Como o fluxo de massa é calculado?

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Eu tenho me perguntado como a taxa de fluxo de massa é determinada pela área da superfície de entrada de ar do motor e a velocidade de entrada do ar.

No ar parado, é compreensível que um motor estacionário absorva o ar na mesma proporção em que é exaustivo, com base na preservação do momento do ar. Então, a taxa de fluxo de massa através da superfície de entrada do motor pode ser facilmente calculada.

No entanto, em atmosfera calma com o mesmo motor montado apenas em uma aeronave cruzando em linha reta, nível e velocidade constante $ v $, não é óbvio para mim como determinar a taxa de fluxo de massa.

Em particular, mantendo a unidade da área da superfície de entrada de ar, podemos determinar a taxa de fluxo de massa com base apenas em $ v $?

    
por BenjaminTeoh 08.10.2015 / 18:40

2 respostas

A resposta curta é: Não. Não se pode calcular o fluxo de massa de entrada com base apenas na velocidade. No entanto, para "conhecer" a velocidade ($ v $), você provavelmente teria medido tudo o que precisa (veja abaixo).

Sua confusão com relação ao fluxo de massa de entrada e saída pode ser baseada no fato de que a entrada não "coleta" todo o ar a montante, dependendo da velocidade de vôo.

A chave não é pensar na área geométrica da entrada, mas na área do tubo em volta do ar que entra na entrada.

A velocidade a montante da entrada não é igual à velocidade do ar (voo subsónico) porque o campo potencial da entrada desacelera (ou acelera) o fluxo a montante da entrada e expande (ou contrai) o tubo de corrente (de Wikipedia ):

Para calcular o fluxo de massa, precisamos determinar a velocidade e as propriedades do ar. (por favor, observe que a velocidade do ar ($ u $) na entrada não é igual a free-stream-spped ($ v $))

Normalmente, as propriedades medidas são:

As seguintes equações são usadas para calcular o fluxo de massa ($ \ dot {m} $). Simplificações são normalmente feitas para velocidades baixas desnecessariamente, com exceção de um erro de 5%. A abordagem a seguir não usa essas simplificações.

A equação que precisa ser resolvida no final é:

$ \ dot {m} = Um \ cdot \ rho \ cdot u $

Negligenciando efeitos de bloqueio e não-uniformidades, a densidade ($ \ rho $) e a velocidade na entrada ($ u $) são desconhecidas e precisam ser derivadas dos valores medidos.

Primeiro , o Mach-Number é calculado resolvendo a seguinte equação (ver Nasa) para o Mach-Number, $ M $:

$ \ frac {p_ \ mathrm {s}} {p_ \ mathrm {t}} = \ left (1 + \ frac {\ gama - 1} {2} M ^ 2 \ right) ^ {\ frac { \ gamma} {\ gamma-1}} $

Aqui $ \ gamma $ é o coeficiente isentrópico que gira em torno de $ 1,4 $ para o ar, dependendo da umidade.

Segundo , com o Mach-Number, $ M $, podemos usar outra relação isentrópica para calcular a temperatura estática, $ T_ \ mathrm {s} $:

$ \ frac {T_ \ mathrm {s}} {T_ \ mathrm {t}} = \ left (1 + \ frac {\ gamma - 1} {2} M ^ 2 \ right) ^ {- 1} $

Terceiro , usando a lei dos gases ideais , a densidade ($ \ rho $) pode ser calculado:

$ \ rho = \ frac {p_ \ mathrm {s}} {RT_ \ mathrm {s}} $

Aqui, $ R $ é a Constante de gás específica .

Forth , usando a equação para velocidade do som , $ a $

$ a = \ sqrt {\ gama R T_ \ mathrm {s}} $

Finalmente Quinto , utilizando a definição do Mach-Number, $ M $, a velocidade do ar ($ u $) pode ser calculada:

$ M = \ frac {u} {a} $

Agora, todos os valores ausentes estão disponíveis para calcular o fluxo de massa. Essa abordagem pode ser facilmente expandida para cobrir o ar úmido ajustando $ R $ e $ \ gamma $ em relação à umidade relativa.

Como mencionado em outras respostas: A ineficiência da não-uniformidade do fluxo causada por camadas limites ou distorções de entrada (por exemplo, entrada-duto) precisa ser corrigida usando uma calibração.

    
08.10.2015 / 20:22

Você precisa de sensores de pressão, sensores de temperatura e sensores de velocidade de fluxo. Todos os três juntos permitem calcular o fluxo de massa. Inicialmente, isso é feito com matrizes de sensores para descobrir a distorção da ingestão e a falta de homogeneidade do fluxo. Uma vez que a entrada tenha sido calibrada, um sensor discreto de cada tipo serve.

    
08.10.2015 / 21:50