نازل و دیفیوزر

[amirhossein toranjian]

نازل و دیفیوزر
نازل به لوله‌ای ترمودینامیکی گفته می‌شود که سطح مقطع آن متغیر است و به منظور افزایش سرعت جریان خروجی و کنترل جهت آن به کار می‌رود. در نتیجه این تغییر مومنتم ، نیرویی ایجاد می‌شود. این نیرو را می‌توان به راحتی و با قرار دادن دست جلوی مسیر آب خروجی از شلنگ، آزمایش کرد.
به عنوان مثال، نازل موشک را در نظر بگیرید. خروج جرم از محفظه به سمت عقب و نیروی عکس‌العمل حاصل از آن در جهت مخالف، باعث ایجاد حرکت نسبی می‌شود. همان اندازه که ملخ در ایجاد نیروی محرکه یک هواپیمای ملخی اهمیت دارد، نازل هم در موتور جت مهم است. زیرا تبدیل انرژی به انرژی جنبشی اگزوز و مومنتوم خطی ناشی از آن که منجر به نیروی تراست (thrust) می‌شود، همگی داخل نازل اتفاق می‌افتد. اولین بار، نازل در سال ۱۸۸۸ میلادی و به طور همزمان در آلمان و سوئد اختراع شد. در برخی کتاب‌ها، تمام لوله‌هایی را که مطابق شکل زیر دارای سطح مقطع متغیر هستند، نازل می‌نامند. ولی در برخی کتاب‌ها نیز، آنها را به دو دسته نازل و دیفیوزر تقسیم می‌کنند. در این مقاله، عملکرد نازل و دیفیوزر را مطالعه کرده و برای هریک از آنها مثالی حل شده‌ ارائه خواهیم کرد.

ملکرد نازل و دیفیوزر

کاربرد نازل و دیفیوزر گستره وسیعی را شامل شده و از موتورهای جت و فضاپیماها تا تجهیزات آبیاری فضای سبز را در بر می‌گیرد. نازل (nozzle) وسیله‌ایست که با کاهش فشار سیال، سرعت آن را افزایش می‌دهد. در سوی مقابل، دیفیوزر (diffuser) به وسیله‌ای گفته می‌شود که برعکس نازل عمل می‌کند. یعنی با کاهش سرعت سیال، فشار آن را بالا می‌برد. سطح مقطع نازل در جهت عبور سیال، برای جریان‌های فروصوت کاهش و برای جریان‌های فراصوت، افزایش می‌یابد. خلاف این موضوع هم برای دیفیوزر صادق است.

نرخ انتقال حرارت بین سیال عبوری از داخل نازل و دیفیوزر و محیط اطراف آن معمولاً بسیار کوچک است ˙Q≈0 و در بسیاری از مسائل می‌توان از آن صرف نظر کرد. زیرا سرعت سیال، بسیار زیاد است و فرآیند به قدری سریع اتفاق می‌افتد که فرصتی برای انتقال حرارت باقی نمی‌ماند. همچنین، کار انجام شده و تغییر انرژی پتانسیل در نازل و دیفیوزر نیز برابر صفر است. ولی به دلیل سرعت بالای سیال در عبور از آنها، تغییرات انرژی جنبشی بسیار محسوس است و باید محاسبه شود. شکل زیر را در نظر بگیرید. در ادامه، با ارائه دو مثال، معادلات ترمودینامیکی را در نازل و دیفیوزر به کار خواهیم برد.

نازل

نازل یا سرشلنگ یا افشانک وسیله‌ای است که برای کنترل جهت یا مشخصات (به‌ویژه برای افزایش سرعت) جریان یک سیال در ورود (یا خروج) از یک حفره یا لوله طراحی شده‌است.
نازل ها معمولا یک لوله با مقطع متغیر هستند که می توان با آن جهت جریان سیال یا ویژگی های آن را تغییر داد. از نازل ها غالباً برای کنترل نرخ دبی، سرعت، جهت، جرم، شکل و یا فشار جریان استفاده می شود. در نازل ها معمولا با افزایش سرعت، فشار کاهش می یابد.
نازل جت: جت گاز، جت سیال یا جت آب نوعی نازل است که هدف آن تزریق یک گاز یا سیال دیگر به داخل یک محیط دیگر می باشد. جت های گاز معمولا در اجاق گازها استفاده می شود
نازل سرعت بالا : نازل ها می توانند همگرا (یعنی در راستای جریان مسیر تنگ تر می شود) یا واگرا (یعنی در راستای جریان مسیر گشادتر می شود) باشند. در نازل های همگرا واگرا  یک نازل همگرا به یک نازل واگرا متصل شده است و از آن برای افزایش سرعت جریان سیال به سرعت مافوق صوت استفاده می شود.
نازل پیشران
نازل مغناطیسی
نازل اسپری
نازل خلا
نازل شکل دهی
نازل همگرا-واگرا یا نازل دِلاوال  لوله ای است که به شکل یک ساعت شنی درآمده است. از این نازل برای تبدیل جریان با سرعت زیرصوت به جریان با سرعت مافوق صوت استفاده می‌شود. اینکار با تبدیل فشار به انرژی جنبشی انجام می‌شود.به همین دلیل از این نازل به صورت گسترده‌ای درتوربین های بخار ونازل موتورهای موشک استفاده می‌شود.
این نازل توسط مخترع و مهندس آلمانی در سال ۱۸۷۸ و مخترع سویدی گوستاو دلاوال در سال ۱۸۸۸ برای استفاده در توربین بخار اختراع شد.
از این نازل در موشک اولین بار توسط رابرت گدارد استفاده شد. در اکثر موتورهای راکت جدید از این نازل استفاده می‌شود.
نازل پیشران ، نازلی است که انرژی درونی یک گاز را به نیروی محرکه یا پیشران تبدیل می‌کند، این نازل است که جت پرسرعت سیال را تشکیل می‌دهد، و تفاوت توربین گازی که نوعی ژنراتور برقی گازی است با موتور جت وجود همین نازل می‌باشد.
انواع نازل
نازل سطح-ثابت
نازل سطح-متغیر برای پس سوزش
اجکتور (Ejector)

نازل پیشران نوع-عنبیه ای با قابلیت جهت دهی رانش (تراست وکتورینگ)

نازل همگرا-واگرای هندسه متغیر

نازل موتور موشک نوعی نازل پیشران است (معمولاً از نوع همگرا-واگرا) که در موتور موشک ها مورد استفاده قرار می‌گیرد تا گازهای احتراق تولید شده توسط سوزاندن پیشران ها را منبسط کرده و به آنها شتاب دهد، به گونه ای که گازهای خروجی با سرعت هایپرسونیک (Hypersonic) از نازل خارج شوند.
به زبان ساده می‌توان گفت: موشک‌ها با احتراق سوخت، فشارهای بسیار زیادی (در حدود چند صد برابرفشار اتمسفر) در داخل محفظه احتراق ایجاد می‌کنند و نازل‌ها این گاز استاتیک فشار بالا، دما بالا را با سرعت زیاد و با فشارهایی نزدیک فشار اتمسفر به بیرون می‌رانند.
استفاده در شرایط خلاء:
برای نازل‌هایی که در ارتفاعات خیلی زیاد یا شرایط خارج اتمسفر و درون خلاء کار می‌کنند، رسیدن به فشار محیط اطراف ناممکن است، در عوض، نازل‌هایی با نسبت مساحت بیشتر معمولاً کارآمدتر هستند. با این حال طول زیاد نازل باعث افزایش وزن شده که خود یک عیب محسوب می‌شود. معمولاً باید طولی برای نازل پیدا شود که راندمان کل دستگاه را بهینه کند. به علاوه، با کاهش دمای گاز ممکن است بعضی قسمت‌های دستگاه یخ ببندد که بسیار نامطلوب است و باید از آن پیشگیری گردد.
نازل همگرا-واگرا در حالت یک بعدی:
برای آنالیز جریان گاز در داخل نازل‌های همگرا-واگرا نیاز به تعدادی فرض‌های ساده کننده مسئله داریم:
گازهای محفظه احتراق را گاز ایده آل فرض می‌کنیم.
جریان گاز یک فرآیند آیزنتروپیک (آنتروپی ثابت) است، که نتیجه فرض گاز غیرلزج و فرآیند آدیاباتیک می‌باشد.
دبی جریان گاز در طی زمان سوخت پیشران ثابت می‌باشد. (یعنی جریان پایدار فرض می‌شود)
جریان گاز غیرآشفته (non-turbulent) و از ورودی تا خروجی نسبت به محور مرکزی متقارن (axisymmetric) می‌باشد.
جریان تراکم پذیر و سیال یک گاز می‌باشد.
قبل از ورود گازهای احتراق به نازل موشک، سرعت زیر صوت می‌باشد. با تنگ‌تر شدن مسیر گاز مجبور به شتاب گرفتن شده تا اینکه در قسمت گلویی، جایی که کمترین سطح مقطع عبوری را دارد، سرعت خطی حرکت جریان به سرعت صوت(ماخ 1) می‌رسد. پس از گلویی سطح مقطع دوباره افزایش یافته و گاز منبسط می‌شود و این سرعت خطی به صورت پیوسته افزایش می‌یابد و سرعت آن از سرعت صوت (ماخ ۱) بیشتر می‌شود.
سرعت خطی گازهای اگزاست خروجی را می‌توان با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد: