Ad
  Выхлопные системы ДВС | главная | школа | карта | поиск |  

Что же такое - ударная волна?

Представим себе полую цилиндрическую трубу, заполненную газом. С одного торца трубы в нее начинает вдвигаться с какой-то скоростью плоский поршень. Тогда перед поршнем возникнет область повышенного давления, которая тут же начнет распространяться вдоль трубы со скоростью звука. В случае, если скорость движения поршня мала, область высокого давления, бегущая по трубе "убежит" от поршня, передавая информацию следующим слоям газа в трубе о перемещении поршня. Это будет обычная звуковая волна, простое акустическое колебание в первой своей фазе. Заметьте, скорость перемещения этой волны давления (не самого газа!) постоянна для нормальных условий, и в воздухе равна 330 м/сек. С увеличением плотности газа и его температуры скорость распространения звука растет, но в данный момент это не столь принципиально.

Теперь представим, что скорость движения поршня возрастет до скорости звука, или даже превысит его. В этом случае газ не будет успевать передавать волну давления в трубе, в итоге в нем возникнет скачок давления - процесс перейдет в качественно другую фазу, физика которой уже не будет описываться законом Бойля-Мариотта и уравнением Клапейрона. Разумеется, газ не спрессуется до твердого состояния (максмальное увеличение плотности двухатомного газа равно шести), он будет продолжать сжиматься, но уже не адиабатически по Бойлю-Мариотту, а по адиабате Гюгонио (ударение на последнем "о").

Это и есть - ударная волна в газе, обладающая другими свойствами, а главное - другой, "сверхзвуковой", энергетикой и термодинамикой.

Кстати, не менее интересные эффекты наблюдаются и при ударном разрежении. Один из них заключается в том, что молекулы газа имеют предельную скорость распространения (движения) в пространстве, равную примерно 5-кратной скорости звука в том же газе. При выдвижении поршня из трубы с такой скоростью, газ не будет "успевать" за ним, и в зоне за поршнем будет образовываться вакуум. Не усматриваете парадокс - волны давления в газе распространяются со скоростью звука, а сами молекулы могут "летать" в пять раз быстрее. Но это так, к слову...

Корректное математическое описание этих процессов выходит за рамки данной статьи, но желающие могут самостоятельно познакомиться с ними, изучив специальную литературу. Моя задача - дать лишь качественное описание некоторых моментов, которые возникают в газе на "запредельных режимах" сжатия. Поэтому я и позволяю себе некоторые вольности в рассуждениях.

А теперь давайте рассмотрим упрощенную модель процесса выхлопа. Положим, что выхлопное окно цилиндра переходит в цилиндрическую трубу единичного сечения S, длина которой существенно больше ее диаметра. Положим, также, что на воздушный столб в этой трубе воздействует абстрактный поршень, скорость движения которого равна скорости газов, истекающих из выхлопного окна в момент его открытия в конце рабочего такта. Достоверно указать эту скорость я не берусь - она зависит от множества параметров, но прикинуть эту величину можно.

Пусть давление в цилиндре единичного объема V в момент открытия выхлопного окна в 100 раз превышает атмосферное. Цифра очень условная, но думаю, она одного порядка с реальной. Следовательно, в соответствии с законом Бойля-Мариотта, объем выхлопных газов после их расширении в свободном пространстве будет равен 100V.

Время открытия выхлопного окна можно посчитать достаточно точно, зная величину фазы выхлопа и обороты двигателя. Пусть фаза равна 180 градусам, а обороты - 42.000 об/мин, или 1/700 сек-1. Тогда учитывая, что основной объем выхлопных газов вытекает из цилиндра примерно за 1/3 полуфазы выхлопа (затем уже происходит "довытекание" остатков с существенно меньшей скоростью), определим время t, в течение которого происходит основная часть процесса. Оно будет равно 1/6 от 1/700 секунды, или примерно t=0,00024 секунды. Именно в течение этого короткого времени на газовый столб в выхлопной трубке (цилиндре), находящийся к началу процесса в относительном покое, будет воздействовать наш условный поршень, который за это время должен продвинутся на расстояние L, равное 100V/S или (для нашего случая) L=1 м. Предположим, что S=1 (фактически всегда в 2-3 раза меньше), тогда зная время t=0,00024 сек, и расстояние (путь) L=1 м, можно посчитать среднюю скорость, с которой будет двигаться наш поршень:

v = 1/0,00024 = 4166 м/сек.

Даже если я где-то в своих допущения и рассуждениях ошибся в 10 раз, то и тогда скорость движения газового потока в момент выхлопа должна быть не менее 400 м/сек, что однозначно выше скорости звука, равной 330 м/сек! Следовательно, есть основание утверждать, что процессы в выхлопной системе близки к тем, которые принято считать ударными волнами.

Теперь следует вспомнить об уравнении Клапейрона, из которого следует, что газ, сжимаемый по адиабате, нагревается пропорционально давлению. Следовательно, порция выхлопного газа в выхлопной трубе от предыдущего такта выхлопа, которая еще не успела остыть до температуры окружающей среды, при последующем такте выхлопа будет нагреваться уже от сжатия, и ее температура по Клапейрону может возрасти, в нашем случае почти в 10 раз. Здесь температура измеряется не в градусах Цельсия, а в градусах Кельвина (в абсолютных градусах), но это меняет картину не в лучшую сторону. И даже если выхлопной газ остыл после предыдущего такта выхлопа до 330-350°К (60-80°С), его температура при очередном выхлопе снова может возрасти, но уже до 3300-3500°К! Разумеется, речь идет лишь о мгновенных локальных нагревах некоторых зон в выхлопной трубе, а не всего объема газов внутри нее в течение длительного времени.

Я конечно, несколько сгущаю краски, и картина не настолько мрачная в действительности. Но в определенных условиях нельзя исключать вероятность возникновения в выхлопном тракте описанных выше эффектов, связанных с ударными волнами, пусть и гораздо меньшей эффективности...

Возможно позже я еще буду возвращаться в азам теории ударных волн, если такая необходимость возникнет в ходе написания материала по работе выхлопных устройств.

Итак, мы условно разделили выхлопные устройства ДВС на две группы:

- собственно глушители шума выхлопа, т.е. системы, основной функцией которых является снижение шума работающего двигателя. Далее будем называть их глушителями шума (ГШ);

- выхлопные системы, изменяющие мощностные характеристики двигателя в том, или ином диапазоне оборотов, или режиме работы. Эти устройства далее будем называть резонансными выхлопными системами (РВС).

Очевидно, что возможна и комбинация из ГШ и РВС, но об этом поговорим позже.

Все права на статьи принадлежат И.В. Карпунину (aka Glider).


Танколет ЛИСУ-152 - настоящий летающий танк (1630)

Впервые в истории - перелет через Атлантику на модели (5173)

Прототип самого маленького летательного робота uFR (Micro Flying Robot) от Seiko Epson (4914)

Выхлопные системы двигателей внутреннего сгорания (3616)

Обтяжка модели скотчем (2522)






Рекомендуемое разрешение - 800х600 и выше
Copyright © SkyFlex Interactive 1997-2018
E-Mail: webmaster