Hay muchos recursos que dan explicaciones sobre el comportamiento de las boquillas y los difusores. Pero en el punto crucial todos dicen: "La velocidad baja y la presión sube". Como si eso no ameritara una explicación más profunda, o como si fuera solo una ley de la naturaleza.
Para mí, la razón detrás de esta transferencia de energía no es obvia.
Para mantener un caudal másico constante, , a través de una entrada pequeña y una salida grande, necesitaría una desaceleración del flujo. Para desacelerar un flujo se requiere una fuerza, . Las interacciones de las fuerzas son iguales y opuestas, por lo que el fluido ejercería una fuerza mayor, en relación con la entrada, si se le obliga a reducir la velocidad. Pero, ¿cuál es el origen de esta fuerza de desaceleración? ¿Por qué esta geometría aumenta la de las moléculas que lo atraviesan? Entiendo la conservación de la energía, pero ¿cómo se explica este comportamiento en términos de interacciones de fuerza?
Es como si preguntaras cómo funcionaba un motor eléctrico y alguien dijera: "Convirtiendo la energía eléctrica en movimiento de rotación". y dijiste, "¿Cómo?" Y simplemente repiten: "Convirtiendo la energía eléctrica en movimiento de rotación". El balance de energía simplemente no es lo suficientemente descriptivo.
Advertencia N°1:
Evitaré la conservación de energía, pero obviamente no puedo dejar de lado la conservación de masa.
Aviso N°2:
Tanto la velocidad como la presión se estabilizan de forma que respeta las leyes de la física. No es que uno se asiente primero, luego sigue el segundo. No dejes que mi redacción te engañe.
Advertencia N°3:
No consideraré la temperatura además de la velocidad, la densidad y la presión. Es demasiado para una explicación.
Hay muchas, muchas maneras de ver esto.
Las personas que 'simplemente' dicen:
La velocidad baja y la presión sube.
Están, a menudo, equivocados. Esto solo se cumple en flujos perfectos, incompresibles e irrotacionales y se conoce como principio de Bernouilli . Si mi profesor de aerodinámica (¡francés!) escuchara a alguien mencionarlo, ¡esa persona probablemente perdería puntos! Estas condiciones a menudo están lejos de la realidad, por lo que las consecuencias no siempre se mantienen. Sin embargo, se puede utilizar como guía para tener una idea de un flujo de Mach bajo.
(Tenga en cuenta que en los flujos supersónicos locales, podría aplicarse exactamente lo contrario, ¡así que esta advertencia es legítima!)
La respuesta más fácil es la conservación de energía. Mencionaste que querías otro:
Entiendo la conservación de la energía.
Así que pasaré.
Su boquilla es un colector convergente, su difusor es divergente. Uno actúa exactamente de manera opuesta al otro (simplemente invierta el tiempo en flujo constante), por lo que me referiré a las boquillas poco profundas asimétricas convergentes . La superficialidad significa que la velocidad es casi axial en todas partes.
Además, en la aviación nos preocupan los aviones, así que supondré que la velocidad de admisión está restringida y no puede disminuir.
Ahora intente meter un fluido sin gas a través de una tubería restrictiva. No le gustará y resistirá (inercia, más la presión superficial del componente axial de la boquilla, etc. ¿ves? ¡Fuerzas!), aumentando así su presión. Este aumento de presión se propagará a toda la entrada y aumentará esa presión. Y ahora la entrada tiene todo lo que necesita para empujar todo el fluido hacia adelante:
Entonces, el fluido se mueve efectivamente a través de la tubería.
En primer lugar, cualquier sección radial del fluido tiene una presión casi uniforme; de lo contrario, el fluido tomaría una gran velocidad radial, por lo que aún no estaríamos en equilibrio.
A continuación, aplique la conservación de la masa. Fuerza el flujo de conservación en cualquier sección del fluido con A×V×rho=Cte. Si el área frontal está restringida, entonces la velocidad y la densidad, o ambas, deben aumentar. La cantidad en la que cada uno aumenta depende de las propiedades del fluido (compresibilidad, etc.). Así que aquí tienes: la velocidad debe aumentar en la boquilla convergente . También como subproducto, la densidad puede aumentar .
¿Cómo sucede eso?
Simplemente, una fuerza debe empujar el fluido. ¿Recuerda que la entrada tiene una presión muy alta necesaria para mantener un flujo constante? Bueno, esa presión está impulsando el fluido (y debe haber una baja presión en el extremo más estrecho (salida) también).
Si hacemos un análisis estático de una sección delgada de fluido, tiene una velocidad baja por detrás y una velocidad alta por delante, por lo que cada molécula está acelerando. La sección de atrás proporciona alta presión, esa presión se traduce en una fuerza axial, las moléculas se aceleran. La sección al frente tiene una presión más baja y no empuja tanto hacia atrás. Ese empujar-hacia-adelante-fuerte/no-retroceder-tanto es el diferencial de presión .
Entonces, a lo largo del flujo, deberíamos ver que la presión disminuye .
Ahí tienes, he usado:
¡Mira mamá, no hay energía!
PD: lo siento si sueno como si hablara con un niño de 5 años.
Mientras esperamos una respuesta probablemente mejor, aquí está mi tentativa.
Usted afirma que entiende el concepto de flujo másico constante. Por un momento, escribamos correctamente el flujo másico:
a la izquierda tenemos el caudal másico , a la derecha tenemos la densidad , la zona , y la velocidad .
Si queremos ser constante mientras cambia , tenemos que cambiar y respectivamente. En estos escenarios se toma como aproximadamente constante, dejando solo la velocidad como variable libre. Si bien esto podría ser más cierto para los líquidos, no está demasiado lejos de la realidad también cuando se trata de aire (aunque es posible que observe variaciones menores en la densidad).
¿De dónde vienen las fuerzas? Las paredes del conducto y el fluido aguas abajo (al desacelerar, el fluido que ya está a menor velocidad funcionará efectivamente como una "pared" para el fluido entrante) o el fluido aguas arriba (al acelerar el fluido entrante empujará al resto de el fluido como un pistón de extrusión).
En otros términos, la energía requerida proviene del diferencial de presión (el fluido más rápido tiene menor presión).
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