اجزای موتور: نازل (بخش دوم) | هوافضای جوان

اجزای موتور: نازل (بخش دوم)

در درس پیش با نازل و اساس عملکرد اون آشنا شدیم و وعده دادیم در این درس به نازل‌های با هندسه متغیر و نازل‌هایی که سرعت رو به بیش از سرعت صوت می‌رسونند بپردازیم.

در درس پیش دیدیم که در مثال‌های خروج هوا از دهان و خروج آب از شلنگ، کاهش مساحت منجر به افزایش سرعت می‌شه و رابطه زیر رو هم برای شلنگ استخراج کردیم و گفتیم دقیقاً همین رابطه عملکرد یک نازل رو هم کنترل می‌کنه.

فرمول ۱: چگالی ورودی X مساحت مقطع ورودی X سرعت ورودی = چگالی خروجی X مساحت مقطع خروجی X سرعت خروجی

این بار میخوایم نکاتی رو به این دانسته‌هامون اضافه کنیم.

اولین نکته اینه که در مثال شلنگ در درس قبل، ما فرض کردیم که چگالی آب در ابتدا و انتهای شلنگ با هم برابره. این فرض برای جریان داخل یک شلنگ که سرعت پایینی داره فرض بسیار درستیه. به جریانی که سرعتش اونقدر پایین باشه که بتونیم چگالی رو در تمام طول اون جریان ثابت در نظر بگیریم، جریان تراکم ناپذیر گفته می‌شه. مثل همین جریان شلنگ.

اما در جریان هایی که سرعت بالاتری در حدود ۰.۳ سرعت صوت و یا بیشتر داشته باشند (یعنی ۳۷۰ کیلومتر بر ساعت برای هوا و ۱۶۲۰ کیلومتر بر ساعت برای آب) قضیه کمی متفاوته. در این جریان‌ها که تحت عنوان جریان تراکم پذیر شناخته می‌شوند، اگر مساحت مقطع مجرای جریان تغییر کنه، چگالی هم تغییر می‌کنه. طبق فرمول بالا، این مسأله باعث میشه وابستگی سرعت جریان به مساحت مقطع مجرای جریان تراکم پذیر، رابطه‌ای خطی نباشه. یعنی در این جریانات پر سرعت، اگر مساحت مجرای جریان رو نصف کنید، نمیتونید مطمئن باشید که سرعتش دقیقاً دو برابر میشه در حالی که در جریانات تراکم ناپذیر این رابطه برقرار بود.

این مقدمه ما رو آماده می‌کنه تا با نکته دوم مواجه بشیم: وقتی سرعت جریان اونقدر زیاد بشه که از سرعت صوت بگذره (۱۲۵۰ کیلومتر بر ساعت برای هوا در شرایط استاندارد) وابستگی سرعت به مساحت مقطع برعکس می‌شه! این اصلاً به این معنا نیست که فرمول بالا دیگه کاربرد نداره… بلکه به این معناست که در جریان با سرعت بالاتر از صوت، اگر مساحت رو در خروجی کم کنیم، چگالی اونقدر بیشتر می‌شه که برای جبرانش باید سرعت خروجی کم بشه. یعنی در جریان فراصوت، بر خلاف جریان فروصوت، با کاهش مساحت سرعت کم می‌شه و با افزایش مساحت سرعت بالا میره.

بله. درست حدس زدید، با این توضیحات متوجه می‌شیم که برای اینکه بتونیم نازلی داشته باشیم که جریان رو از سرعت پایین، تا سرعت بالاتر از صوت برسونه، به چیزی شبیه به شکل زیر نیاز داریم. خصوصیت این شکل اینه: فرض کنید هوای داخل نازل از سمت چپ (ناحیه سبز رنگ) به سمت راست (ناحیه قرمز رنگ) در جریانه و تصمیم داریم با این نازل (که بهش نازل “همگرا-واگرا” گفته میشه) سرعت اون رو از مقداری کمتر از سرعت صوت (در ناحیه سبز رنگ) به سرعتی بیش از سرعت صوت (در ناحیه قرمز رنگ) برسونیم. طبق چیزی که تا اینجا یاد گرفتیم، تا جایی که جریان سرعتی کمتر از سرعت صوت داره برای افزایش سرعتش، باید مساحت نازل در حال کاهش باشه. این کاهش مساحت تا جایی که سرعت دقیقاً به سرعت صوت برسه ادامه پیدا می‌کنه. اما از این نقطه به بعد برای افزایش بیشتر سرعت جریان (طبق توضیحات بالا) باید مساحت نازل افزایش پیدا کنه. پس در این صورت می‌دانیم ناحیه زرد رنگ میانه تصویر که در اون مساحت کانال جریان به کمترین میزان خودش رسیده، دقیقاً محلیه که سرعت جریان با سرعت انتشار صوت برابره. در نازل‌های همگرا-واگرا، به این ناحیه اصطلاحا “گلویی” گفته میشه.

1200px-de_laval_nozzle-svg

نازل‌های همگرا-واگرا قوی‌ترین نوع نازل هستند، به این معنا که بیشترین افزایش سرعت رو در جریان ایجاد می‌کنند و می‌تونند جریانی با سرعت بسیار کم رو به سرعتی چندین برابر سرعت صوت (یعنی چندین هزار کیلومتر بر ساعت) برسونند. این افزایش سرعت شدید، طبق چیزی که در بخش‌های قبل خوندیم می‌تونه نیروی پیشران بزرگی برای ما ایجاد کنه. همین توان بالا باعث میشه در پرقدرت‌ترین موتورهای جت (شامل موتورهای رم جت، اسکرم جت و راکتی) که نیروی پیشران بسیار بالایی (به نسبت وزنشون) تولید می‌کنند، از این نوع نازل استفاده بشه.

تصویر زیر یک نمونه موتور راکتی کوچک است. که نازل و محفظه احتراق اون برش خورده و شکل همگرا-واگراش رو می‌تونید تشخیص بدید.

 

قسمتی که با شماره ۱ مشخص شده، محفظه احتراق این موتور (ناحیه با جریان با سرعت پایین) و ناحیه شماره ۲ گلویی این موتور رو نمایش میده. جریان در گلویی نازل به سرعتی  برابر با سرعت صوت می‌رسه و در بخش واگرای موتور (ناحیه ۳) جریان فراصوت خواهد بود.

خالی از لطف نیست که یک نمونه موتور موشک تولید داخل کشورمون رو هم ببینیم تا نازل یک نمونه موتور واقعی رو هم دیده باشیم. تصویر زیر یکی از معروف‌ترین موتورهای تولید کشورمون رو نمایش میده. این موتور روی موشک‌های متعددی مثل شهاب ۳، عماد، قدر و ماهواره‌برهای سفیر و سیمرغ نصب شده است. تجهیزات بالای این موتور مربوط به سوخت رساتی به محفظه احتراقه و زیر اونها محفظه احتراق و در نهایت، نازل قرار گرفته. در این تصویر هم مجدداً میشه ناحیه همگرا و واگرای نازل و همینطور گلویی نازل رو تشخیص داد.