DE1209773B

DE1209773B - Verfahren zum Erzeugen von Stroemungen hoher Machzahlen

Info

Publication number: DE1209773B
Application number: DER33213A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Lorant Balogh; Dipl-Phys Viktor Denk; Erhard Klinkhardt; Dr-Ing Eugen Saenger
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1962-07-27
Filing date: 1962-07-27
Publication date: 1966-01-27
Also published as: US3398507A; GB1047586A; DE1255349B; CH485212A; CH407587A; FR94711E

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Q.:

GOIm

Deutsche KI.: 42 k-20

Nummer: 1209773

Aktenzeichen: R33213IXb/42k

Anmeldetag: 27. Juli 1962

Auslegetag: 27. Januar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Strömungen hoher Machzahlen in einem im wesentlichen zweiphasigen Gemisch stark herabgesetzter Schallgeschwindigkeit, bei dem die verschiedenphasigen Anteile fein und gleichmäßig untereinander vermischt sind.

Für technische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an schnellen Luftfahrzeugen, Flugkörpern, Raumfahrzeugen usw. und an deren Triebwerken, wie Turbinenstrahltriebwerken, Staustrahltriebwerken, Raketentriebwerken usw. sind aerodynamische Experimentaluntersuchungen mit Strömungen hoher Machzahlen erforderlich, d. h. mit Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als fünffacher Schallgeschwindigkeit im betreffenden Strömungsmedium.

Diese Untersuchungen erstrecken sich auf die Außenumströmung und Innendurchströmung der Versuchsobjekte und dienen in erster Linie der Aufklärung des mechanischen, thermischen und elektrischen usw. Verhaltens der Strömung und werden in Windkanälen, Prüfständen usw. ausgeführt.

Für 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, daß man bei mäßigen Strömungsgeschwindigkeiten die Schallgeschwindigkeit im Strömungsmedium stark herabsetzt.

Ein bekanntes Mittel dafür besteht darin, daß man beispielsweise ein gas- oder dampfförmiges Strömungsmedium mit feinverteilten, schweren flüssigen oder festen Massen (Nebeltröpfchen, Staub, Flüssigkeitshäuten usw.) beschwert, so daß eine sehr dichte Nebel-. Staub- oder Schaumströmung entsteht, in der die leichte gasförmige Komponente und die schwere flüssige oder feste Komponente zu gemeinsamer mechanischer Wirkung gelangen, d. h. möglichst vollständiger Impulsaustausch zwischen ihnen stattfindet. Bei einem derartigen Gemisch sinkt die Schallgeschwindigkeit unter die Schallgeschwindigket der Einzelkomponenten.

Es ist bereits bekannt, daß derartige Wasser-Luft-Gemische bei Wasserstrahl- oder teilbeaufschlagten Kreiselpumpen vorkommen. Auch ist bereits vorgeschlagen worden, derartige zweiphasige Gemische mit herabgesetzter Schallgeschwindigkeit zur Untersuchung von Vorgängen in Überschallströmungen bei hohen Machzahlen zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Erzeugen von Strömungen hoher Machzahlen, bei dem die verschiedenen flüssigen Anteile besonders fein und gleichmäßig vermischt sind.

Verfahren zum Erzeugen von Strömungen hoher
Machzahlen

Anmelder:

Rheinmetall G. m. b. H.,
Düsseldorf, Ulmenstr. 125

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Lorant Balogh, Eriskirch;
Dipl.-Phys. Viktor Denk, Wittlaer;
Erhard Klinkhardt, Hochdahl;
Dr.-Ing. Eugen Sänger f, Berlin

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch geeignete Strömungskanäle ein unter erhöhtem Druck stehendes, im wesentlichen homogenes Medium entspannt wird, bei dem einer der verschiedenphasigen Anteile des gewünschten Gemisches in einem solchen Verhältnis in dem andersphasigen Anteil gelöst ist, daß der gelöste Anteil beim Entspannen mindestens teilweise frei wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß beim Entspannen automatisch ein besonders fein und gleichmäßig vermischtes zweiphasiges Gemisch entsteht, da in jedem Teilbereich des unter erhöhtem Druck stehenden, im wesentlichen einphasigen Mediums der andersphasige Anteil in gleichem Maße gelöst ist, wobei durch die Entspannung des homogenen Mediums über geeignete Strömungskanäle dem Gemisch gleichzeitig eine Strömungsgeschwindigkeit hoher Machzahl erteilt werden kann. Ferner bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß die Schallgeschwindigkeit des Gemisches durch entsprechende Wahl des Sättigungsgrades des homogenen Mediums an gelöstem Anteil eingestellt werden kann.

Alternativ oder zusätzlich kann die Schallgeschwindigkeit des Gemisches durch Verändern des Entspannungsdruckes geändert werden.

Vorzugsweise wird als unter erhöhtem Druck stehendes Medium eine im wesentlichen flüssigphasige Lösung eines nach dem Entspannen gasförmigen Gemischanteils in flüssigkeitsphasigen Gemischanteil verwendet.

Zweckmäßigerweise wird das homogene Medium in Form einer gesättigten Gas-Flüssigkeits-Lösung

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einem Vorrat bei bestimmtem, mittlerem Druck, z. B. Atmosphärendruck, entnommen und dann, vorzugsweise durch Pumpen, auf den erhöhten Druck gebracht, ohne dabei Gelegenheit zur Aufnahme weiteren Gases zu haben.

Bei einer besonders vorteilhaften Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirkt die Strömung hoher Machzahl selbst als Unterdruckpumpe, um den zur Gemischbildung erforderlichen hinreichend niedrigen Entspannungsdruck zu schaffen.

Durch Zusetzen feinverteilter, fester Stoffe kann die Schallgeschwindigkeit des Gemisches weiter gesenkt und/oder das Ausscheiden des gelösten Anteils unterstützt werden.

Vorzugsweise werden in die Strömung Störkörper, wie .z. B. Turbulenzgitter, Abreißgitter oder Abreißkanten, eingebracht, die ein beschleunigtes Freiwerden bzw. Ausscheiden des gelösten Anteils bewirken.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der schematischen Zeichnung an Ausführungsbeispielen ao näher erläutert.

In F i g. 1 ist der theoretische Verlauf der Schallgeschwindigkeit α in Gemischen aus Wasser und Luft in Abhängigkeit vom gewichtsmäßigen Anteil der Luft am Gemisch aufgezeichnet für den Fall, daß das Gemisch unter 0,02 ata Druck steht und niedere Temperatur hat.

Bei dem niedrigen Gewichtsanteil der Luft von 2 · 10~⁵ am Gemisch, bei dem Luft- und Wasservolumen des Gemisches etwa gleich groß sind, weist die Schallgeschwindigkeit des Gemisches ein flaches Minimum von etwa 3,4 m/sec auf, während die Schallgeschwindigkeit im luftfreien Wasser bekanntlich bei 1500 m/sec und in Luft bei 340 m/sec liegt.

Bei Gemischen zwischen anderen Flüssigkeiten bzw. anderen Gasen sind die Verhältnisse sehr ähnlich.

Um nun schnelle Strömungen derartiger gasarmer Gemische praktisch herzustellen, soll die Flüssigkeit so niedrige Temperatur haben, daß ihr eigener Dampfdruck vernachlässigbar ist.

Der maximal absorbierbare Gewichtsanteil des Gases in der Flüssigkeit ist bei festgehaltener Temperatur nach dem bekannten Henryschen Gesetz in weiten Bereichen proportional dem Druck. In Fi g. 1 ist das Henrysche Gesetz für die Lösung von Luft in Wasser dargestellt, und man erkennt, daß beispielsweise in Wasser von 1 ata Druck ein Gewichtsanteil bis zu etwa 2 · 10~⁵ gelöst werden kann, also jener Gewichtsanteil, der nach völliger Ausscheidung das Minimum der Schallgeschwindigkeit im Luft-Wasser-Gemisch ergeben würde.

Erfindungsgemäß wird die unter erhöhtem Druck stehende Gas-Flüssigkeits-Lösung in einer Ausströmdüse bis auf einen vorgewählten niedrigen Außendruck p₂ entspannt.

Einerseits nimmt dabei die Flüssigkeit eine Ausströmgeschwindigkeit ν an, die näherungsweise durch die einfache hydrodynamische Beziehung

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-Y-

bestimmt ist, da die Gesamtenthalpie des geringen Gasanteiles nur Bruchteile von Promille des Energiegehalt&s der Duckflüssigkeit ausmacht, also das Gas zur Beschleunigung der Strömung praktisch nicht beiträgt. In der Formel bedeutet Q die Flüssigkeitsdichte. Beim Entspannen von Wasser von 20 ata auf 0,02 ata ergibt sich etwa ν = 65 m/sec.

Andererseits wird nun bei dieser Druckabsenkung gleichzeitig nach dem Henryschen Gesetz ein Teil des gelösten Gases aus der Lösung ausgeschieden und erscheint in der Flüssigkeit in Form von Bläschen oder Zwischenräumen zwischen Flüssigkeitströpfchen.

Es läßt sich leicht erreichen, daß die Menge des desorbierten Gases in der zur Erzielung kleinster Schallgeschwindigkeit erforderlichen Höhe liegt, so daß in unserem Beispiel die Schallgeschwindigkeit auf etwa 3,4 m/sec sinkt und damit das Verhältnis von Strömungsgeschwindigkeit zu Schallgeschwindigkeit, also die Strömungsmachzahl gleich

— = -vT- = 19 wird, also im Bereich hoher Mach a 3,4 '

zahlen liegt.

Da man mit der Differenz zwischen Anfangsdruck P₁ und Enddruck p₂ die Strömungsgeschwindigkeit in der Hand hat, und unabhängig davon im Rahmen dieses Druckbereiches den gelösten bzw. ausgeschiedenen Gasanteil und damit die Schallgeschwindigkeit, kann man eine Strömung mit jeder gewünschten Machzahl bis zu extrem hohen Weiten beliebig einstellen.

Beispielsweise läßt sich im verwendeten Zahlenbeispiel des Luft-Wasser-Gemisches eine erwünschte Gasausscheidung von 2 · 10~⁵ dadurch erreichen, daß Wasser von Atmosphärendruck und 10° C Temperatur, das nach der Henryschen Kurve in gesättigter Lösung etwa 2 · 10~⁵ Gewichtsanteile Luft enthält, mittels einer Pumpe in geschlossenem Rohrsystem auf 20 ata Druck gebracht wird, ohne daß es Gelegenheit zur Erhöhung seines Luftgehaltes entsprechend der nun höheren Löslichkeit erhält. Bei der anschließenden Entspannung auf beispielsweise 0,02 ata Druck wird dieser gelöste Gasanteil nach der Henry-Kurve in F i g. 1 fast restlos desorbiert und erzeugt so das gewünschte Gemisch.

Die in F i g. 2 dargestellte Anlage zum Erzeugen von Strömungen hoher Machzahlen besteht im wesentlichen aus einem Druckbehälter 1, der eine Gas-Flüssigkeits-Lösung 2 unter erhöhtem Druck enthält, und einer Ausströmdüse A, in der der Druck der Lösung bis auf den Außendruck, in diesem Fall den Druck der Umgebungsatmosphäre 5, abfällt.

Im Druckkessel 1 kann der Druck während der Ausströmung beispielsweise durch Druckgas aufrechterhalten werden, das in genügender Menge im Kessel vorgesehen ist oder laufend ergänzt wird. In diesem Fall wird sich das Druckgas bis an seine, seinem Druck entsprechende Sättigungsgrenze in der Flüssigkeit lösen.

Alternativ kann die Flüssigkeit im Druckbehälter 1

— wie Fig. 2 bei 3 andeutet — durch eine Druckpumpe od. dgl. laufend ergänzt und so der Druck aufrechterhalten werden, wobei die Möglichkeit besteht, die Flüssigkeit nur bis zum Sättigungsgrad des niedrigeren Druckes im Vorratsbehälter vor der Pumpe mit Gas anzureichern.

Um die Ausscheidung des gelösten Gases aus der Flüssigkeit während des Ausströmvorganges in den Strömungsbereichen schon niedrigeren Druckes zu beschleunigen, sind im Strömungsweg, im Bereich der Ausströmdüse 4, Abreißkanten bzw. Abreißgitter 6 eingebaut, die freie Oberflächen im Innern der

Flüssigkeit schaffen. Aus der Ausströmdüse 4 tritt die Strömung 7 hoher Machzahl aus.

F i g. 3 stellt eine analoge Anordnung dar, bei der die Entspannung des in einem Druckbehälter 1' unter erhöhtem Druck stehenden Mediums 2' auf einen niedrigeren Druck als den Umgebungsdruck der Atmosphäre in einer Niederdruckstrecke 8 erfolgt. Dabei wird — wie F i g. 3 zeigt — die sich entspannende Strömung T hoher Machzahl selbst nach Art einer Flüssigkeitsstrahl-Vakuumpumpe zur Erzeugung des Niederdruckes 5' in der Entspannungsstrecke 8 benutzt. Alternativ kann der niedrige Druck in der Niederdruck- bzw. Entspannungsstrecke 8 auch mittels besonderer Vakuumpumpen aufrechterhalten werden. Die Strömung T wird am Ende der Entspannungsstrecke 8 in einer Fangdüse 9 aufgefangen.

Claims

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zum Erzeugen von Strömungen hoher Machzahlen in einem im wesentlichen zweiphasigen Gemisch stark herabgesetzter Schallgeschwindigkeit, bei dem die verschiedenphasigen Anteile fein und gleichmäßig untereinander vermischt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein unter erhöhtem Druck stehendes, im wesentlichen homogenes Medium, bei dem einer der verschiedenphasigen Anteile des gewünschten Gemisches in einem solchen Verhältnis in dem andersphasigen Anteil gelöst ist, daß der gelöste Anteil beim Entspannen mindestens teilweise frei wird, durch geeignete Strömungskanäle entspannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit des Gemisches durch entsprechende Wahl des Sättigungsgrades vom gelösten im andersphasigen Anteil des unter erhöhtem Druck stehenden Mediums eingestellt wird.

3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallgeschwindigkeit des Gemisches durch Verändern des Entspannungsdruckes ändert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das homogene Medium in Form einer gesättigten Gas-Flüssigkeits-Lösung einem Vorrat bei bestimmtem mittlerem Druck, z. B. Atmosphärendruck, entnommen und dann, vorzugsweise durch Pumpen, auf den erhöhten Druck gebracht wird, ohne dabei Gelegenheit zur Aufnahme weiteren Gases zu haben.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung hoher Machzahl selbst als Unterdruckpumpe wirkt, um den zur Gemischbildung erforderlichen hinreichend niedrigen Entspannungsdruck zu schaffen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zusetzen feinverteilter, fester Stoffe die Schallgeschwindigkeit des Gemisches weiter gesenkt und/oder das Ausscheiden des gelösten Anteils unterstützt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Strömung Störkörper, wie z. B. Turbulenzgitter, Abreißgitter oder Abreißkanten gebracht werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
VDI-Zeitschrift, 1957, Nr. 30, S. 1535, 1536.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen