¿Por qué el escape del postquemador tiene "pulsos"?

Estos se conocen como "diamantes de Mach" o "diamantes de choque" (y varios otros nombres) y no son una característica del dispositivo de poscombustión per se, sino que se forman por ondas estacionarias en el escape cuando la presión de los gases de escape expandidos no coincidir exactamente con la presión ambiental externa. Pueden formarse por sobreexpansión o subexpansión de los gases de escape. Los diamantes se forman en la transición de flujo sónico a supersónico que ocurre inmediatamente en el lado "aguas abajo" de la tobera de un cohete o motor a reacción.

Foto del siguiente enlace:

SR-71 Blackbird despegando.

En los cohetes, el flujo a través de una tobera de este tipo siempre es sónico en la garganta (en todos los sistemas, excepto en los de baja presión trivial, donde puede ser subsónico, pero estos no suelen encontrarse en la práctica).

En los motores a reacción, si el flujo es sónico o supersónico en el escape depende del diseño que, a su vez, tiende a depender de la aplicación. Los motores de "reactor puro" que utilizan un compresor accionado por combustión para comprimir el aire de entrada y que desarrollan su empuje a partir del escape del reactor, normalmente tendrán escapes supersónicos. El desarrollo en curso ha dado lugar a una gama de tipos de motores "a reacción" con capacidades algo diferentes: turborreactor (reactor "puro"), turboventilador (el "ventilador" interno impulsado por un reactor produce aire que desvía parcialmente el reactor propiamente dicho), turbohélice (reactor impulsa una hélice externa) , propfan (turbohélice con esteroides optimizado para un crucero cercano a Mach 1) y algunos compañeros de viaje como turboeje, como un turbohélice pero con salida de eje, útil si desea impulsar, por ejemplo, un helicóptero.

En un motor de turboventilador, la cantidad de aire que se desvía del motor a reacción propiamente dicho se rige por la "relación de desvío". Los motores de derivación alta envían la mayor parte del aire más allá del surtidor propiamente dicho para combinarse con el escape del surtidor y formar el escape real del motor. Los motores turboventiladores de chorro puro o algunos de "relación de derivación baja" pueden tener escapes supersónicos, mientras que los turboventiladores de "relación de derivación alta" siempre son subsónicos. Los aviones modernos de larga distancia (especialmente los aviones comerciales) que buscan la máxima economía de combustible tienden a tener relaciones de derivación altas. Como los diamantes Mach solo están asociados con la operación transsónica, no verá diamantes Mach de, por ejemplo, un 747.

Por lo tanto, los fanjets de derivación baja pueden tener escapes supersónicos para parte de su funcionamiento. Un turborreactor puede ser sub o supersónico y el dispositivo de poscombustión casi siempre (pero no necesariamente en teoría) producirá un flujo de salida supersónico.

En los sistemas que tienen velocidades de escape de salida supersónicas, a medida que el flujo cambia de sónico en la garganta de la boquilla a supersónico en el sistema de expansión, el objetivo es hacer que la presión de salida coincida exactamente con la ambiental. "Exactamente" nunca sucede exactamente en la práctica. Donde ocurra el desajuste, habrá una onda de choque, un "desajuste de impedancia en otra perspectiva", y la evidencia visible de esto son los Mach Diamonds.

Como tanto la presión de escape como la presión ambiental cambian con las condiciones, esencialmente siempre habrá cierto grado de tales ondas de choque presentes en los sistemas "calificados", pero más aún cuando la operación del motor se aleja más significativamente del ideal. Las versiones más pequeñas pueden no ser obvias sin un examen cuidadoso. Como el sistema general generalmente está optimizado para condiciones "normales", es más probable que la operación del dispositivo de poscombustión cause un desajuste importante de la presión, ya que se desvía del uso normal.

Se produciría una excepción si los diseñadores decidieran que querían un rendimiento absolutamente máximo del dispositivo de poscombustión en determinadas condiciones (de modo que, por ejemplo, un interceptor pudiera alcanzar la velocidad máxima absoluta cuando fuera necesario), en cuyo caso los diamantes de Mach podrían minimizarse en el dispositivo de poscombustión y serían más pronunciados en operación normal.

Consulte esta página para ver algunas buenas fotos y los diagramas a continuación:

• Aeroespacial de aviación: diamantes de choque y discos Mach

Abajo: creación de Mach Diamonds a partir de un flujo subexpandido.

Abajo: - creación de Mach Diamonds a partir de un flujo sobreexpandido.

Buena explicación con imágenes aquí - Wikipedia - Shock Diamond

Numerosas imágenes relevantes , cada una vinculada a una página web relacionada.

Relacionado:

Wikipedia - Jet Engine excelente.

He178 0- el primer avión a reacción

Simulación visual de turborreactores de la NASA

Este efecto necesita

• velocidades de escape supersónicas y
• alta densidad ambiental

que se produzca. Los chorros normales tienen velocidades de escape subsónicas, y solo la tobera convergente-divergente de los motores de poscombustión puede producir la velocidad supersónica requerida. En el interior de la tobera se acelera el aire convirtiendo la presión en velocidad en un difusor, última parte donde la sección transversal aumenta aguas abajo.

Recuerde que el gas supersónico no tiene forma de ser influenciado por lo que sucede aguas abajo. En la boquilla, es fácil acelerar tanto el gas de escape que su presión cae por debajo de 1 bar; simplemente haga que la sección transversal final del difusor sea lo suficientemente ancha. Cuando este chorro supersónico de baja presión sale de la boquilla y se enfrenta al aire ambiente, la presión del aire compactará el chorro. Esto se puede ver muy bien en la imagen inferior de Russel: se formará un choque a partir de la circunferencia de la boquilla y se producirá un cono que separará el núcleo de baja presión de los gases de escape de la sección de aguas abajo que se ve afectada por la presión del aire.

Ahora sucede algo interesante: cuando las ondas de choque se encuentran en el medio, se reflejan hacia afuera, y lo que sigue es una secuencia de choques que viajan hacia adentro y hacia afuera que forman este patrón de diamante distintivo. Que sea visible se debe a los átomos de carbono en el combustible que brillan de color naranja debido a su calor. Los choques de compresión que se originan en la circunferencia de la boquilla se reflejan en el centro, convirtiéndose en ventiladores de expansión cuando se reflejan en el límite de los gases de escape calientes y el aire ambiente, y se convierten nuevamente en choques de compresión cuando se reflejan en el límite la próxima vez. La compresión calentará el flujo, encenderá el combustible restante y, por lo tanto, intensificará el brillo de los átomos de carbono, y la expansión lo enfriará, por lo que verá patrones alternantes de brillo y oscuridad, separados por los choques oblicuos.

Lo mismo sucede con los cohetes a altitudes más bajas y de alta densidad. Los diseñadores de cohetes tienen que encontrar un compromiso entre boquillas pequeñas y livianas que tienen una presión de salida alta (y desperdician parte de la energía del combustible del cohete al no acelerar los gases de escape tanto como sea posible) y boquillas más grandes que también tienen una presión de salida más baja que 1 barra Si la boquilla está optimizada para altitudes más altas y expande demasiado los gases de escape cuando se opera más cerca del suelo, las mismas ondas de choque se vuelven visibles. La imagen de arriba es de los suborbitales de Copenhague .