Када течност тече кроз цев, вентил или млазницу, долази до тачке у којој смањење низводног притиска више не повећава брзину протока. Ово стање, познато као пригушени ток, представља фундаменталну границу у динамици флуида. Разумевање шта узрокује гушење протока је од суштинског значаја за инжењере који раде са контролним вентилима, сигурносним системима за растерећење и дизајном цевовода.
Основни узрок загушеног протока лежи у томе како поремећаји притиска путују кроз флуид који се креће. Када брзина течности достигне локалну брзину звука, физички механизам који нормално дозвољава низводним условима да утичу на узводни ток се потпуно квари.
Фундаментална физика: када звучни таласи не могу да путују узводно
Да бисмо разумели шта узрокује гушење протока, морамо почети од тога како информације путују у флуидном систему. Промене притиска се не преносе тренутно. Уместо тога, они се шире као таласи притиска који се крећу брзином звука у односу на саму течност.
Замислите контролни вентил са флуидом који тече од високог притиска узводно до нижег притиска низводно. Ако неко изненада затвори вентил даље низводно, то повећање притиска покушава да се врати узводно као талас притиска. Брзина којом се овај сигнал креће у односу на стационарни зид цеви једнака је звучној брзини минус брзини протока.
За идеалан гас, звучна брзина зависи од температуре и молекуларних својстава према односу $а = \\скрт{\\гамма Р Т}$, где $\\гамма$ представља однос специфичне топлоте, $Р$ је константа гаса, а $Т$ је апсолутна температура.
Ова једначина открива нешто критично: како се гас убрзава и шири, његова температура опада, што значи да се брзина звука смањује дуж путање протока.
Када брзина протока достигне звучну брзину у било којој тачки система, релативна брзина сигнала постаје нула. Таласи притиска се акумулирају на овој локацији, не могу да се шире даље узводно. Ово ствара оно што динамичари флуида називају „информационим хоризонтом“. Иза ове тачке, узводни ток нема свест о променама притиска низводно. Проток постаје загушен.
Махов број (Ма) квантификује овај однос као однос брзине протока према брзини звука. При Ма = 1 долази до гушења. Испод овог прага, ток остаје незагушен и реагује на низводне услове. Изнад ове вредности, ток улази у надзвучни режим где низводни поремећаји физички не могу да путују узводно.
Однос критичног притиска: математички праг
Питање „шта узрокује гушење протока“ има прецизан термодинамички одговор укорењен у критичном односу притиска. За изентропски ток идеалног гаса, до гушења долази када однос апсолутног притиска низводно и узводно падне испод одређене вредности.
Овај критични однос притиска зависи искључиво од својстава гаса, посебно од односа специфичне топлоте $\\гамма$. Извођење из изентропских односа протока даје:
Критични односи притиска за уобичајене индустријске гасове
За гушење је потребан већи пад притиска.
Стандардна референца за већину прорачуна.
Пригушнице при мањим разликама притиска.
Најподложнији гушењу.
За ваздух са $\\гамма = 1,4$, критични однос је 0,528. То значи да када низводни притисак падне испод 52,8% апсолутног притиска узводно, проток се гуши. Даље смањење низводног притиска неће повећати масени проток. Додатни пад притиска само убрзава гас низводно од грла у експанзионим млазницама.
Овај математички однос објашњава зашто се цевоводи природног гаса (са γ око 1,27) лакше гуше од ваздушних система. Иста апсолутна разлика притиска представља већи део критичног односа за гасове са нижим односима специфичне топлоте.
Шта се дешава у грлу: улога геометрије
Физичка локација на којој долази до гушења је обично минимална површина попречног пресека на путу протока, која се обично назива грло. Разумевање шта узрокује гушење протока захтева испитивање односа површина-брзина који управља стишљивим протоком.
Основна диференцијална једначина која повезује промену површине са променом брзине је:
Ова једначина открива контраинтуитивно понашање. За дозвучни ток где Ма < 1, термин $(Ма^2 - 1)$ је негативан. Да би се течност убрзала (позитивно $ду$), површина мора да се смањи (негативна $дА$). Ово одговара свакодневној интуицији: стискање баштенског црева повећава брзину воде.
Међутим, при Ма = 1, једначина показује да $дА/А$ мора бити једнак нули да би се проток убрзао. Овај математички захтев значи да се брзина звука може јавити само на геометријском екстремуму, конкретно на минималном попречном пресеку. Не можете имати Ма = 1 у каналу са константном површином током убрзања.
Када ток достигне звучне услове у грлу, однос површина-брзина пролази кроз фундаменталну промену. За надзвучни ток где је Ма > 1, $(Ма^2 - 1)$ члан постаје позитиван. Даље убрзање сада захтева повећање површине, а не смањење. Због тога ракетне млазнице и надзвучни аеротунели користе конвергентно-дивергентну геометрију звану де Лавалове млазнице.
У једноставној конвергентној млазници или плочи са отвором, проток може да достигне звучну брзину на излазној равни, али не може да се убрза преко Ма = 1 јер нема дивергентног пресека. Течност излази при звучној брзини и критичном притиску, а затим се подвргава спољашњем ширењу у слободним млазовима. Ово спољашње ширење често ствара видљиве шок дијаманте у издувним гасовима ракете када излазни притисак премашује притисак околине.
Гас наспрам течности: два различита механизма гушења
Оно што узрокује гушење протока битно се разликује између гасова и течности. Гушење гасом је резултат ограничења брзине при брзини звука. Међутим, гушење течности потиче од промене фазе и формирања двофазних смеша са драматично измењеним звучним својствима.
За гасове, механизам прати физику компресибилног тока описану горе. Како притисак опада и брзина расте дуж путање протока, густина се пропорционално смањује. Повезани ефекат повећања брзине док се звучна брзина смањује (због пада температуре у адијабатском ширењу) доводи Махов број према јединици.
Течности се понашају другачије јер су у суштини нестишљиве у нормалним условима. Чиста течна вода на 20°Ц има звучну брзину око 1500 м/с, далеко већу од типичних брзина протока у системима цевовода. Међутим, када локални притисак падне испод притиска паре течности, долази до кавитације или треперења.
Кавитација се дешава када се мехурићи паре формирају у областима ниског притиска, али се онда колабирају када се притисак опорави. Насилни колапс мехурића ствара буку и може да еродира облоге вентила и зидове цеви. Треперење се јавља када притисак остане испод притиска паре, омогућавајући мехурицима да наставе да расту. Течност се претвара у двофазну смешу.
Двофазне мешавине имају звучне брзине далеко ниже од чисте течности или чисте паре. Смеша воде и паре са 50% празне фракције може имати звучну брзину испод 20 м/с, скоро два реда величине ниже од чисте воде. Ово драстично смањење брзине звука значи да двофазна мешавина лако достиже звучне услове, што доводи до гушења протока.
Стање гушења за течност се јавља када:
где је $П_1$ улазни притисак, $П_в$ је притисак паре, а $Ф_Ф$ је фактор односа критичног притиска течности. Када се ова неједнакост задржи, даље смањење притиска не повећава проток јер додатна енергија само ствара више паре и убрзава двофазну смешу.
Фактори из стварног света који изазивају гушење
Неколико практичних услова одређује шта узрокује гушење протока у индустријским системима. Осим теоријског критичног односа притиска, инжењери морају да размотре како стварно понашање гаса, температурни ефекти и конфигурација цеви утичу на почетак гушења.
- Операције високог притиска:Сваки систем са великим разликама притиска ризикује да се гуши. Пренос природног гаса и станице за испуштање паре лако прелазе критичне односе притиска.
- Температурни ефекти:Специфични однос топлоте $\\гамма$ варира са температуром. За пару, $\\гамма$ се значајно мења од прегревања до засићења, што утиче на прагове гушења.
- Одступања фактора стишљивости:Реални гасови под високим притиском показују факторе компресије (З) различите од јединице. Занемаривање З фактора може довести до недовољног предвиђања капацитета за 15-30%.
Окидачи за гушење у уобичајеним апликацијама
критично:кт фактор, γ вредност (п₂/п₁ < 0,5)
критично:Подешавање притиска у односу на противпритисак
критично:Фактор експанзије И
критично:Услови засићења (фласх до < Пᵥ)
Најподложнији гушењу.
Разумевање шта узрокује гушење протока директно утиче на дизајн система, димензионисање опреме и оперативно решавање проблема. Инжењери морају препознати услове гушења и дизајнирати у складу с тим, а не да се боре против фундаменталне физике.
Величина контролног вентила:ИСА 75.01 стандард кодификује како се поступа са загушеним протоком у избору вентила. Фактор односа пада притиска $к_Т$ карактерише када ће се одређена геометрија вентила угушити. Покушај повећања протока превеликим вентилом након достизања услова гушења троши новац јер је проток ограничен узводним притиском и температуром, а не капацитетом вентила.
Бука и вибрације:Оношлогоо шалгах
Ракетни погонски системи:За разлику од већине индустријских апликација где гушење представља ограничење, ракетни мотори намерно стварају и искоришћавају загушени ток. Само одржавањем загушеног протока у грлу млазница може ефикасно да претвара топлотну енергију у кинетичку енергију.
Основни одговор на то шта узрокује гушење протока своди се на физику ширења информација у флуидима који се крећу.
Инжењери који раде са високим падом притиска морају увек да провере да ли њихов систем ради у режиму загушења. Препознавање и правилно обрачунавање услова загушеног протока одваја компетентан дизајн система флуида од скупих кварова и несигурних операција.
