¿Qué provoca la aceleración de las partículas en la sección de expansión de una boquilla De Laval?

Esta pregunta está relacionada con la dinámica de gases/termodinámica de flujos compresibles. El flujo en la boquilla Laval es isoentrópico. Esto significa que no hay irreversibilidad en el flujo. Si tenemos en cuenta esto, la dilatación en la tobera provoca un descenso de la temperatura y, por tanto, un aumento de la velocidad del fluido. Pero esto sucede solo para una presión de salida particular: relación de presión de entrada, 0.528. si la relación de presión es mayor que esto, el flujo en la sección del difusor (después de la garganta) se desacelera. Esto se debe a la relación área-velocidad (que se obtiene a partir de la ecuación de continuidad compresible y la ecuación de Laplace para la velocidad del sonido), en términos del número de Mach. Sus implicaciones son:

1. En régimen de flujo subsónico: El conducto convergente provoca aceleración; divergente, desaceleración.
2. En régimen supersónico: Conducto convergente provoca DECELERACIÓN; Y DIVERGENTE, ACELERACIÓN.

Pero esto tampoco es aplicable para todos los casos, como ya se mencionó, la relación de presión debe estar por debajo de 0.528.

La relación entre el número de Mach y el área (que se obtiene a partir de la ecuación de continuidad compresible y la relación de la densidad de estancamiento con el número de Mach, nuevamente aplicable para flujos isoentrópicos) da el área requerida en la garganta para "estrangular" el flujo (es decir, para acelerarlo hasta velocidad sónica en la garganta) a una relación de presión dada.

La relación área-número de máquina da una solución que tiene DOS VALORES para cada relación de área (relación de área: relación del área de la sección bajo consideración al área de la garganta cuando el flujo es sónico en la garganta. NOTA: flujo en la garganta se vuelve sónico en la garganta solo cuando Pe/P < 0.528). un valor para subsónico; y el otro para flujos supersónicos. Entonces, cuando el flujo es supersónico, el flujo se acelera; y desacelera en caso contrario.

Entonces, la respuesta a su pregunta: el flujo supersónico se acelera por la expansión del flujo y la reducción de la temperatura. En pocas palabras, la aceleración-desaceleración con variación en el área depende de 2 cosas: 1. Número de Mach y 2. Relación de presión.

Si necesita una explicación más detallada, lo remito a Gas Dynamics de E. Rathakrishnan para obtener una explicación más detallada y las derivaciones de las relaciones entre el área y el número de Mach, etc.

Supongo que tienes que pensar en términos de velocidad relativa. Pongámonos en la sección más pequeña de la boquilla. Aquí M=1, por lo que el flujo viaja a la velocidad del sonido. La fuerte depresión obliga al aire a expandirse, y esta expansión le da al flujo una velocidad adicional (en relación con el flujo). Esto no es contradictorio, porque la 'información de velocidad adicional' no viaja más rápido que el sonido, ¡acabamos de aplicar la relatividad galileana!

El principio básico de Bernoulli para un flujo compresible se puede establecer como:

Según la ecuación, a medida que el gas se enfría y su entalpía disminuye, la velocidad del gas de escape debe aumentar. Esta explicación puede no ser la mejor ni la más precisa, pero debe dar una idea básica.