula en una tubería) a un entorno de menor presión, la velocidad del fluido aumenta.
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En una tobera convergente se produce un aumento de la velocidad y una disminución de la presión, pero sabemos que la presión es inversamente proporcional al área. Entonces, ¿por qué en la tobera convergente disminuye la presión, aunque haya una disminución del área?
Una tobera es un pico en el extremo de una manguera o tubería que se utiliza para controlar el movimiento de un fluido como el agua o el aire. Una tobera convergente es una tobera que empieza siendo grande y se hace más pequeña, lo que supone una disminución del área de la sección transversal. A medida que el fluido entra en la sección transversal más pequeña, tiene que acelerar debido a la conservación de la masa. Para mantener una cantidad constante de fluido en movimiento a través de la parte restringida de la tobera, el fluido debe moverse más rápido.
La energía para hacer que este fluido se acelere tiene que venir de alguna parte. Parte de la energía está en el movimiento aleatorio de las moléculas, que observamos como presión. La energía de este movimiento aleatorio se convierte en un movimiento de avance más rápido, conocido como flujo de corriente. Este cambio hace que la presión disminuya.
La presión es inversamente proporcional al área, si todo lo demás permanece igual. En este caso, la energía que causa la presión se convierte en otro tipo de energía, por lo que tanto la presión como el área disminuyen.
¿Cómo funciona una boquilla convergente-divergente?
Esta configuración de tobera se denomina tobera convergente-divergente, o CD. En una tobera CD, el gas de escape caliente sale de la cámara de combustión y converge hasta la zona mínima, o garganta, de la tobera. … La velocidad de salida, la presión y el flujo de masa a través de la tobera determinan la cantidad de empuje producido por la tobera.
¿Cómo funciona una boquilla propulsora?
Una tobera de propulsión es una tobera que convierte la energía interna de un gas de trabajo en fuerza de propulsión; es la tobera, que forma un chorro, lo que separa una turbina de gas, siendo generador de gas, de un motor a reacción.
¿Cómo funcionan las boquillas variables?
Una tobera de área variable ayuda a ajustar la presión de salida de los gases de combustión a la presión ambiente. Cuando salen de la turbina, los gases de combustión tienen todavía algo de presión restante que se convierte en velocidad gracias a un contorno convergente de la tobera.
Calculadora de toberas convergentes-divergentes
Las toberas se utilizan en realidad para modificar el flujo de un fluido (es decir, aumentando la energía cinética del flujo a expensas de su presión). Las toberas de tipo convergente-divergente se utilizan sobre todo para los flujos supersónicos porque es imposible crear flujos supersónicos (número de mach superior a uno) en las toberas de tipo convergente y, por tanto, nos restringe a una cantidad limitada de flujo de masa a través de una tobera concreta. En las toberas de tipo convergente-divergente podemos aumentar la velocidad del flujo mucho más allá de la velocidad sónica por lo que este tipo de toberas tienen una amplia aplicación como toberas de propulsión en motores a reacción o en la entrada de aire para motores que trabajan a altas revoluciones.
Para números mach ≤ 0,3 consideramos que el flujo es incompresible porque la variación de la densidad es inferior al 5% y para flujos con número mach ≥ 0,3 consideramos que el flujo es compresible porque la variación de la densidad ya no se puede despreciar. Para los flujos supersónicos el aumento de la velocidad hace que la velocidad del flujo aumente . Por lo tanto, para nuestro caso, es decir, flujos supersónicos, haremos todos los cálculos considerando sólo el flujo compresible.