막힌 흐름

초크 흐름은 압축 가능한 흐름 효과입니다."초크" 또는 "제한"이 되는 매개변수는 유체 속도입니다.

초크 흐름은 벤추리 효과와 관련된 유체 동적 상태입니다.주어진 압력 및 온도에서 흐르는 유체가 수축(예: 수렴-분산 노즐의 목구멍 또는 파이프 내의 밸브)을 통과하여 저압 환경으로 들어가면 유체 속도가 증가합니다.초기 아음속 상류 조건에서 질량 원리의 보존은 유체 속도가 협착의 더 작은 단면적을 통과할 때 증가해야 한다.동시에 벤추리 효과는 정압, 즉 밀도를 수축 시 감소시킵니다.초크 흐름은 고정된 상류 압력 및 온도에 대한 하류 압력 환경의 추가 감소로 인해 질량 흐름이 증가하지 않는 제한 조건입니다.

균질 유체의 경우, 단열 조건에서 질식 사고가 발생하는 물리적 지점은 출구 평면 속도가 음파 조건, 즉 마하 수 ^[1][2][3]1일 때 발생한다.초크 플로우에서는 업스트림 및 초크 포인트에서 밀도를 증가시킴으로써 질량 유량을 증가시킬 수 있습니다.

질량의 유속은 하류 압력과 무관하며 온도와 압력, 따라서 제한 상류측 가스 밀도에 따라 달라지기 때문에 많은 엔지니어링 애플리케이션에서 유용합니다.초크 상태에서는 밸브 및 보정된 오리피스 플레이트를 사용하여 원하는 질량 유량을 생성할 수 있습니다.

액체의 막힘 흐름

액체가 액체인 경우, 다른 유형의 제한 조건(초음 흐름이라고도 함)이 발생합니다. 이 제한 조건을 통과하는 액체의 흐름에 작용하는 벤추리 효과로 인해 액체의 압력이 제한 범위를 넘어 현재 액체 온도에서 액체의 증기 압력 이하로 떨어집니다.그 시점에서 액체는 부분적으로 기포 모양으로 점멸하고 기포의 붕괴는 캐비테이션의 원인이 된다.캐비테이션은 소음이 상당히 크고 밸브, 파이프 및 관련 장비를 물리적으로 손상시킬 정도로 충분히 강력할 수 있습니다.그 결과 제한 내의 증기 기포 형성에 의해 흐름이 ^[4][5]더 이상 증가하는 것을 방지할 수 있다.

질식 상태에서의 가스 질량 유량

모든 가스는 상류 고압원에서 하류 저압원으로 흐릅니다.드 라발 노즐의 단면이 변화하거나 오리피스 플레이트를 통과하는 흐름과 같이 초크 흐름이 발생하는 몇 가지 상황이 있습니다.여기서 가장 중요한 부분은 노즐 또는 오리피스의 업스트림 또는 다운스트림에서 초크 속도를 계산하는 곳입니다.초크 속도는 오리피스 또는 노즐의 업스트림에서 항상 관찰되며 이 속도는 일반적으로 공기 중 음속보다 낮습니다.또 다른 중요한 측면은 이것이 상류 유체의 실제 속도라는 것입니다.따라서 업스트림 실제 부피 유량은 다운스트림 압력으로 확장되면 다운스트림 조건의 부피 유량이 보다 실제 부피 유량이 됩니다.따라서 하류 조건에서 측정했을 때의 전반적인 누출률은 이 사실을 고려해야 한다.이 초크 속도가 업스트림에서 다운스트림으로의 질량 유량에 도달한 경우에도 업스트림 압력이 증가하면 계속 증가할 수 있습니다.그러나 이 초크 속도 값은 초크 흐름 조건이 우세할 경우 다운스트림 압력에 관계없이 실제 부피 유량(실제 가스 유량, 즉 속도)을 동일하게 유지합니다.

단면 흐름 변화 시 질식

이상적인 기체 거동을 가정할 때 하류 압력이 $임계치{\displaystyle {}^{}}$ p ${\$ {\$displaystyle$ p$^\{*\}\}$ 이하로 떨어지면 정상상태 초크플로우가 발생하며 임계치는 무차원 임계압력비 방정식으로^[6] 계산할 수 있다.

${\displaystyle \frac{{}^{}}{{p\mathrm{}}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{{\ast }^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{{}_{}}}$ 0 ${\displaystyle {}^{}}$ ( ${\displaystyle {2\frac{\mathrm{}}{\gamma }}^{}}$ +${\displaystyle {\frac{}{}\frac{1}{}}^{}}$ )${\displaystyle {\frac{\gamma }{}}^{}}$ - - $display$ - {\ {\ 、 1 （ \ $displaystyle${ $p^$ { * } { $p _$ 0 } $=$\ $flac$\ frac ${$} { \ $right )^{$ \ $frac }$ { \ $frac$}$$$、$

여기서$\delta {\displaystyle }$ {$displaystyle$ \$displaystyle }$은 가스의 열용량 $비율{\displaystyle {}_{}{c}_{}}$ / ${\displaystyle c{}_{}}$ ${\displaystyle v_{}}${\$displaystyle c_{p}/c_{v}$이며, ${\displaystyle {여기}_{}}$서 $p{\displaystyle {}_{}}$0 {$displaystyle$p_${0$}은$$ 총 업스트림 압력입니다.

열 용량 비율 γ=1.4{\displaystyle \gamma =1.4}과 공기의 경우,; 다른 가스들은 범위에 빠졌고 그 임계 압력비 범위에서 0.487 개체 매 안 ∗/p0<>γ{\displaystyle \gamma}1.67(일원자 기체)에 9천억(예를 들어 부탄)다 ∗)0.528 p0{\displaystyle p^{*}=0.528p_{0}}이.;0.58$(\displaystyle$0.$487<p^{*}/p_{0}<0.$587 즉, 가스에 따라 다운스트림 정압이 정체된 업스트림 소스 용기의 절대 압력의 0.487~0.587배 이하로 떨어질 때 일반적으로 초크 흐름이 발생합니다.

가스 속도가 막히면 질량 유량의 방정식은 다음과 같습니다.^[1][2][3]

${\displaystyle {m}=C_{d}A{\sqrt\rho_{0}P_{0}\left({\frac {2}{\frac +1}\right)^{\frac +1}{\frac +1}}}}}}$

장소:
$(\$	질량 유량(kg/s)
$\$	방전 계수, 무차원
$\displaystyle$ A$\backslash ,$	배출 구멍 단면적(m²)
$§$ $(\displaystyle$ \${\displaystyle \mathrm{displaystyle}}),$	${\displaystyle \frac{c_{}}{}}$ p ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{v_{}}{}}$\ $displaystyle$\ $frac${ $c$_ { $p$} { $c$_ { $v$} } } $$（ 열용량비)
${\displaystyle c_{}}$p { $display style$ c _ { $p$}$$、	일정한 압력으로 가스의 비열
${\displaystyle c_{}}$ v$${ $display style$ c _ { $v$}$$、	일정한 부피의 기체 비열
$§$ $0(\displaystyle\rho_{$0$\}),$	총 $압력{\displaystyle {}_{}}$ P $(\$ 및$$ 총 $온도{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ 0$(\$에서의 실제 가스(총) 밀도(kg/m†)
$P$0 (\ $displaystyle$ P_${0$ ),	가스의 절대 상류 총 압력(Pa 단위) 또는 kg/m·s²
${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ 0$($ T_${0$	가스의 절대 상류 총 온도(K)

질량 유량은 주로 노즐 슬로트의 $단면적{\displaystyle }$A(\$displaystyle$ A$)$와 업스트림 $압력{\displaystyle }$P(\$displaystyle$ P$)$에 의존하며 $온도{\displaystyle }$T(\$displaystyle$ T$)$에 의존하지 않으며, 다운스트림 압력에 의존하지 않습니다.다른 모든 항은 흐름의 재료 성분에만 의존하는 상수입니다.가스속도가 최대치에 이르러 질식해도 질량 유량은 질식하지 않는다.상류 압력이 증가하면 오리피스로 유입되는 가스의 밀도가 증가하므로 질량 유량은 계속 증가할 수 있습니다.

이 기사는 독자들에게 혼란스럽거나 불분명할 수 있다. 글의 명확화를 도와주세요. 토크 페이지에 이 건에 대한 논의가 있을 수 있습니다.(2014년 6월) (이 템플릿메시지 삭제 방법 및 삭제 시기 확인)

${\displaystyle C_{}}$d \ $display style$ C _ { $d$} 값은$$ 다음 식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

$({displaystyle C_{d}={dot {m}){A{\sqrt {2\rho \Delta P}}}}$

장소:
$\$	협착을 통한 배출 계수(무제한)
$\displaystyle$ A$\backslash ,$	흐름 협착 단면적(단위 길이 제곱)
$(\$	협착을 통한 유체의 질량 유량(단위 시간당 유체의 단위 질량
$§$ ${\displaystyle$ \rho$\},$	유체의 밀도(단위 부피당 단위 질량)
$δ$P \ $displaystyle$ \ $Delta$P ,	협착에 걸친 압력 강하(단위 면적당 단위 힘)

위의 방정식은 업스트림 압력원에 존재하는 압력 및 온도의 정상 상태 질량 유량을 계산합니다.

밀폐된 고압용기에서 가스가 방출되는 경우 위의 정상상태 방정식을 사용하여 초기 질량 유량을 근사할 수 있다.그 후 소스 혈관이 비워지고 혈관 내의 압력이 감소함에 따라 배출 중에 질량 유량이 감소합니다.유량 대 방전 개시 후의 시간의 계산은 훨씬 복잡하지만 더 정확합니다.이러한 계산을 수행하기 위한 두 가지 동등한 방법이 온라인에서 ^[7]설명되고 비교됩니다.

기술 문헌은 많은 저자들이 이상적인 기체에 적용되는 범용 가스 법칙 상수 R을 사용하고 있는지 또는 특정 개별 기체에만 적용되는 가스 법칙 상수_s R을 사용하고 있는지 설명하지 못하기 때문에 매우 혼란스러울 수 있다.두 상수 사이의 관계는 R = R / M입니다_s. 여기서 M은 가스의 분자량입니다.

실제 가스 효과

기체가 이상적으로 취급될 수 없는 상류 조건이라면 초크 질량 흐름을 평가하기 위한 폐쇄형 방정식은 존재하지 않는다.대신, 가스 팽창은 일정한 ^{[citation needed]}엔탈피에서 발생하는 실제 가스 특성 표를 참조하여 계산해야 합니다.

막힌 유량이 발생하는 데 필요한 최소 압력비

(일부 전형적인 산업 가스가 흐를 때) 질식 상태가 발생하는 데 필요한 최소 압력비는 표 1에 제시되어 있다.이 비율은 절대 다운스트림 압력에 대한 절대 업스트림 압력의 비율이 ${\displaystyle ([1}$+ ${\displaystyle 1\mathrm{}}$]${\displaystyle {}^{}}$/ ${\displaystyle 2^{}}$)${\displaystyle {(}^{}}$ / (${\displaystyle 1^{}}$- 1)$$\ $displaystyle$ ( [ \ $gamma$+ $1 ]$/ 2) 이상인 경우 초크 플로우가 발생한다는 기준을 사용하여 구했습니다.$^{\displaystyle /(\display -1$ 여기서$\delta {\displaystyle }$\$displaystyle \display }$은 가스의 비열비입니다.최소 압력비는 가스가 마하 1로 이동할 때 노즐 슬로트의 업스트림 압력과 압력 사이의 비율로 이해될 수 있습니다. 다운스트림 압력에 비해 업스트림 압력이 너무 낮으면 슬로트에서 소닉 흐름이 발생할 수 없습니다.

표 1.

가스	$(\displaystyle \displaystyle = displayfrac {c_{p}} {c_{v}}})$[8][9]	Min. Pu/Pd 막힌 흐름의 경우
건조한 공기	20 °C에서 1.400	1.893
질소	15 °C에서 1.404	1.895
산소	20 °C에서 1.400	1.893
헬륨	20 °C에서 1.660	2.049
수소	20 °C에서 1.410	1.899
메탄	1.307	1.837
프로판	1.131	1.729
부탄	1.096	1.708
암모니아	15 °C에서 1.310	1.838
염소	1.355	1.866
이산화황	15 °C에서 1.290	1.826
일산화탄소	1.404	1.895
이산화탄소	1.30	1.83

주의:

• P_u, 절대 업스트림 가스 압력
• P_d, 절대 하류 가스 압력

압력 회수 기능이 있는 벤추리 노즐

벤추리 노즐을 통과하는 흐름은 다운스트림 압력보다 훨씬 낮은 노즐 압력을 달성합니다.따라서 압력비는 업스트림 압력과 노즐 압력의 비교입니다.따라서 벤추리를 통과하는 흐름은 업스트림 대 다운스트림 ^[10]비율이 훨씬 낮은 마하1에 도달할 수 있습니다.

박판 오리피스

얇은 판 모양의 오리피스를 통한 실제 가스의 흐름은 절대 완전히 막히지 않습니다.오리피스를 통과하는 질량 유량은 다운스트림 압력이 임계 ^[11]압력 이하로 감소함에 따라 천천히 증가하지만, 다운스트림 압력이 완벽한 진공으로 낮아질수록 계속 증가합니다.Cunningham(1951)은 처음에 질식된 흐름이 표준적이고 얇고 모서리가 네모난 ^[12][13]오리피스에서 발생하지 않는다는 사실에 주목했다.

진공 상태

대기압에서의 상류기압과 오리피스의 하류진공조건의 경우 오리피스를 통해 음속에 도달하면 기속과 질량유속이 모두 초크 또는 제한된다.

흐름 패턴

그림 1a는 노즐이 완전히 아음속일 때(노즐이 질식하지 않을 때) 노즐을 통과하는 흐름을 보여줍니다.체임버 내의 흐름은 목구멍으로 수렴되면서 가속화되며, 목구멍에서 최대(아음속) 속도에 도달합니다.그런 다음 흐름은 발산 섹션을 통해 감속되고 아음속 제트로 외부로 배출됩니다.이 상태에서 배압을 낮추면 ^[14]노즐의 모든 유속이 증가합니다.

배압 p가_b 충분히 낮아지면 그림 1b와 같이 목구멍에서 유속은 마하 1이 됩니다.흐름 패턴은 아음속 흐름과 완전히 동일합니다.단, 목의 흐름 속도가 마하1에 도달한 지 얼마 되지 않았습니다.배압을 더 낮추면 M=1의 지점을 목구멍에서 멀리 이동할 수 없기 때문에 노즐을 통과하는 흐름이 막힙니다.그러나 배압을 더 ^[14]낮추면 분기 섹션의 흐름 패턴이 변경됩니다.

p가 흐름을 막는데 필요한 수준 이하로 내려가면_b 초음속 흐름 영역이 목구멍 바로 하류에 형성됩니다.아음속 흐름과 달리 초음속 흐름은 목구멍에서 멀어질 때 가속화된다.이 초음속 가속 영역은 일반적인 충격파에 의해 종료됩니다.충격파는 아음속으로의 흐름을 거의 즉각적으로 감속시킵니다.이 아음속 흐름은 나머지 발산 구간을 통해 감속하여 아음속 제트로 배출됩니다.이 상태에서는 배압을 낮추거나 올리면 충격파가 ^[14]목구멍에서 멀어집니다(충격파 전에 발산 부분의 초음속 흐름 길이 증가).

p가_b 충분히 낮아지면 충격파는 노즐 출구에 있습니다(그림 1d).가속 영역(노즐 전체 길이)이 매우 길기 때문에 유속은 충격 전방 직전에 최대치에 도달합니다.그러나 충격 후 제트 내 흐름은 ^[14]아음속으로 흐릅니다.

배압을 더 낮추면 충격이 제트 안으로 휘어지며(그림 1e), 아음속 및 초음속 흐름의 혼합 또는 (배압이 충분히 낮은 경우) 초음속 흐름과 관련된 복잡한 충격 및 반사 패턴이 제트 안에 설정됩니다.충격은 더 이상 노즐 벽 근처 흐름과 수직이 아니기 때문에 출구를 떠날 때 흐름을 안쪽으로 꺾어 초기 수축 제트를 생성합니다.이 경우 노즐 출구의 압력이 주변 압력(배압)보다 낮기 때문에 즉, 노즐에 의해 흐름이 너무 ^[14]많이 팽창했기 때문에 이를 과팽창 흐름이라고 합니다.

배압이 더 낮아지면 제트 내의 파형 패턴이 변화하고 약해집니다.결국 배압은 노즐 출구의 압력과 같아질 정도로 낮아집니다.이 경우 제트 내의 파동이 완전히 사라지며(그림 1f), 제트는 균일하게 초음속이 된다.이러한 상황은 종종 바람직하기 때문에 '설계 조건'^[14]이라고 한다.

마지막으로 배압이 더 낮아지면 출구 압력과 배압 사이에 새로운 불균형(배압보다 큰 출구 압력)이 발생합니다(그림 1g).이러한 상황('미확장'이라고 함)에서 노즐 출구에서 팽창파(제트 내 축 방향 흐름 및 가속도에 수직으로 점진적으로 회전하는 파동)가 형성되며, 처음에는 제트 가장자리의 흐름이 플룸에서 바깥쪽으로 바뀌고 다른 유형의 복잡한 ^[14]파동 패턴을 형성합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 우발적인 방출원 용어에는 비초크 가스 흐름에 대한 질량 유량 방정식도 포함된다.
• 오리피스 플레이트는 비초크 가스류 방정식의 도출을 포함한다.
• 드라발 노즐은 먼저 튜브와 가스가 수축된 후 튜브와 가스가 초크 평면 위로 확장되면서 초음속 가스 속도를 내는 벤추리 튜브입니다.
• 로켓 엔진 노즐은 로켓 엔진에 사용되는 노즐의 출구 속도를 계산하는 방법을 논의합니다.
• 유압 점프
• 고압 제트기

레퍼런스

외부 링크

• 가스 흐름 막힘
• 배출원 모델 개발
• 제한 오리피스 크기 조정 제어 단상 흐름에 대해 오리피스 플레이트, 제한 오리피스 크기 계산을 수행합니다.