dýza

, Author

speciálně tvarovaný uzavřený kanál určený k urychlení kapalin nebo plynů na danou rychlost a k udání daného směru proudění. Trysky se používají také jako prostředek k získání proudu plynu nebo kapaliny. Průřez trysky může být obdélníkový (dvourozměrná tryska), kruhový (osově symetrická tryska) nebo jiného tvaru (prostorová tryska).

V dýze se rychlost v kapaliny nebo plynu ve směru proudění plynule zvětšuje od počáteční hodnoty v0 na vstupu až po maximální rychlost v = va na výstupu. Na základě principu zachování energie dochází při zvyšování rychlosti v v trysce současně ke kontinuálnímu poklesu tlaku a teploty z počátečních hodnot p0 a T0 na minimální hodnoty pa a Ta na výstupu. Aby tedy v trysce docházelo k proudění, je nutný určitý pokles tlaku, tj. musí být splněna podmínka p0 > pa. Při zvýšení T0 se rychlost ve všech úsecích trysky zvýší v důsledku vyšší počáteční potenciální energie. Dokud není rychlost proudění příliš vysoká, jsou příslušné změny tlaku a teploty v trysce malé; proto se vlastnost stlačitelnosti – schopnost kapaliny nebo plynu měnit objem v reakci na působení tlaku nebo změnu teploty – neprojeví a je možné zanedbat jakoukoli změnu hustoty p proudícího média, tj. považovat hustotu za konstantní. Za těchto podmínek by tryska měla mít sbíhavý tvar, pokud je požadován plynulý nárůst rychlosti, protože podle rovnice kontinuity ρvF = const se plocha F průřezu trysky musí zmenšovat v nepřímé úměře k nárůstu rychlosti. S dalším nárůstem v se však začne projevovat stlačitelnost média a hustota ve směru proudění klesá. V důsledku toho závisí stálost součinu tří činitelů pvF za těchto nových podmínek na rychlosti, s níž p klesá s rostoucí v. Když v < a, kde a je místní rychlost šíření zvuku v pohybujícím se prostředí, zaostává rychlost, s jakou klesá hustota plynu, za rychlostí, s jakou roste rychlost, a proto, aby se zajistilo zrychlení, tj. aby se zvýšilo v, musí se F snížit (obrázek 1) navzdory poklesu hustoty (podzvuková tryska). Při zrychlování na rychlosti v > a však hustota klesá rychleji, než roste rychlost; v nadzvukové části je proto nutné zvětšit plochu F (nadzvuková tryska). Nadzvuková tryska, která je také známá jako Lavalova tryska, má tedy jak konvergentní, tak divergentní část (obrázek 2). Změna rychlosti proudění tryskou závisí na změně plochy průřezu F s délkou.

Obrázek 1. Rychlost proudění tryskou se mění v závislosti na délce. Schéma podzvukové trysky

Tlak na výstupní ploše podzvukové trysky je vždy roven tlaku pm okolního prostředí na výstupu (pa = pm). Tlaky se rovnají, protože jakákoli odchylka se projevuje jako poruchy, které se šíří uvnitř trysky rychlostí rovnou rychlosti zvuku a způsobují přeuspořádání proudění, které vyrovnává tlak ve výstupní oblasti trysky. Když se p0 zvyšuje a pm zůstává konstantní, rychlost va ve výtokové oblasti podzvukové trysky se nejprve zvyšuje, ale po dosažení určité hodnoty p0 se rychlost stává konstantní a při dalším zvyšování p0 se nemění. Tento jev se označuje jako krizové proudění v trysce. S nástupem krizového proudění je průměrná rychlost výtoku z podzvukové trysky rovna místní rychlosti zvuku (va = a) a nazývá se kritická rychlost výtoku. Podzvuková tryska se změní na trysku zvukovou. Všechny parametry plynu ve výtokové oblasti trysky jsou v tomto případě rovněž popsány jako kritické. Pro podzvukové trysky s hladkým obrysem je kritický tlakový poměr při výtoku vzduchu a jiných dvouatomových plynů (P0/pm)cr ≈ 1,9.

Obrázek 2: Kritický tlakový poměr při výtoku vzduchu a jiných dvouatomových plynů. Schéma nadzvukové (Lavalovy) trysky

V nadzvukové trysce se nejužší část označuje jako kritická. Relativní rychlost va/a ve výtokové oblasti nadzvukové trysky závisí pouze na poměru výtokové plochy Fa k ploše kritického úseku Fa a v širokých mezích nezávisí na změnách tlaku p0 v čele trysky. Z toho vyplývá, že změnou plochy kritické části Fcr pomocí mechanického zařízení při nezměněné ploše Fa lze měnit va/la. Na tomto principu jsou založeny nastavitelné trysky používané v technologii, které mění rychlost výtoku plynu. Tlak ve výtlačné oblasti nadzvukové trysky může být roven tlaku okolního média (pa = pm) a režim proudění tohoto typu se nazývá návrhové proudění; pokud se tlaky nerovnají, režim se nazývá mimoprojektové proudění. Na rozdíl od podzvukové trysky se tlakové poruchy při pa ± pm, které se šíří rychlostí zvuku, nacházejí v nadzvukovém proudění a nepronikají do nadzvukové trysky; tlak pa se tedy nevyrovnává s pm. Mimoprojektové režimy jsou charakterizovány vznikem řídkých vln, když pa > pm, a rázových vln, když pa < pm. Když proudění prochází soustavou těchto vln mimo trysku, tlak se vyrovná s pm. Když tlak v atmosféře značně převýší tlak v oblasti výtoku z trysky, mohou rázové vlny přejít do trysky a pak dojde k narušení plynulého nárůstu rychlosti v nadzvukové části trysky. Prudký pokles tlaku a teploty plynu v nadzvukové trysce může v závislosti na složení proudícího média vést k výskytu takových fyzikálně-chemických procesů, jako jsou chemické reakce, fázové přeměny a nerovnovážné termodynamické přechody. Tyto procesy je třeba brát v úvahu při výpočtu proudění plynu v trysce.

Dýzy se široce používají v technice například v parních a plynových turbínách, raketových motorech, proudových motorech s dýcháním vzduchu, plynových laserech, zařízeních používaných v dynamice magnetoplynu, větrných tunelech, zkušebních stolicích používaných v dynamice plynu, proudových zařízeních a průtokoměrech. Uplatnění nacházejí také při vytváření molekulárních svazků, v chemickém inženýrství a v různých typech tryskacích procesů. Tryska musí být navržena tak, aby plnila konkrétní technickou funkci. Například trysky pro větrné tunely musí zajistit rovnoměrné, paralelní proudění plynu ve výtlačné oblasti, zatímco trysky používané v raketových motorech musí zajistit, aby hybnost proudu plynu ve výtlačné oblasti byla při daných rozměrech co nejvyšší. Tyto a další technické specifikace vedly k intenzivnímu rozvoji teorie trysek, která studuje přítomnost kapalných a pevných částic v proudu plynu, jakož i takové procesy, jako jsou nerovnovážné chemické reakce a přenos zářivé energie. Počítače byly při této práci hojně využívány jak k určení konstrukce trysek, tak k vývoji komplexních experimentálních metod zkoumání trysek.

.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.