Theromdynamics Principles and EOS - Text

Transcript

Presa d’aria
Lecture 11
Presa d’aria
Text:
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Motori Aeronautici
Mar. 26, 2015
Diffusione esterna/interna
Resistenza aerodinamica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Presa ad Urto normale
Avviamento
Presa ad urti obliqui comp.esterna
isentropica
Presa del Concorde
Stabilità di funzionamento
Criteri di progetto
Prestazioni On-Design
Prestazioni Off-Design
Mauro Valorani
Univeristà La Sapienza
11.195
Agenda
1
2
Presa Dinamica
Presa dinamica Subsonica
Resistenza aerodinamica gondola
Prestazioni
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
3
Presa dinamica Supersonica
Avviamento
Presa ad urti obliqui - comp.esterna
Diffusione esterna/interna isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.196
Presa d’aria
Generalità
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Obiettivi:
Rallentare il flusso fino a M = 0.3 ÷ 0.5
Aumentare la pressione
Cercando di conseguire:
Flusso uniforme ad ingresso compressore
Minimo ∆p0 (Alto d , ηd )
Minima resistenza esterna
Minimo peso (lunghezza)
Distinzione:
1
2
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.197
Presa d’aria
In un flusso subsonico (M < 1), la variazione di Mach è causata da variazioni di area
e attrito:
"
"
#
#
dM
1 + δM 2 dA
γM 2 (1 + δM 2 ) dFattr
=−
+
M
1 − M2
A
1 − M2
ρAu 2
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Se si desidera rallentare il flusso (dM/M < 0, per aumentarne la pressione) si deve
impiegare un condotto divergente (dA/A > 0)
Perdite per attrito:
dp0
1
2 0 Pdx
= − γM f
<0
p0
8
A
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
evitare separazione (Angolo semiapertura < 10o )
Relazione AREA–MACH per flusso isentropico:
isentropica
Presa del Concorde
A2
M1
=
A1
M2
1 + δ M22
1 + δ
M12
!
γ+1
2 (γ−1)
Criteri di progetto
Relazione PORTATA–MACH




γ+1
γ+1
γ − 1 2 − 2(γ−1)
Ath
2
A
2(γ−1)
 p0
ṁa =  p
1+
M
M  p0 =  p
2
γ+1
R T0 /γ
R T0 /γ
11.198
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
Figure: Velocità di crociera maggiore della
velocità alla sezione di ingresso della presa
Figure: Velocità di crociera minore della
velocità alla sezione di ingresso della presa.
Rapporto Aa /A1 < 1: diffusione
(decelerazione) esterna isentropica +
diffusione (decelerazione) interna viscosa
Scelta ottima del rapporto A1 /A2 :
Rapporto Aa /A1 > 1: espansione
(accelerazione) esterna isentropica +
diffusione (decelerazione) interna viscosa
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Evitare eccessiva accelerazione esterna > resistenza aerodinamica della gondola
del motore
Partizione ottima fra diffusione esterna ed interna (compromesso fra take-off e
crociera)
11.199
Presa d’aria
Resistenza aerodinamica della gondola del motore
Applicando la conservazione della massa e della q.d.m. al volume di controllo indicato in
figura si ricava la seguente espressione del rapporto Amax /Ai in funzione del grado di
decelerazione della corrente ui /ua , che eviti la separazione di flusso sulla superficie della
gondola (Cp,max < 0.5):
Amax
= 1+
Ai
1−
ui
ua
2
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
(1 − Cp,max )
sCp,max
;
0<s<1
; Cp,max :=
pa − pmin
1
ρ u2
2 a max
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Figure: Volume di controllo e nomenclatura
per il calcolo della resistenza aerodinamica
della gondola del motore
Figure: Rapporto Area max gondola/Area di
ingresso in funzione del grado di
decelerazione della corrente ui /ua , al variare
del coefficiente di pressione Cp,max .
11.200
Presa d’aria
Indici di prestazione
Rapporto di pressioni totali: εd :=
p02
p2
'
p0a
p0a
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Rendimento adiabatico ( M2 1 ⇒ p2 ∼ p02 , T2 ∼ T02 ) :
T2s − Ta
T2s /Ta − 1
∼
ηd :=
=
T2 − Ta
T2 /Ta − 1 |{z}
T2 ∼T02
∼
p02
p0a
p0a
pa
γ−1
δ M02
γ
γ−1
p2
γ
pa
δ M02
γ−1
γ
−1
=
εd
−1
∼
|{z}
p2 ∼p02
1 + δ M02 − 1
δ M02
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
εd ∼
1 + ηd δM02
1 + δM02
!
γ
γ−1
11.201
Presa d’aria
Tipologie
Condotto convergente-divergente
Condotto convergente-divergente
Presa Dinamica
Ad onda d’urto normale (o Pitot);
Presa dinamica
Subsonica
Ad urti obliqui a compressione esterna
gondola
Ad urti obliqui a compressione mista
esterna/interna
Geometria planare bi-dimensionale
Prestazioni
Compressione esterna/interna,
bi-dimensionale
Presa dinamica
Supersonica
Geometria assial-simmetrica
Avviamento
Geometria fissa o variabile
isentropica
Presa del Concorde
Compressione esterna/interna,
assial-simmetrica
Criteri di progetto
11.202
Presa dinamica supersonica ad onda d’urto normale
Presa convergente-divergente (funziona solo al Mach di progetto)
Necessariamente occorre adottare prese con urtiI
Perdite aumentano fortemente con M0 → MAX ' 1,6
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.203
Presa d’aria
Relazioni per urti normali
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Figure: Relazioni di salto per urto normale
Figure: Prestazioni (perdite di pressione
totale) di un urto normale
11.204
Relazioni per urti obliqui
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.205
Presa d’aria
Relazioni per urti obliqui
Per ogni Mach a monte M1 ed angolo di deviazione δ si ottengono due
soluzioni che soddisfano le leggi di conservazione: una soluzione debole (M2
>1) ed una forte (M2 < 1).
Si verifica che solo la soluzione debole è stabile
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Figure: Angolo dell’urto
obliquo σ in funzione di
Mach a monte M1 , ed
angolo di deviazione del
flusso δ.
Criteri di progetto
Figure: Perdite di
pressione in funzione di
Mach a monte M1 , ed
angolo di deviazione del
flusso δ.
Figure: Mach a valle M2 in
funzione di Mach a monte
M1 , ed angolo di
deviazione del flusso tδ.
11.206
Avviamento di un condotto convergente-divergente mediante Over-speed
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.207
Avviamento di un condotto convergente-divergente mediante variazione
area di gola
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.208
Diffusori senza problemi di avviamento
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.209
Interazione urto normale/strato limite
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Figure: Configurazione ad urto λ che tende a inspessire lo strato limite
11.210
Isolatore
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Figure: Treno di riflessioni di urti obliqui interagenti con lo strato limite; Mach in ingresso è
supersonico, Mach in uscita è subsonico
Criteri di progetto
11.211
Diffusione esterna (Oswatisch)
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Figure: Due urti obliqui + urto normale
Criteri di progetto
11.212
Diffusione esterna (Oswatisch)
Presa d’aria
Prestazioni di rampa con N urti
η Presa supersonica migliora all’aumentare del numero di urti n, MA...
...aumentano perdite parte subsonica
Ottimo: n = 1 fino a M0 = 2, n = 2 per 2 < M0 < 2, 5, ...
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.213
Diffusione esterna/interna isentropica
Presa d’aria
Rampa con infiniti urti
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
La compressione avviene isentropicamente solo per il Mach ed angolo di
attacco di progetto
La geometria è identica ad un ugello a spina operante in flusso reverso
11.214
Presa d’aria
Presa dinamica del concorde
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Figure: xxx
11.215
Presa d’aria
Operazioni critiche, sub e super - critiche
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Figure: xxx
11.216
Presa d’aria
Criteri di progetto geometria on-design
Critical running as on-design operation mode;
Optimal partition between external and internal compressions;
External and internal compressions realized by oblique shocks of equal strength
(optimal pressure recovery);
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Oblique shocks focused at a common point:
external shocks at the cowl lip,
internal shocks at a point on or below the body surface;
gondola
Prestazioni
Cowl lip aligned to the local flow slope (lower reflected shock strength);
Presa dinamica
Supersonica
Normal shock located at the throat to allow critical operations.
Avviamento
B2
A2 = C1
θ2= 42°
compressions
δ2= 12¡
S1
expansion
B2
S1
S3
θ1= 33¡
spilled mass flow
captured mass flow
R2
A2 = C1
Presa del Concorde
R1 C2
C2
S2
δ1= 10°
S0
A1
isentropica
Criteri di progetto
B1
S0
A1
A2 = C1
B'2
B2
B1
compressions
B'2
S1
S1
spilled mass flow
S3
captured mass flow
expansion
B2
R2
A2 = C1
C'2
C'2
C2
C2
S2
S2
S0
S0
A1
B1
Figure: Single and multiple oblique shocks
design
A1
B1
Figure: Shocks focused at or below the
surface.
11.217
Presa d’aria
There exists two options to define one intake geometry:
# 1 to prescribe the values of the Mach number Mth and flow deviation σth at
the throat (upstream the normal shock);
# 2 to find the geometry yielding the maximum total pressure recovery ηmax .
An inverse design procedure will find the geometry that satisfies either one of
the two options
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
4
M=2.5
2x8
Optimal Geometry
M th=M o
Avviamento
3
isentropica
2x2
M=2.5
Presa del Concorde
2
2x8
M=6.5
Criteri di progetto
1
M=6.5
2x2
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Figure: Geometrie ottenute con diverso numero di rampe
11.218
Presa d’aria
Altitude
Ambient Pressure (p∞ )
Ambient Temperature (T∞ )
Specific Heat Ratio (γ∞ )
Reference Dynamic Pressure (q∞ )
Mach Number (M∞ )
Vehicle Angle of attack (α∞ )
Air flow in the intake (ṁ)
13 km
16579 kPa
216.7 K
1.4
72.5 kPa
2.5
1.8 - 3.2
1050 kg/s
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Table: Free-stream conditions during cruise phase.
Avviamento
Pressure (p1 )
Temperature (T1 )
Specific Heat ratio (γ1 )
Mach number (M1 )
Intake Angle of attack (α1 )
20278 kPa
228.4 K
1.35
2.37
0
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Table: Conditions downstream the forebody shock.
11.219
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
On-design performance
Presa del Concorde
Criteri di progetto
Area ratio of Internal Duct
15
A1/A2 ON: 2x8 Optimal
A1/A2 ON: 2x8 Mf=Mo/2 dev =-20
A1/A2 ON: 2x2 Optimal
A1/A2 ON: 2x2 Mf=Mo/2 dev =-8
10
5
3
4
5
6
Free-stream Mach number
11.220
Presa d’aria
Flusso Sub-critico
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
1.5
gondola
1.5
1.0
Prestazioni
y
y
1.0
0.5
Presa dinamica
Supersonica
0.5
0.0
0.0
0
1
2
3
4
0
5
x
1
2
3
4
x
5
Avviamento
1.5
1.0
1.0
isentropica
y
y
1.5
0.5
0.5
Presa del Concorde
0.0
0.0
0
0
1
2
3
4
x
1
2
3
4
5
Figure: (Top) Mach number di progetto =
2.5; (Bottom) Mach=2.4
x
5
Criteri di progetto
Figure: (Top) Mach = 2.3; (Bottom)
Mach=2.0.
11.221
Presa d’aria
Modello semplificato di flusso Sub-critico
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Riemann
Y
8
β
β2
β1
βS
S
M0
gondola
urto
iperbolico
ξ
(vertice X0 )
Prestazioni
linea sonica
Presa dinamica
Supersonica
M th =1
µ
A0
X0
X
standoff
condizione di
continuità
S
Ipotesi :
➩ Bowshock iperbolico
➩ Linea sonica rettilinea
➩ β S : angolo di distacco
.
m in
Avviamento
.
m
cowl lip
λS
out
λB
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.222
Presa d’aria
Flusso Super-critico
Off-design Flowfields (Mach number)
Presa Dinamica
1.272
5
Presa dinamica
Subsonica
2.328
1.932
M = 2.5
4
gondola
1.536
2.856
M = 3.0
Prestazioni
2.328
Presa dinamica
Supersonica
3
1.668
3.384
M = 3.5
2.724
Avviamento
2
isentropica
1.932
3.78
M = 4.0
Presa del Concorde
3.12
1
Criteri di progetto
M = 4.5
2.064
4.308
3.516
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
Figure: Mach number di progetto = 2.5; Mach fuori progetto da 2.5 a 4.5
11.223
Presa d’aria
Geometries designed at:
M∞ = 2.5, Mth = 1.25 and σth = −10 deg
M∞ = 4.5, Mth = 2.25 and σth = −10 deg
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
Off-design performance
1.0
gondola
200
0.9
Prestazioni
0.7
150
Mass flow
Total pressure recovery
0.8
0.6
0.5
Presa dinamica
Supersonica
100
0.4
0.3
P0i/P0f (tot)
P0i/P0f (tot)
P0i/P0f (tot)
P0i/P0f (tot)
0.2
0.1
0.0
2
3
50
Mo=2.5 Mt=1.25 dev=-10 Subcr
Mo=2.5 Mt=1.25 dev=-10 Crit
4
Mass Flow
Mass Flow
Mass Flow
Mass Flow
Avviamento
0
5
2
3
4
5
isentropica
Presa del Concorde
0.9
0.9
Total Pressure Recovery
1.0
0.8
Capture area ratio
Criteri di progetto
Intake Characteristic Curve
1.0
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
Capture Area Ratio Mo=2.5 Mt=1.25 dev=-10 Subcr
Capture Area Ratio Mo=2.5 Mt=1.25 dev=-10 Crit
Capture Area Ratio Mo=4.5 Mt=2.25 dev=-10 Subcr
Capture Area Ratio Mo=4.5 Mt=2.25 dev=-10 Crit
0.2
0.1
0.0
2
3
4
0.2
0.1
5
0.0
0.0
P0i/P0f (tot) Mo=2.5 Mt=1.25 dev=-10 Subcr
P0i/P0f (tot) Mo=2.5 Mt=1.25 dev=-10 Crit
P0i/P0f (tot) Mo=4.5 Mt=2.25 dev=-10 Subcr
P0i/P0f (tot) Mo=4.5 Mt=2.25 dev=-10 Crit
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Capture area ratio
11.224
Presa d’aria
Presa Dinamica
Presa dinamica
Subsonica
gondola
Prestazioni
Presa dinamica
Supersonica
Avviamento
isentropica
Presa del Concorde
Criteri di progetto
11.225

Theromdynamics Principles and EOS - Text

Transcript

Documenti analoghi

MICROSCOPIA ELETTRONICA

La solidità di un grande gruppo ceramico per il tuo futuro

comunicato Subsonica Ferrara

FOGLIO DI ESERCIZI: QUANTITA` DI MOTO

Subsonica | Rassegna Stampa

Subsonica http://www.subsonica.it/articolo.asp?IDArticolo

Stop - Giugno 2015

Contenitore isotermico ISO 150 litri.