Aviso nº 1:
Evitarei a conservação de energia, mas não posso deixar de lado a conservação em massa, obviamente.

Aviso nº 2:
Tanto a velocidade quanto a pressão se estabelecem de uma forma que cumpre as leis da física. Não é como se assenta primeiro, depois o segundo segue. Não deixe minha frase te enganar.

Aviso nº 3:
Não vou considerar a temperatura além da velocidade, densidade e pressão. É demais para uma explicação.

Existem muitas, muitas maneiras de ver isso.

A resposta errada mas fácil

Pessoas que "simplesmente" dizem:

Velocity goes down and pressure goes up.

Estão, frequentemente, errados. Isso só é válido em fluxos perfeitos, incompressíveis e irrotacionais e é conhecido como Princípio de Bernouilli . Se o meu professor de aerodinâmica (francês!) Ouviu alguém mencioná-lo, essa pessoa provavelmente perderia pontos! Estas condições estão frequentemente longe da realidade, pelo que as consequências não se sustentam sempre. No entanto, ele pode ser usado como uma diretriz para obter uma sensação sobre um fluxo de baixa Mach.

(Note em fluxos localmente supersônicos, o oposto exato pode ser aplicado, então este aviso é legítimo!)

Energia

A resposta mais fácil é a conservação de energia. Você mencionou que queria outra:

I understand the energy conservation

Então eu vou passar.

Forças

Seu bico é um manifold convergente, seu difusor é divergente. Um age exatamente oposto ao outro (apenas inverta o tempo em fluxo constante), então eu vou abordar bicos rasos axisimétricos convergentes . Falta de disposição significa que a velocidade é quase axial em todos os lugares.

Além disso, na aviação estamos preocupados com os aviões, então eu assumirei que a velocidade de entrada está restrita e não pode diminuir.

Vamos primeiro ao equilíbrio.

Agora tente encher um fluido imóvel através de um tubo de restrição. Não vai gostar, e vai resistir (inércia, mais a pressão da superfície do componente axial do bocal, etc. ver? Forças!), Aumentando assim a sua pressão. Esse aumento de pressão se propaga para todo o consumo e aumenta essa pressão. E agora a entrada tem tudo de que precisa para empurrar o fluido inteiro para a frente:

• alta pressão de entrada P0
• velocidade de admissão restrita V0

Assim, o fluido se move efetivamente pelo tubo.

Como descrever o equilíbrio

Em seguida, aplique a conservação da massa. Força o fluxo de conservação em qualquer seção do fluido com A×V×rho=Cte . Se a área frontal for restrita, a velocidade e a densidade devem aumentar. A quantidade pela qual cada aumenta depende das propriedades do fluido (compressibilidade, etc.). Então aqui vai: a velocidade deve aumentar no bico convergente . Também como subproduto, a densidade pode aumentar .

Como isso acontece?

Simplesmente, uma força deve empurrar o fluido. Lembre-se que a entrada tem pressão muito alta necessária para manter o fluxo constante? Bem, essa pressão está impulsionando o fluido (e <<> deve ser uma pressão baixa na extremidade mais apertada (saída) também).

Se fizermos uma análise estática de uma fina seção de fluido, ela terá baixa velocidade atrás e alta velocidade na frente, de modo que cada molécula esteja acelerando. A seção atrás fornece alta pressão, essa pressão se traduz em uma força axial, as moléculas se aceleram. A seção na frente tem pressão mais baixa e não recua tanto. Aquele empurrando para a frente - duro / não empurrando para trás - é o diferencial de pressão .

Então, ao longo do fluxo, devemos ver a pressão diminui .

Lá vai você, eu usei:

suposição
• de fluxo constante
• conservação de massa
• segunda lei de Newton

Olhe Ma, sem energia!

P.S desculpe se eu soar como eu falo com um 5 y.o. !

Enquanto esperamos por uma resposta provavelmente melhor, aqui está minha tentativa.

Você afirma que entende o conceito de fluxo de massa constante. Vamos por um momento escrever o fluxo de massa corretamente:

$$ \ dot {m} = \ rho A v $$

à esquerda temos o fluxo de massa $ \ dot {m} $, à direita temos a densidade $ \ rho $, a área $ A $ e a velocidade $ v $.

Se quisermos que $ \ dot {m} $ seja constante enquanto mudamos $ A $, precisamos alterar $ \ rho $ e $ v $ de acordo. Nestes cenários, $ \ rho $ é considerado praticamente constante, deixando apenas a velocidade como variável livre. Embora isso possa ser mais verdadeiro para líquidos, não está muito longe da realidade também quando o ar está envolvido (embora você possa observar pequenas variações na densidade).

De onde vêm as forças? As paredes do duto e do fluido a jusante (quando desacelerando, o fluido que já está em uma velocidade mais lenta efetivamente funcionará como uma "parede" para o fluido que entra) ou o fluido a montante (quando acelerar o fluido entrará empurrará o resto o fluido como um pistão de extrusão).

Em outros termos, a energia necessária vem do diferencial de pressão (o fluido mais rápido tem pressão mais baixa).

1. Mudança de velocidade e pressão

Vamos começar com algo familiar. No difusor, a energia se difunde ao redor do ponto de entrada dentro de um volume crescente como o ar de um ventilador:

O trabalho adicional sendo difundido, a certa distância, a adição de pressão dinâmica torna-se insignificante e a mudança de velocidade é nula. Intuitivamente, você vê que o ar sendo empurrado pelo ventilador e parado a certa distância pelo atrito com o ar ambiente é, por definição, comprimido. Então, a compressão está ligada à diminuição da velocidade.

2. Velocidade e inércia

Agora vamos ver o que acontece no nível molecular. Você pode pensar em um bilhar, se uma bola bate em um pacote de bolas, a velocidade comunicada para as bolas no pacote é menor do que a velocidade da bola de bater, devido à inércia.

Então, aqui entendemos que, se o número de moléculas que recebe energia aumenta, então a velocidade comunicada diminui.

3. Aplicativo para o difusor

No fluxo subsônico, assim que a área da seção transversal aumenta, a densidade tenta equalizar e o número de moléculas também aumenta nessa seção transversal. O número de moléculas ao longo do eixo do difusor forma um gradiente.

Se você olhar para qualquer plano vertical normal (perpendicular) ao eixo do difusor: No lado menor (lado esquerdo) há menos moléculas do que no lado maior (mão direita).

Isso significa menos energia (pressão total) do que o necessário para manter a mesma velocidade entre essa seção transversal da esquerda. As moléculas começam a diminuir, a pressão estática aumenta. O processo continua, e ainda menos energia é comunicada a moléculas individuais a jusante. Isso se repete enquanto a seção transversal continuar a aumentar.

A explicação de alto nível é válida desde que não haja troca de calor entre o ar no difusor e o exterior ( compressão adiabática onde o trabalho aumenta a temperatura do ar), senão a relação entre pressão e velocidade é mais complexa à medida que a energia entra no difusor como pressão dinâmica, mas também deixa o difusor como calor liberado.