CH407587A - Verfahren zum Betrieb von Versuchseinrichtungen für Hyperschallströmung - Google Patents

Description

  



  Verfahren zum Betrieb von   Versuchseinrichtungen    für   Hyperschallskömung   
F r technische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an   schnellen Lu. ftfahrzeugen, Flugkörpern    Raumfahrzeugen usw. und an deren Triebwerken wie   Turbinenstrahltriebwerken,    Staustrahltriehwerken, Raketentriebwerken usw.   sine.    aerqdynamische    Experimentaluntersuchungen mit Hyperschallströ-      mung    erforderlich,   d.    h. mit   Strömungsgeschwindig-    keiten von mehr als etwa fünffacher Schallgeschwin  digkeit    im betreffenden   Strömungsmadium.   



   Diese Untersuchungen erstrecken sich auf die    Aussenumströmung und Innendurchströmung der    Versuchsobjekte, dienen in erster Linie der Aufklärung des mechanischen, thermischen   und elektri-    sch, en usw. Verhaltens der Strömung   und werden in    WindkanÏlen, Pr fstÏnden usw. ausgef hrt.



   F r gewisse Aufgaben kann man sich auf die mechanischen Wirkungen der Strömung beschränken und in diesem Fall die hohen Verhältnisse von Strömungsgeschwindigkeit zu Schallgeschwindigkeit auch dadurch erzielen, da¯ man bei mässigen Strö    mungsgeschwindigkeiten die Schallgeschwindigkeit im    Strömungsmedium stark herabsetzt.



   Ein bekannbes Mittel dafür besteht darin, dass man beispielsweise ein   gas- oder dampfförmiges    Strömungsmedium mit feinverteilten, schweren fl ssigen oder festen Massen   (Nebeltröpfchen,    Staub,   Flüssigkeitshäuten usw.) beschwert,    so dass eine sehr dichte Nabel-, Staub- oder Schaumstr¯mung entsteht, in der die leichte gasf¯rmige Komponente und die schwere flüssige oder feste Komponente zu gemeinsamer mechanischer Wirkung gelangen, d. h.   möglichst vollständiger Impulsaustausch zwi-    schen ihnen stattfindet.



   Nach den Gesetzen der Mechanik und nach der Erfahrung sinkt die Schallgeschwindigkeit eines derartigen Gemisches unter die Schallgeschwindigkeit der Einzelkomponenten.



   Als Beispiel f r dieses Verhalten ist in Fig. 1 der theoretische Verlauf der Schallgeschwindigkeit a in   Gemischem    aus Wasser und Luft in   Abhängig-    keit vom gewichtsmϯigen Anteil der Luft am Gemisch aufgazeichnet f r den Fall, dass das Gemisch unter 0, 02 ata Druck steht und niedere Temperatur hat.



   Die Gemisch-Schallgeschwindigkeit besitzt ein flaches Minimum von etwa 3,   4    m/sec bei dem sehr niedrigen Geiwichtsanteil von 2 10-5 der Luft    am Gemisch, wobei das Lusstvolumen und das Wasj-      servolumen    im Gemisch etwa gleich gross   sind, wäh-    rend (die Schallgeschwindigkeit im   luftfreien    Wasser bekanntlich bei 1500 m/sec und in Luft bei 340   m/sec liegt.   



   Bei Gemischen zwischen anderen Fl ssigkeiten bzw. anderen Gasen sind die VerhÏltrnisse sehr Ïhnlich.



   Um nun schnelle Strömungen derartiger   gasarmer    Gemische praktisch herzustellen, soll erfindungsgemäss derartig vorgegangen werden, dass eine Lösung von Gas in Flüssigkeit so niedriger Temperatur, dass der Dampfdruck der Fl ssigkeit gening bleibt, und erhöhten Druckes, durch   geeignete Strömungs-    kanÏle auf niedrigeren Druck entspannt wird, so da¯ die Lösung   erhöhte Strömungsgeschwindigkeit    annimmt und einen Teil des gelösten Gases ausscheidet, wodurch die Schallgeschwindigkeit in dem entstehenden homogenen Gas-FlÏissigkeits-Gemisch    stark sinkt und eine Strömung hoher Überschall-    geschwindigkeit entsteht. 



   Der maximal absorbieribare   Gewicbtsanteil    des S Gases in der Flüssigkeit ist bei festgehaltener Temperatur nach dem bekannten Henryschen Gesetz in weiten Bereichen proportional dam Druck.



   In Fig.   1    ist auch dieses Gesetz f r die Lösung von Luft in Wasser. als   Anschauungsbeispiel    dargestellt, und   man erkannt, dass baispielsweise    in   Was-    ser von 1 ata Druck ein Gewichtsanteil bis zu etwa 2 gelöst werden kann, also jener   Gewichtsan-    teil, der nach völliger Ausscheidung das Minimum der Schallgeschwindigkeit im   Luft-Wasser-Gemisch    ergeben würde.



   Diese unter erhöhtem Druck befindliche Gas Fl ssigkeit-L¯sung kann bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in   veiner    Ausströmd se bis auf einen vorgewählten niedrigen Aussen  druok entspannt    werden.



   Einerseits nimmt dabei die Flüssigkeit eine Aus  strömgeschwindigkeit v    an, die   näherungswsise    durch   dis einfache hydradynamische Beziehung   
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 bestimmt ist, da die   Gssamtsnthalpie    des geringen Gasanteiles nur Bruchteile von Promille des Ener  giegehaltes    der Druckflüssigkeit ausmacht, also das Gas zur Beschleunigung der Strömung praktisch nicht beiträgt. In, der   Formel bedeutet e die Flüssilgkeitsr      dicte.    Bei der Wasserentspannung von 20 ata auf 0, 02 ata würde dies etwa v = 65 m/sec entsprechen.



   Anderseits wird nun bei, dieser Druckabsenkung gleichzeitig nach dem   Henryschen    Gesetz ein Teil des   gelosten    Gases aus der Lösung ausgeschieden und erscheint in der Flüssigkeit in Form   van    Bläschen oder Zwischenräumen zwischen   Flüssigkeitströpf-    chen, wie dies im täglichen Leben bei   Kohlensäure-    wassern, Schaumwein   u. sw. beobachtet    werden kann.



   Es   lässt sDich    leicht erreichen, dass die Menge des desonbierten Gases in der zur Erzielung kleinster Schallgeschwindigkeit erforderlichen Höhe liegt, so da¯ in unserem Beispiel die Schallgeschwindigkeit auf etwa 3, 4 m/sec sinkt und damit das Verhältnis von   Strömungsgeschwindigkeit zu Schallgeschwindig-    keit also die Strömungsmachzahl gleich v/a =   65/3,    4  =19 wird, also im hohen Hyperschallbereich liegt.



   Da man   mit der Differenz zwischen Anfangs-    druck pi und Enddruck   p      Strömungsgeschwin-    digkeit in der Hand hat, und unabhängig davon im Rahmen dieses Druckbereiches den gelösten bzw. ausgeschiedenen Gasanteil und damit die   Schall-    geschwindigkeit, kann man jede gewünschte Hyperschallmachzahl bis zu extrem hohen Werten beliebig einstellen.



   Beispielsweise lässt sich im verwendeten Zahlenbeispiel des Luft-Wasser-Gemisches eine erw nschte Gasausscheidung von   2-10-5    dadurch erreichen, dass Wasser von Atmosphärendruck und 10  C Tem  peratur,    das nach der   Henryschen    Kurve in   gesättig-    ter   Losung    g etwa 2 À 10-5 Gewichtsanteile Luft enthält, mittels einer Pumpe in geschlossenem Rohrsystem auf 20 ata Druck gebracht wird, wobei es keine Gelegenheit zur Erhöhung seines Luftgehaltes entsprechend der nun   hoheren      Lösungsmög-    lichkeit   bat.

   Bei der anschliessenden Entspannung    auf beispielsweise 0, 02 2 ata Druck wird dieser gel¯ste Gasanteil nach der Henry-Kurve in Fig. 1 fast restlos desorbiert und erzeugt so das gewünschte Gemisch.



   Durch entsprechende Wahl insbesondere der H¯he des   Anfangsdruckes    und   des desorbierten    Gasanteiles lϯt sich so jede gewünschte Strömungs  machzahl    einstellen.



   Die Fig. 2 und 3 stellen schematisch die Anord  nungen    zur Erzeugung von   Hyperschallstrahlen    nach dieser Erfindung dar, wie sie etwa f r WindkanÏle, Pr fstÏnde usw. verwendet werden können.



   Nach Fig. 2 besteht die Anlage im wesentlichen aus einem Druckbehälter, der die   Gas-Flussigkeit-    Lösung unter erhöhtem Druck enthält, und einer Ausströmdüse, in der der Druck der Lösung bis auf den Aussendruck, in diesem Fall den Druck der   Umtgebungsatmosphäre, abfällt.   



   Im Druckkessel kann der Druck während der Ausströmung beispielsweise durch Druckgas aufrechterhalten werden, das in   genügender Menge im    Kessel   vongesehen    ist, oder kann dieses Druckgas laufend ergänzt werden.



   In diesem Fall wird sich das Gas bis an seine dem Hochdruck   entsprechende Sättigungsgrenze    in der Flüssigkeit l¯sen.



   Oder aber kann die Flüssigkeit im Druckbehälter, wie Fig. 2 andeutet, auch durch eine Druckpumpe oder dergleichen laufend ergänzt und so der Druck aufrechterhalten werden, wobei die   Möglich-    keit besteht, die Flüssigkeit nur bis zum   Sättigungs-    grad des niedrigen Druckes im VorratsbehÏlter vor der Pumpe mit Gas anzureichern.



   Um die Ausscheidung des gelösten Gases aus s   der Flüssigkeit während des Ausströmvorganges    in den   Strömungsbereichon    schon niedrigeren Druckes zu beschleunigen, können in den Strömungsweg an   geeigneten Stellen Abreisskanten, Abreissgitter    usw. eingebaut werden, die freie Oberflächen im Innern der Flüssigkeit schaffen.



   Fig. 3 stellt eine, analoge Anordnung dar, bei der 'die Entspannung auf niedrigere Drücke als den Um  gebungsdruck    der Atmosphäre, und zwar in einen   Nisdendruakbehälter    erfolgt.



   Der   niedrige Druck in dem Vakuumbehälter kann    mittels besonderer Vakuumpumpen aufrechterhalten werden, es kann aber auch, wie Fig. 3 zeigt, der Hyperschallstrahl selbst zum Antrieb einer Fl ssigkeitstrahl-Vakcuumpumpe ben tzt werden und sich den Niederdruck zur Ansbildung ! des Hyperschallstrahles selbst erzeugen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung von Hyperschlallströ- mungen, dadurch gekennzaichnet, dass eine Lösumg von Gas in Fliissigkeit so niedriger Temperatur, dass der Dampfdruck der Flüssigkeit geling bleibt, und erhöhten Druckes, durch geeignete Strömungskanäle auf niedrigeren Druck entspannt wird, so dass die Losung erhöhte Strömungsgeschwindigkeit annimmt und einen Teil des gelösten Gaaes ausscheidet, wodurch die. Schallgeschwindigkeit in dem entstehen- den homogenen Gas-Flüssigkeit-Gemisch stark sinkt und eine Strömung hoher tJberschallgeschwindigkeit entsteht.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Hyperschallströmungen nach dem Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die unter erhöhtem Duck stehende GasFlüssigkeit-Lösung nicht bis zur Sättigungsgrenze der Lösung mit Gas angereichert ist, so dass im entspannten Hyperschallstrahl ein vorbestimmter niedriger Anteil von Gas. am Gemisch von Gas und Flüssigkeit eingestellt werden kann.

   2. Verfahren zur Herstellung von Hyperschall- strömungen nach dem Patentanspruch und dem Unr teranspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas Fl ssigkeit-L¯sung in gesÏttigtem Zustand einem Vorrat bei mittlerem Druck, z. B. Atmosphärendruck, entnommen, durch Pumpen auf höheren Druck gebracht wird, ohne dabei Gelegenheit zur Aufnahme weiteren Gases entsprechend der erhöhten Sätti) gungs- gremze zu haben, und dann anf niedrigere Drücke als den Anfangsdruck entspannt wird, so dass eine beliebige Gasausscheidung erreicht werden kann.

   3. Verfahren zur Herstellung von Hyperschall- strömungen nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hypeisdhallstrahl direkt zum Betrieb einer Vakuum-Fl ssigkeitsstrahlpumpe ben tzt wird und sich damit selbst, das Vakuum zur Entspannung der Hochdruck-Gas-Fl ssigkeit-L¯sung gegen s : ehr niedrige Dr cke schafft.

   4. Verfahren zur Herstellung von Hyperschallstr¯mungen nach dem Patentanspruch und den Un teranspmichen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an geeigneter Stelle der Strömungskanäle Störkörper, wie Turbulenzgitter, Abrei¯gitter, Abrei¯kanten, eingebaut werden, die eine beschleunigte Ausscheidung des gelösten Gases iaus der Fl ssigkeit bewirken.

   5. Verfahren zur Herstellung von Hyperschall- Strömungen nach dem Patentanspruch und den Untenansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da¯ durch Zusätze feinventeilter fester Stoffe zu der Gas Fl ssigkeit-L¯sung einerseits die Schallgeschwindigkeit im Strahl weiter gesenkt und anderseits die Aus scheidung des gelösten Gases aus der Flüssigkeit beg nstigt -und beschleunigt wird.