AVmodels.ru - информация о моделях самолетов, моторах, аппаратуре радиоуправления
 
AVmodels.ru - модели самолетов
 

авиамоделизм - мир увлеченных

Главная
Авиамодели
Двигатели
Топливо
Воздушный винт
Статьи
Обратная связь
Каталог ссылок
Барахолка
Фотогалерея
Форум

  Главная > Двигатели > Выхлопные системы

Что же такое - ударная волна?

Представим себе полую цилиндрическую трубу, заполненную газом. С одного торца трубы в нее начинает вдвигаться с какой-то скоростью плоский поршень. Тогда перед поршнем возникнет область повышенного давления, которая тут же начнет распространяться вдоль трубы со скоростью звука. В случае, если скорость движения поршня мала, область высокого давления, бегущая по трубе "убежит" от поршня, передавая информацию следующим слоям газа в трубе о перемещении поршня. Это будет обычная звуковая волна, простое акустическое колебание в первой своей фазе. Заметьте, скорость перемещения этой волны давления (не самого газа!) постоянна для нормальных условий, и в воздухе равна 330 м/сек. С увеличением плотности газа и его температуры скорость распространения звука растет, но в данный момент это не столь принципиально.

Теперь представим, что скорость движения поршня возрастет до скорости звука, или даже превысит его. В этом случае газ не будет успевать передавать волну давления в трубе, в итоге в нем возникнет скачок давления - процесс перейдет в качественно другую фазу, физика которой уже не будет описываться законом Бойля-Мариотта и уравнением Клапейрона. Разумеется, газ не спрессуется до твердого состояния (максимальное увеличение плотности двухатомного газа равно шести), он будет продолжать сжиматься, но уже не адиабатически по Бойлю-Мариотту, а по адиабате Гюгонио (ударение на последнем "о").

Это и есть - ударная волна в газе, обладающая другими свойствами, а главное - другой, "сверхзвуковой", энергетикой и термодинамикой.

Кстати, не менее интересные эффекты наблюдаются и при ударном разрежении. Один из них заключается в том, что молекулы газа имеют предельную скорость распространения (движения) в пространстве, равную примерно 5-кратной скорости звука в том же газе. При выдвижении поршня из трубы с такой скоростью, газ не будет "успевать" за ним, и в зоне за поршнем будет образовываться вакуум. Не усматриваете парадокс - волны давления в газе распространяются со скоростью звука, а сами молекулы могут "летать" в пять раз быстрее. Но это так, к слову...

Корректное математическое описание этих процессов выходит за рамки данной статьи, но желающие могут самостоятельно познакомиться с ними, изучив специальную литературу. Моя задача - дать лишь качественное описание некоторых моментов, которые возникают в газе на "запредельных режимах" сжатия. Поэтому я и позволяю себе некоторые вольности в рассуждениях.

А теперь давайте рассмотрим упрощенную модель процесса выхлопа. Положим, что выхлопное окно цилиндра переходит в цилиндрическую трубу единичного сечения S, длина которой существенно больше ее диаметра. Положим, также, что на воздушный столб в этой трубе воздействует абстрактный поршень, скорость движения которого равна скорости газов, истекающих из выхлопного окна в момент его открытия в конце рабочего такта. Достоверно указать эту скорость я не берусь - она зависит от множества параметров, но прикинуть эту величину можно.

Пусть давление в цилиндре единичного объема V в момент открытия выхлопного окна в 100 раз превышает атмосферное. Цифра очень условная, но думаю, она одного порядка с реальной. Следовательно, в соответствии с законом Бойля-Мариотта, объем выхлопных газов после их расширении в свободном пространстве будет равен 100V.

Время открытия выхлопного окна можно посчитать достаточно точно, зная величину фазы выхлопа и обороты двигателя. Пусть фаза равна 180 градусам, а обороты - 42.000 об/мин, или 1/700 сек-1. Тогда учитывая, что основной объем выхлопных газов вытекает из цилиндра примерно за 1/3 полуфазы выхлопа (затем уже происходит "довытекание" остатков с существенно меньшей скоростью), определим время t, в течение которого происходит основная часть процесса. Оно будет равно 1/6 от 1/700 секунды, или примерно t=0,00024 секунды. Именно в течение этого короткого времени на газовый столб в выхлопной трубке (цилиндре), находящийся к началу процесса в относительном покое, будет воздействовать наш условный поршень, который за это время должен продвинутся на расстояние L, равное 100V/S или (для нашего случая) L=1 м. Предположим, что S=1 (фактически всегда в 2-3 раза меньше), тогда зная время t=0,00024 сек, и расстояние (путь) L=1 м, можно посчитать среднюю скорость, с которой будет двигаться наш поршень:

V = 1/0,00024 = 4166 м/сек.

Даже если я где-то в своих допущения и рассуждениях ошибся в 10 раз, то и тогда скорость движения газового потока в момент выхлопа должна быть не менее 400 м/сек, что однозначно выше скорости звука, равной 330 м/сек! Следовательно, есть основание утверждать, что процессы в выхлопной системе близки к тем, которые принято считать ударными волнами.

Теперь следует вспомнить об уравнении Клапейрона, из которого следует, что газ, сжимаемый по адиабате, нагревается пропорционально давлению. Следовательно, порция выхлопного газа в выхлопной трубе от предыдущего такта выхлопа, которая еще не успела остыть до температуры окружающей среды, при последующем такте выхлопа будет нагреваться уже от сжатия, и ее температура по Клапейрону может возрасти, в нашем случае почти в 10 раз. Здесь температура измеряется не в градусах Цельсия, а в градусах Кельвина (в абсолютных градусах), но это меняет картину не в лучшую сторону. И даже если выхлопной газ остыл после предыдущего такта выхлопа до 330-350°К (60-80°С), его температура при очередном выхлопе снова может возрасти, но уже до 3300-3500°К! Разумеется, речь идет лишь о мгновенных локальных нагревах некоторых зон в выхлопной трубе, а не всего объема газов внутри нее в течение длительного времени.

Я конечно, несколько сгущаю краски, и картина не настолько мрачная в действительности. Но в определенных условиях нельзя исключать вероятность возникновения в выхлопном тракте описанных выше эффектов, связанных с ударными волнами, пусть и гораздо меньшей эффективности...

Возможно, позже я еще буду возвращаться к азам теории ударных волн, если такая необходимость возникнет в ходе написания материала по работе выхлопных устройств.

Продолжение следует...

И.В. Карпунин (aka Glider)

Обсудить на форуме

Ваша реклама



Copyright © 2007-2017 «AVmodels.ru»
Использование материалов сайта разрешается только с указанием ссылки на первоисточник.