Калі вадкасць цячэ праз трубу, клапан або сопла, надыходзіць момант, калі зніжэнне ціску ўнізе больш не павялічвае хуткасць патоку. Гэты стан, вядомы як задушаны паток, уяўляе сабой фундаментальную мяжу ў дынаміцы вадкасці. Інжынерам, якія працуюць з рэгулюючымі клапанамі, сістэмамі разгрузкі бяспекі і праектаваннем трубаправодаў, вельмі важна разумець, што выклікае заслонку патоку.
Асноўная прычына захрасання патоку заключаецца ў тым, як перапады ціску распаўсюджваюцца праз рухомую вадкасць. Калі хуткасць вадкасці дасягае мясцовай хуткасці гуку, фізічны механізм, які звычайна дазваляе ўмовам ніжэй па плыні ўплываць на паток уверх па плыні, цалкам выходзіць з ладу.
Фундаментальная фізіка: калі гукавыя хвалі не могуць рухацца ўверх па плыні
Каб зразумець, што выклікае затрымку патоку, нам трэба пачаць з таго, як інфармацыя перамяшчаецца ў вадкай сістэме. Змены ціску не перадаюцца імгненна. Замест гэтага яны распаўсюджваюцца ў выглядзе хваль ціску, якія рухаюцца з хуткасцю гуку адносна самой вадкасці.
Разгледзім рэгулюючы клапан з вадкасцю, якая цячэ ад высокага ціску ўверх па плыні да нізкага ціску ўнізе. Калі нехта раптам закрывае клапан далей па плыні, павышэнне ціску спрабуе вярнуцца ўверх па плыні ў выглядзе хвалі ціску. Хуткасць, з якой гэты сігнал рухаецца адносна нерухомай сценкі трубы, роўная хуткасці гуку мінус хуткасць патоку.
Для ідэальнага газу хуткасць гуку залежыць ад тэмпературы і малекулярных уласцівасцей у адпаведнасці з суадносінамі $a = \\sqrt{\\gamma R T}$, дзе $\\gamma$ уяўляе сабой удзельную цеплыню, $R$ — газавую канстанту, а $T$ — абсалютная тэмпература.
Гэта ўраўненне паказвае нешта важнае: калі газ паскараецца і пашыраецца, яго тэмпература падае, што азначае, што хуткасць гуку памяншаецца ўздоўж шляху патоку.
Калі хуткасць патоку дасягае хуткасці гуку ў любой кропцы сістэмы, адносная хуткасць сігналу становіцца роўнай нулю. Хвалі ціску назапашваюцца ў гэтым месцы і не могуць распаўсюджвацца далей уверх па плыні. Гэта стварае тое, што дынамікі вадкасці называюць "інфармацыйным гарызонтам". За межамі гэтага моманту паток уверх па плыні не ўсведамляе змены ціску ўнізе. Плынь перакрываецца.
Для паветра з $\\gamma = 1,4$ крытычнае стаўленне роўна 0,528. Гэта азначае, што як толькі ціск ніжэй па плыні падае ніжэй за 52,8% ад абсалютнага ціску вышэй па плыні, паток захлынаецца. Далейшае зніжэнне ціску ўнізе не прывядзе да павелічэння масавага расходу. Дадатковае падзенне ціску проста паскарае газ уніз па плыні ад горла ў знешніх пашыральных бруях.
Каэфіцыент крытычнага ціску: матэматычны парог
Пытанне "што выклікае заслонку патоку" мае дакладны тэрмадынамічны адказ, заснаваны на крытычным суадносінах ціску. Для ізаэнтрапічнага патоку ідэальнага газу захворванне адбываецца, калі суадносіны абсалютных ціскаў унізе і ўверсе апускаецца ніжэй пэўнага значэння.
Гэты крытычны каэфіцыент ціску залежыць выключна ад уласцівасцей газу, у прыватнасці ад каэфіцыента ўдзельнай цеплыні $\\gamma$. Вывад з ізаэнтрапічных суадносін патоку дае:
Крытычныя адносіны ціску для звычайных прамысловых газаў
Патрабуецца большы перапад ціску для задушэння.
Стандартная даведка для большасці разлікаў.
Дросселі пры меншых перападах ціску.
Найбольш успрымальныя да ўдушша.
Для паветра з $\\gamma = 1,4$ крытычнае стаўленне роўна 0,528. Гэта азначае, што як толькі ціск ніжэй па плыні падае ніжэй за 52,8% ад абсалютнага ціску вышэй па плыні, паток захлынаецца. Далейшае зніжэнне ціску ўнізе не прывядзе да павелічэння масавага расходу. Дадатковае падзенне ціску проста паскарае газ уніз па плыні ад горла ў знешніх пашыральных бруях.
Гэтая матэматычная залежнасць тлумачыць, чаму газаправоды (з γ каля 1,27) задыхаюцца лягчэй, чым паветраныя сістэмы. Той жа абсалютны дыферэнцыял ціску ўяўляе вялікую долю крытычнага адносіны для газаў з больш нізкімі цеплавымі адносінамі.
Што адбываецца ў горле: роля геаметрыі
Фізічным месцам, дзе адбываецца ўдушша, звычайна з'яўляецца мінімальная плошча папярочнага сячэння на шляху патоку, якое звычайна называюць горлам. Разуменне таго, што выклікае заслонку патоку, патрабуе вывучэння суадносін плошчы і хуткасці, якія рэгулююць паток, які сціскаецца.
Фундаментальнае дыферэнцыяльнае ўраўненне, якое звязвае змяненне плошчы са змяненнем хуткасці:
Гэта ўраўненне паказвае неінтуітыўнае паводзіны. Для дозвуковой плыні, дзе Ma < 1, член $(Ma^2 - 1)$ адмоўны. Каб паскорыць вадкасць (дадатнае $du$), плошча павінна зменшыцца (адмоўнае $dA$). Гэта адпавядае штодзённай інтуіцыі: сцісканне садовага шланга павялічвае хуткасць вады.
Аднак пры Ma = 1 ураўненне паказвае, што $dA/A$ павінна быць роўна нулю, каб паток паскараўся. Гэта матэматычнае патрабаванне азначае, што хуткасць гуку можа адбывацца толькі ў геаметрычным экстрэмуме, у прыватнасці, у мінімальным папярочным перасеку. Вы не можаце мець Ma = 1 у канале пастаяннай плошчы падчас паскарэння.
Як толькі паток дасягае гукавых умоў у горле, суадносіны плошчы і хуткасці падвяргаюцца фундаментальным зменам. Для звышгукавога патоку, дзе Ma > 1, член $(Ma^2 - 1)$ становіцца дадатным. Далейшае паскарэнне цяпер патрабуе павелічэння плошчы, а не памяншэння. Вось чаму ў ракетных соплах і звышгукавых аэрадынамічных трубах выкарыстоўваецца канвергентна-разбежная геаметрыя, званая сопламі дэ Лаваля.
У простым канвергентным сопле або пласціне з адтулінай паток можа дасягаць хуткасці гуку ў плоскасці выхаду, але ён не можа паскорыць больш за Ma = 1, таму што няма разбежнага ўчастка. Вадкасць выходзіць з гукавой хуткасцю і крытычным ціскам, затым падвяргаецца вонкавым пашырэнню ў свабодных бруях. Гэта вонкавае пашырэнне часта стварае бачныя ўдарныя алмазы ў выхлапных газах ракет, калі ціск на выхадзе перавышае ціск навакольнага асяроддзя.
Limp mode često onemogućuje značajke udobnosti kao što je klima uređaj kako bi se smanjilo opterećenje motora. Sustavi kontrole proklizavanja i elektroničke kontrole stabilnosti također se isključuju jer se oslanjaju na preciznu kontrolu gasa za upravljanje proklizavanjem kotača. Ovo objašnjava zašto žaruljice upozorenja TCS ili ESP često svijetle zajedno s greškama u sustavu gasa.
Тое, што выклікае паток у дросселі, прынцыпова адрозніваецца паміж газамі і вадкасцямі. Захворванне газам адбываецца ў выніку абмежавання хуткасці на хуткасці гуку. Аднак удушша вадкасцю ўзнікае ў выніку змены фазы і ўтварэння двухфазных сумесяў з рэзка змененымі гукавымі ўласцівасцямі.
Для газаў механізм адпавядае фізіцы сціскальнага патоку, апісанай вышэй. Па меры паніжэння ціску і павелічэння хуткасці на шляху патоку шчыльнасць памяншаецца прапарцыйна. Спалучаны эфект павелічэння хуткасці пры памяншэнні хуткасці гуку (з-за паніжэння тэмпературы пры адыябатычным пашырэнні) прыводзіць лік Маха да адзінкі.
Вадкасці паводзяць сябе па-рознаму, таму што яны па сутнасці несціскальныя ў звычайных умовах. Чыстая вадкая вада пры тэмпературы 20°C мае хуткасць гуку каля 1500 м/с, што значна вышэй, чым звычайная хуткасць патоку ў трубаправодных сістэмах. Аднак, калі мясцовы ціск апускаецца ніжэй ціску пары вадкасці, адбываецца кавітацыя або ўспышка.
Кавітацыя ўзнікае, калі бурбалкі пары ўтвараюцца ў рэгіёнах з нізкім ціскам, але потым руйнуюцца, калі ціск аднаўляецца. Гвалтоўнае згортванне бурбалкі стварае шум і можа раз'ядаць ашалёўку клапана і сценкі труб. Успышка адбываецца, калі ціск застаецца ніжэй ціску пары, што дазваляе бурбалкам працягваць расці. Вадкасць ператвараецца ў двухфазную сумесь.
Двухфазныя сумесі маюць хуткасць гуку значна меншую, чым у чыстай вадкасці або чыстай пары. Сумесь вады і пара з доляй пустаты 50% можа мець хуткасць гуку ніжэй за 20 м/с, што амаль на два парадкі ніжэй, чым у чыстай вады. Гэта рэзкае памяншэнне хуткасці гуку азначае, што двухфазная сумесь лёгка дасягае гукавых умоў, у выніку чаго паток захлынаецца.
Стан удушша вадкасцямі ўзнікае, калі:
дзе $P_1$ — ціск на ўваходзе, $P_v$ — ціск пары, а $F_F$ — каэфіцыент крытычнага ціску вадкасці. Калі гэтая няроўнасць выконваецца, далейшае зніжэнне ціску не павялічвае паток, таму што дадатковая энергія проста стварае больш пары і паскарае двухфазную сумесь.
Рэальныя фактары, якія выклікаюць удушша
Некалькі практычных умоў вызначаюць, што выклікае заслонку патоку ў прамысловых сістэмах. Акрамя тэарэтычнага крытычнага каэфіцыента ціску, інжынеры павінны ўлічваць, як паводзіны рэальнага газу, тэмпературныя эфекты і канфігурацыя трубаправодаў уплываюць на пачатак удушша.
- Аперацыі высокага ціску:Любая сістэма з вялікімі перападамі ціску можа захлынуцца. На станцыях транспарціроўкі прыроднага газу і развядзення пара лёгка перавышаюцца крытычныя адносіны ціску.
- Тэмпературныя эфекты:Удзельная цеплаёмістасць $\\gamma$ змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы. Для пары $\\gamma$ істотна змяняецца ад перагрэву да насычэння, уплываючы на парогі ўдушша.
- Адхіленні каэфіцыента сціскальнасці:Рэальныя газы пры высокім ціску дэманструюць каэфіцыенты сціскальнасці (Z), адрозныя ад адзінкі. Ігнараванне фактараў Z можа прывесці да заніжэння магутнасці на 15-30%.
Трыгеры ўдушша ў звычайных праграмах
Крытычна:каэфіцыент xt, значэнне γ (p₂/p₁ < 0,5)
Крытычна:Зададзены ціск супраць супрацьціску
Крытычна:Каэфіцыент пашырэння Y
Крытычна:Умовы насычэння (Flash да < Pᵥ)
Прамысловыя наступствы і рашэнні
Postupci ponovnog učenja dramatično se razlikuju ovisno o proizvođaču. Neka vozila jednostavno moraju odvojiti akumulator na nekoliko minuta. Drugi zahtijevaju složene sekvence ciklusa tipki i pokreta papučice gasa s preciznim vremenom. Nissanova vozila su poznata po tome što zahtijevaju "ples s pedalama" u više koraka koji se mora izvesti točno ili sustav neće ispravno naučiti.
Памер рэгулявальнага клапана:Стандарт ISA 75.01 кадыфікуе, як апрацоўваць задушаны паток пры выбары клапана. Каэфіцыент падзення ціску $x_T$ характарызуе, калі пэўная геаметрыя клапана захлынецца. Спроба павялічыць паток за кошт завышэння памеру клапана пасля дасягнення ўмоў задушэння марнуе грошы, таму што паток абмежаваны ціскам і тэмпературай уверх па плыні, а не ёмістасцю клапана.
Тэмпературныя эфекты:Калі паток заглушаецца, выніковыя хуткасці гуку і ўдарныя структуры ствараюць інтэнсіўны аэрадынамічны шум. Першаснае рашэнне прадугледжвае шматступеннае зніжэнне ціску. Замест аднаго перападу ціску 100:1 шэраг прыступак падтрымлівае дагукавы ўзровень кожнай прыступкі.
Ракетныя рухальныя сістэмы:У адрозненне ад большасці прамысловых прыкладанняў, дзе задушванне з'яўляецца абмежаваннем, ракетныя рухавікі наўмысна ствараюць і выкарыстоўваюць задушаны паток. Толькі падтрымліваючы задушаны паток у горле, сопла можа эфектыўна пераўтварыць цеплавую энергію ў кінетычную.
Фундаментальны адказ на тое, што выклікае заслонку патоку, зводзіцца да фізікі распаўсюджвання інфармацыі ў вадкасцях, якія рухаюцца.
Інжынеры, якія працуюць з высокімі перападамі ціску, павінны заўсёды правяраць, ці працуе іх сістэма ў задушаным рэжыме. Распазнанне і належны ўлік умоў перакрыцця патоку аддзяляе кампетэнтную канструкцыю вадкаснай сістэмы ад дарагіх збояў і небяспечных аперацый.
