Seuraa 
Viestejä1

töissä minulle annettiin reiän halkaisija 7,5 mm ja paine 6 bar

pystynkö näillä arvoilla laskemaan tilavuusvirran reiästä virtaavalle ilmamäärälle

oletan että kyseessä on putki/letku jonka päästä ilma virtaa vapaasti ulos

- SG

Sivut

Kommentit (40)

o_turunen
Seuraa 
Viestejä14900

Tuolla painesuhteella virtausnopeus suuttimessa on periaatteessa äänen nopeus. Siitä saa selville massavirran.

Jostain insinöörin käsikirjasta voi etsiä korjauskertoimia erilaisille suuttimille.

Korant: Oikea fysiikka on oikeampaa kuin sinun klassinen mekaniikkasi. Jos olet eri mieltä kanssani olet ilman muuta väärässä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla
Sisältö jatkuu mainoksen alla
Diam
Seuraa 
Viestejä2632

Jos kaasuvirtaus oletetaan adiabaattiseksi, kokoonpuristumattomuusoletus voidaan tehdä aina, kun virtausnopeus on riittävän pieni, käytännössä noin 0,3 kertaa äänen nopeus tai pienempi. Tyypillisessä ilmakehän paineessa ja lämpötilassa tämä vastaa noin 100m/s nopeutta.

 

Mikäli virtaus on puristumatonta (Machin luku on pieni), niin voidaan käyttää Bernoullin yhtälöä

Mies kysyi kaiulta: Ostanko Nuhvin vai Majorin? ja kaiku vastasi: VAI MAJORIN!

CE-hyväksytty
Seuraa 
Viestejä29006

Ilman kokoonpuristuvuus vaikuttaa siihen paljonko ilmamäärä on siellä kuudessa baarissa. Sen takia bernoullin yhtälöstä johdetuilla tavoilla laskien tilavuuden laskeminen menee metsään.

 

o_turunen
Seuraa 
Viestejä14900

Jos ennen suutinta vaikuttavan paineen suhde ulkoilman paineeseen ylittää jotain 1,7, niin virtauksen nopeus suuttimen kurkussa on äänen nopeus (Mach 1). Riippuu sitten suuttimesta, miten nopeus muuttuu kurkun jälkeen. DeLaval-suuttimessa se voi nousta moninkertaiseksi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle

"Increasing the nozzle pressure ratio further will not increase the throat Mach number above one. Downstream (i.e. external to the nozzle) the flow is free to expand to supersonic velocities"

Jos lähtöpaine on esimerkiksi 6 bar, niin ulkoilmaan puhallettuna tuo kriteeri ylittyy kirkkasti.

 

Korant: Oikea fysiikka on oikeampaa kuin sinun klassinen mekaniikkasi. Jos olet eri mieltä kanssani olet ilman muuta väärässä.

JPI
Seuraa 
Viestejä26804
o_turunen

Jos ennen suutinta vaikuttavan paineen suhde ulkoilman paineeseen ylittää jotain 1,7, niin virtauksen nopeus suuttimen kurkussa on äänen nopeus (Mach 1). Riippuu sitten suuttimesta, miten nopeus muuttuu kurkun jälkeen. DeLaval-suuttimessa se voi nousta moninkertaiseksi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle

"Increasing the nozzle pressure ratio further will not increase the throat Mach number above one. Downstream (i.e. external to the nozzle) the flow is free to expand to supersonic velocities"

Jos lähtöpaine on esimerkiksi 6 bar, niin ulkoilmaan puhallettuna tuo kriteeri ylittyy kirkkasti.

Jos rakettimoottorissa ei polttokammion ja "kurkun" (throat) jälkeen olisi leviävää suutinta, niin kuinka paljon tyypillisesti menetettäisiiin työntövoimasta verrattuna tilanteeseen ko. suuttimen kanssa?

3³+4³+5³=6³

Diam
Seuraa 
Viestejä2632

Nopeus on vain 6-7 m/s reiässä. isentrooppinen ja adiabaattinen prosessi.

Mies kysyi kaiulta: Ostanko Nuhvin vai Majorin? ja kaiku vastasi: VAI MAJORIN!

Kontra
Seuraa 
Viestejä981
o_turunen

Jos ennen suutinta vaikuttavan paineen suhde ulkoilman paineeseen ylittää jotain 1,7, niin virtauksen nopeus suuttimen kurkussa on äänen nopeus (Mach 1). Riippuu sitten suuttimesta, miten nopeus muuttuu kurkun jälkeen. DeLaval-suuttimessa se voi nousta moninkertaiseksi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle

"Increasing the nozzle pressure ratio further will not increase the throat Mach number above one. Downstream (i.e. external to the nozzle) the flow is free to expand to supersonic velocities"

Jos lähtöpaine on esimerkiksi 6 bar, niin ulkoilmaan puhallettuna tuo kriteeri ylittyy kirkkasti.

Olen nähnyt kuinka kuorma-auton renkaasta päästettäessä ilmat pihalle (6 -7 bar), venttiliputken päähän muodostuu jääkerros. Jääkerros putken sisällä pienensi reikää, mutta ei se sitä kokonaan tukkinut. Miten jäätä muodostuu, riippuu siis suuttimen rakenteesta ja siitä, kauanko ilmaa vuodatetaan, ja myös lämpötilaerosta paineistetun ilman ja ulkoilman välillä. Minkälaisesta tapauksesta tässä lieneekään kyse, mutta tämäkin ilmiö voi olla huomionarvoinen. 

(Ilmiöhän selittyy maalaisjärjellä niin, että kun ilman paine laskee, sen tiheys laskee, jolloin sen lämpötila laskee, ja kosteus joka ilmassa on, tiivistyy ja jäätyy. Voidaan myös sanoa, että paineen  muuttuessa virtaukseksi, sen lämpötila laskee.)

Tuosta Laval-suuttimesta. Pieni miehittämätön lentokone (> 4m) Falcon HTV-2 on saavuttanut nopeuden Mach 22 (21000 km/h) ilmakehän yläkerroksissa.  

Kontra
Seuraa 
Viestejä981
JPI
o_turunen

Jos ennen suutinta vaikuttavan paineen suhde ulkoilman paineeseen ylittää jotain 1,7, niin virtauksen nopeus suuttimen kurkussa on äänen nopeus (Mach 1). Riippuu sitten suuttimesta, miten nopeus muuttuu kurkun jälkeen. DeLaval-suuttimessa se voi nousta moninkertaiseksi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle

"Increasing the nozzle pressure ratio further will not increase the throat Mach number above one. Downstream (i.e. external to the nozzle) the flow is free to expand to supersonic velocities"

Jos lähtöpaine on esimerkiksi 6 bar, niin ulkoilmaan puhallettuna tuo kriteeri ylittyy kirkkasti.

Jos rakettimoottorissa ei polttokammion ja "kurkun" (throat) jälkeen olisi leviävää suutinta, niin kuinka paljon tyypillisesti menetettäisiiin työntövoimasta verrattuna tilanteeseen ko. suuttimen kanssa?

Purkauskaasun nopeus ei voisi nousta suuremmaksi kuin äänen nopeus sen lämpötilaisessa kaasussa. Työntövoima laskee suhteessa purkauskaasun nopeuteen, koska työntövoima on massavirta x suihkun nopeus, eli F = (m/t) x v . 

No nyt pitäsi vaan tietää suihkun lämpötila ja Laval-suihkun nopeus.

Palokaasun lämpötilahan putoaa reilusti kun sen paine muuttuu nopeudeksi. Lieneekö lämpötila 500 Celsiuksen korvilla? Äänen nopeus 500-asteisessa kaasussa on noin 540 m/s.

Raketin Laval-suihkun nopeushan on jotain alle ja yli 4000 m/s polttoaineesta riippuen.

Jos tuo kaasun lämpötila olisi esim 500 astetta, työntövoimasuhde olisi siis noin 7,5 kertainen.

Tämä laskelma voi heittää hyvinkin paljon, kun purkauskaasun lämpötila ei ole tiedossa, mutta googlaamallla käyttökelpoiset arvot varmaan löytyvät.

Äänen nopeus kuumassa kaasussa on c (T) = 19,5 √ T m/s, T [ºK].

 

 

JPI
Seuraa 
Viestejä26804
Kontra
JPI
o_turunen

Jos ennen suutinta vaikuttavan paineen suhde ulkoilman paineeseen ylittää jotain 1,7, niin virtauksen nopeus suuttimen kurkussa on äänen nopeus (Mach 1). Riippuu sitten suuttimesta, miten nopeus muuttuu kurkun jälkeen. DeLaval-suuttimessa se voi nousta moninkertaiseksi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle

"Increasing the nozzle pressure ratio further will not increase the throat Mach number above one. Downstream (i.e. external to the nozzle) the flow is free to expand to supersonic velocities"

Jos lähtöpaine on esimerkiksi 6 bar, niin ulkoilmaan puhallettuna tuo kriteeri ylittyy kirkkasti.

Jos rakettimoottorissa ei polttokammion ja "kurkun" (throat) jälkeen olisi leviävää suutinta, niin kuinka paljon tyypillisesti menetettäisiiin työntövoimasta verrattuna tilanteeseen ko. suuttimen kanssa?

Purkauskaasun nopeus ei voisi nousta suuremmaksi kuin äänen nopeus sen lämpötilaisessa kaasussa. Työntövoima laskee suhteessa purkauskaasun nopeuteen, koska työntövoima on massavirta x suihkun nopeus, eli F = (m/t) x v . 

No nyt pitäsi vaan tietää suihkun lämpötila ja Laval-suihkun nopeus.

Palokaasun lämpötilahan putoaa reilusti kun sen paine muuttuu nopeudeksi. Lieneekö lämpötila 500 Celsiuksen korvilla? Äänen nopeus 500-asteisessa kaasussa on noin 540 m/s.

Raketin Laval-suihkun nopeushan on jotain alle ja yli 4000 m/s polttoaineesta riippuen.

Jos tuo kaasun lämpötila olisi esim 500 astetta, työntövoimasuhde olisi siis noin 7,5 kertainen.

Tämä laskelma voi heittää hyvinkin paljon, kun purkauskaasun lämpötila ei ole tiedossa, mutta googlaamallla käyttökelpoiset arvot varmaan löytyvät.

Äänen nopeus kuumassa kaasussa on c (T) = 19,5 √ T m/s, T [ºK].

No joo, tuolla tavalla asian voisi laskea. Toisaalta kaasun nopeus on siinä moottorin kapeassa kohdassa äänen nopeus, jolloin täytyy tietää senkin arvo vallitsevan lämpötilan (ja myös paineenkin) funktiona.

No, tässä esimerkki moottorista RD-170. Paine polttokammiossa 250 bar, throat diameter 0.2355 m, työntövoima (merenpinnan tasolla) noin 7,400,000N/4 =  1,850,000N. Nyt työntövoima ilman suutinta voidaan laskea myöskin tuosta kurkun alasta ja polttokammion paineesta: F= A_throat*P_chamber =1,009,000 N, joten suuttimen kanssa työntövoima on 1,850,000N/1,009,000N = noin 1.7 kertainen. Toisaalta tuo RD-170:n polttokammiopaine on ennätys korkea, vastaavia paineita ei muissa kuin RD-sarjan moottoreissa yleensä löydy.

P.S. Lämpötila polttokammiossa on 3676 K, suuttimesta irtoavan kaasun lämpötilaa ei kerrota lähteessäni. Suihku nopeus suuttimesta irrotessa (tai oikeastaan efektiivinen suhikunnopeus) on noin 3030m/s.

Edit: laskin vahingossa pinta-alan kaavalla pi*halkaisija^2 ja turasin muutakin, heh. Korjattu on.

3³+4³+5³=6³

Kontra
Seuraa 
Viestejä981
JPI
Kontra
JPI
o_turunen

Jos ennen suutinta vaikuttavan paineen suhde ulkoilman paineeseen ylittää jotain 1,7, niin virtauksen nopeus suuttimen kurkussa on äänen nopeus (Mach 1). Riippuu sitten suuttimesta, miten nopeus muuttuu kurkun jälkeen. DeLaval-suuttimessa se voi nousta moninkertaiseksi.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nozzle

"Increasing the nozzle pressure ratio further will not increase the throat Mach number above one. Downstream (i.e. external to the nozzle) the flow is free to expand to supersonic velocities"

Jos lähtöpaine on esimerkiksi 6 bar, niin ulkoilmaan puhallettuna tuo kriteeri ylittyy kirkkasti.

Jos rakettimoottorissa ei polttokammion ja "kurkun" (throat) jälkeen olisi leviävää suutinta, niin kuinka paljon tyypillisesti menetettäisiiin työntövoimasta verrattuna tilanteeseen ko. suuttimen kanssa?

Purkauskaasun nopeus ei voisi nousta suuremmaksi kuin äänen nopeus sen lämpötilaisessa kaasussa. Työntövoima laskee suhteessa purkauskaasun nopeuteen, koska työntövoima on massavirta x suihkun nopeus, eli F = (m/t) x v . 

No nyt pitäsi vaan tietää suihkun lämpötila ja Laval-suihkun nopeus.

Palokaasun lämpötilahan putoaa reilusti kun sen paine muuttuu nopeudeksi. Lieneekö lämpötila 500 Celsiuksen korvilla? Äänen nopeus 500-asteisessa kaasussa on noin 540 m/s.

Raketin Laval-suihkun nopeushan on jotain alle ja yli 4000 m/s polttoaineesta riippuen.

Jos tuo kaasun lämpötila olisi esim 500 astetta, työntövoimasuhde olisi siis noin 7,5 kertainen.

Tämä laskelma voi heittää hyvinkin paljon, kun purkauskaasun lämpötila ei ole tiedossa, mutta googlaamallla käyttökelpoiset arvot varmaan löytyvät.

Äänen nopeus kuumassa kaasussa on c (T) = 19,5 √ T m/s, T [ºK].

No joo, tuolla tavalla asian voisi laskea. Toisaalta kaasun nopeus on siinä moottorin kapeassa kohdassa äänen nopeus, jolloin täytyy tietää senkin arvo vallitsevan lämpötilan (ja myös paineenkin) funktiona.

No, tässä esimerkki moottorista RD-170. Paine polttokammiossa 250 bar, throat diameter 0.2355 m, työntövoima (merenpinnan tasolla) noin 7,400,000N/4 =  1,850,000N. Nyt työntövoima ilman suutinta voidaan laskea myöskin tuosta kurkun alasta ja polttokammion paineesta: F= A_throat*P_chamber =1,009,000 N, joten suuttimen kanssa työntövoima on 1,850,000N/1,009,000N = noin 1.7 kertainen. Toisaalta tuo RD-170:n polttokammiopaine on ennätys korkea, vastaavia paineita ei muissa kuin RD-sarjan moottoreissa yleensä löydy.

P.S. Lämpötila polttokammiossa on 3676 K, suuttimesta irtoavan kaasun lämpötilaa ei kerrota lähteessäni. Suihku nopeus suuttimesta irrotessa (tai oikeastaan efektiivinen suhikunnopeus) on noin 3030m/s.

Edit: laskin vahingossa pinta-alan kaavalla pi*halkaisija^2 ja turasin muutakin, heh. Korjattu on.

Äänen nopeuden perusyhtälössä ilman paine osoittajassa ja tiheys nimittäjässä kumoavat toistensa muutoksen, kun lämpötila ei muutu, joten äänen nopeus on vain lämpötilan funktio.

c = √ (κ ∙ p / ρ) = √ (κ ∙ R ∙ T) ; κ adiabaattinen vakio, p paine, ρ tiheys, R kaasuvakio, T lämpötila. Ks Wiki : Äänen nopeus

Ei voida tehdä niin, että Laval-suutin vain jätetään pois, vaan sen tilalle on laitettava suppeneva suutin. Suutin pitäisi supistua niin, että painetta ei suuttimen poistoaukossa enää olisi. Paine muuttuisi silloin nopeudeksi. Tähän Laval-suuttimellakin pyritään. Suihkun mukanaan viemä lämpökin minimoituu, kun kaasun paineen laskiessa sen lämpötila laskee. Tähän juuri raketissa pyritään hyötysuhteen maksimoimiseksi. Raketin lämpöhäviöt ovat luokkaa 30 %, jotka pääosin ovat kuitenkin suihkun mukana karkaavia.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket

Ilmakehässä ja avaruudessa tilanne suutinpaineen suhteen on erilainen. Jos suutinpaine saadaan laskemaan liki nollaan, avaruudessa tilanne on hyvä, mutta ilmakehässä syntyy alipaine, joka aiheuttaa voimakomponentin taaksepäin.

Moottori paikallaan tai pienellä nopeudella, jos suihkun nopeus lähestyy äänen nopeutta, suutinaukolle nousee pieni paine (arvelisin > 2 baria), joka voimana vaikuttaa samaan suuntaan suihkun työntövoiman kanssa. Ilmakehässä ilma jarruttaa suihkun purkautumista vähentäen jonkin verran työntövoimaa.

Päättelyni perustuu osin käsityksiini suihkumoottorin tekniikasta, ja voi poiketa jonkin verran todellisesta tilanteesta.

Kontra
Seuraa 
Viestejä981

Jäi eräs asia vielä mainitsematta.

Jos raketti olisi varustettu vain suppenevalla suuttimella (ei siis Laval-suuttimella), raketin nopeuden noustua riittävän suureksi suihkun nopeus ylittää äänen nopeuden. Äänen nopeus rajoittaa siis suihkun nopeutta vain suihkun itsensä suhteen. Kun tuolla edellä kirjoitin, että purkauskaasun nopeus ei voi ylittää äänen nopeutta, se koskee vain tapausta, kun moottori on paikallaan. Eli ilmamolekyylien liike toistensa suhteen ei voi ylittää äänen nopeutta, mutta moottorin suhteen suihkun nopeus sen voi ylittää.

Seuraava esimerkki valaisee asiaa. 

Matkustajakoneen lentonopeus on esim Mach = 0, 85 (900 km/h). Eli ilman tullessa moottorin puhaltimeen, sillä on nopeutta jo tuo Mach 0,85, ja jotta työntövoimaa saataisiin riittävästi, suihkun nopeutta pitää lisätä yli äänennopeuden (enimmillään noin Mach 1,5:een). Sama on tilanne suihkumoottorin kuuman suihkun suhteen, eli kun lentonopeus alkaa kasvaa, suihkun nopeus voidaan nostaa (tai nousee) yli äänen nopeuden.

.......

Edellisessä viestissäni 15/15 tuli näpelöintivirhe kappaleessa:

Moottori paikallaan tai pienellä nopeudella, jos suihkun nopeus lähestyy äänen nopeutta, suutinaukolle nousee pieni paine (arvelisin > 2 baria), joka voimana vaikuttaa samaan suuntaan suihkun työntövoiman kanssa. Ilmakehässä ilma jarruttaa suihkun purkautumista vähentäen jonkin verran työntövoimaa.

Pitää olla:

Moottori paikallaan tai pienellä nopeudella, jos suihkun nopeus lähestyy äänen nopeutta, suutinaukolle nousee pieni paine (arvelisin < 2 baria), joka voimana vaikuttaa samaan suuntaan suihkun työntövoiman kanssa. Ilmakehässä ilma jarruttaa suihkun purkautumista vähentäen jonkin verran työntövoimaa.

JPI
Seuraa 
Viestejä26804
Kontra

Äänen nopeuden perusyhtälössä ilman paine osoittajassa ja tiheys nimittäjässä kumoavat toistensa muutoksen, kun lämpötila ei muutu, joten äänen nopeus on vain lämpötilan funktio.

c = √ (κ ∙ p / ρ) = √ (κ ∙ R ∙ T) ; κ adiabaattinen vakio, p paine, ρ tiheys, R kaasuvakio, T lämpötila. Ks Wiki : Äänen nopeus.

 Ei voida tehdä niin, että Laval-suutin vain jätetään pois, vaan sen tilalle on laitettava suppeneva suutin.

No ei tietenkään ole mieltä jättää suutin pois. Kysymyksessäni etsinkin ns. nyrkkisääntöä sille kuinka paljon lajeneva suutin lisää työntövoimaa. Nimittäin työntövoima ilman suutinta voidaan aina laskea suoraan kurkun pinta-alasta A ja paineesta polttokammiossa: F=A*P. Otetaan tuo RD-170 esimerkki tyhjiössä. Yhden pöntön (niitä on siis 4) työntövoima tyhjiössä on  201.5 "tonnia" = 1980000N. A*P = 1070000N (edellisessä virh. 1090000N). Tuosta saadaan suhde työntövoimalla suuttimen kanssa ja ilman sitä 198/107 = 1.85. Siis suutin lähes kaksinkertaistaa työntövoiman tyhjiössä, ilmakehässä hieman vähemmän johtuen juuri mainitsemistasi seikoista.

Suutin pitäisi supistua niin, että painetta ei suuttimen poistoaukossa enää olisi. Paine muuttuisi silloin nopeudeksi. Tähän Laval-suuttimellakin pyritään. Suihkun mukanaan viemä lämpökin minimoituu, kun kaasun paineen laskiessa sen lämpötila laskee. Tähän juuri raketissa pyritään hyötysuhteen maksimoimiseksi. Raketin lämpöhäviöt ovat luokkaa 30 %, jotka pääosin ovat kuitenkin suihkun mukana karkaavia.

Jep, kyllä nää on mulle ihan tuttuja asioita kun olen niitä harrastanut vuosikymmeniä. Kysymykseni koski kuitenkin sellaista nyrkkisääntöä sille, kuinka suuri merkitys sillä suuttimella on.

3³+4³+5³=6³

Diam
Seuraa 
Viestejä2632

 

Alkuperäisen laskeminen energiayhtälöillä vaatii lämpöenergian, massavirran ulos, entalpiat, massat ennen ja jälkeen, samoin sisäenergiat ja lämpötilaeron eli lämpötaselaskelman. Nopeus todellakin on alle 10 m/s, joten viisainta käyttää Bernoullin yhtälöä.

Energiayhtälössä turbulenssin kineettinen energia voi olla merkittävä, jos turbulenssiaste ja virtausnopeus ovat suuria. Alhaisen Machin luvun virtauksilla termin merkitys on olematon.

Mies kysyi kaiulta: Ostanko Nuhvin vai Majorin? ja kaiku vastasi: VAI MAJORIN!

Sivut

Suosituimmat

Uusimmat

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Uusimmat

Suosituimmat