推进力和推力

开放操作流体推进机制, 例如小船支柱, 飞机推进器, 或发动机航空器引擎通过加速环境流体产生推力通过高速。在操作过程中, 这种装置从一个大的上游区域吸入流体, 并将其作为一条狭窄的高速射流排入下游 (图 1)。排气面积近似等于螺旋桨面的空气。质量和动量流率平衡控制量包括上游进气和排气射流产生以下结果:

(1)

(2)

这里, 是质量流量 , ρ是流体密度, A是流区, U是流体速度, T是由此产生的推力。如图1所示, 进气面积比排气射流区和入口和出口密度大致相等。因此, 排气速度必须比入口速度大得多 (, 入口动量流率可以忽略不计 ().理论产生的推力是:

(3)

模型飞机推进系统的推力相对较小, 在许多情况下不到 0.1 N。为了能够测量这些力, 将在这里构建一个基于杠杆臂的试验台 (图 2a)。试验台结构在低摩擦轴承上枢轴, 使一臂末端的螺旋桨 (长度为L_支柱从轴承轴到电机中心) 的扭矩由较短的力矩臂 (L_缩放)。这一配置放大了推力的规模, 以产生更准确的读数。当螺旋桨关闭时, 如果刻度是 tared (零), 比在螺旋桨操作过程中测量的推力可以用 Eqn. 4 来确定。这里, m是刻度上的质量读数。

(4)

提供给螺旋桨或风扇的电能可以确定为, 其中 I是电流 (在安培中), V是电压。推力效率可以定义为 (以牛顿/瓦特为单位).

图 1: 通过流体推进装置的流量控制容积

图 2: 静态推力试验装置示意图。b. 枢轴组件的详细视图。c. 实验设施的照片。

在图3a 中, 给出了在本实验中对三推进装置的推力与功率曲线。风扇达到最高推力, 达到0.68 ± 0.02 N 在11.83 ± 0.08 W 输入功率。较小的螺旋桨产生的推力比较大的螺旋桨略多, 但达到其最大工作电压为2.66 ± 0.04 w 图. 3b 提出了三装置的推力效率。对于小型螺旋桨和风扇, 效率一般随着功率的增加而减小。更大的推进器的效率是相对地恒定的在η ~ 0.03 N W^-1。

根据实测出口速度, 将理论推力值与表1的直接实测推力值进行了比较。在这些情况下, 测量的速度变化在螺旋桨/风扇的脸区域, 所以速度和预测推力范围报告, 而不是单一的价值。一般而言, 在预测值和实测价值之间找到合理的协议, 这为原则部分中概述的理论提供了确认。然而, 在某些情况下, 测量的速度范围相当宽, 所以这一分析应该是定性的。

图 3: (a) 推力和 (b) 三研究的推进装置的推力效率曲线。

推进装置 (A出)	电源输入 (W)	出口速度范围 (m s-1)	预测推力范围 (N)	测量推力 (N)
小型螺旋桨 (0.0016 m2)	0.49 ± 0.02	3.0 – 5。0	0.017 – 0.048	0.034 ± 0.005
	1.56 ± 0.03	4.0 – 6。2	0.030 – 0.073	0.068 ± 0.005
大型螺旋桨 (0.0042 m2)	0.73 ± 0.03	2.0 – 3。0	0.020 – 0.045	0.020 ± 0.004
	2.39 ± 0.05	4.0 – 5。0	0.080 – 0.125	0.066 ± 0.004
PC 散热风扇 (0.0077 m2)	2.16 ± 0.03	4.0 – 5。5	0.145 – 0.275	0.180 ± 0.007
	9.98 ± 0.07	8.0 – 8。4	0.581 – 0.641	0.593 ± 0.014

表 1-根据测量出的出口流速范围与直接测量的推力的对比预测推力。

本实验介绍了在飞机和船舶上发现的流体推进装置的基本工作原理。建立了静态推力试验平台, 测量模型飞机螺旋桨和 pc 冷却风扇的推进能力。测量并比较了由此产生的推力和推进效率 (每个输入功率的推动力)。还根据下游射流速度估算了理论推力值。对推进系统性能的测量和评定, 如小规模, 是流体推进系统发展的关键阶段, 是保证发动机提供所需推力水平的关键。

流体推进系统在几乎所有航空器和船使用。在这里考虑的配置中, 上游环境流体被加速到高速顺流射流, 也在环境压力下。在 HVAC 空气处理器、空气压缩机或蒸汽发电厂液体泵等设备中, 投入工作的很大一部分用于增压流体, 而不仅仅是增加流速。然而, 在控制容积质量和动量流平衡的基础上, 可以应用相同的分析原理。风力涡轮机和汽轮机等设备也采用类似的原理, 但从流体流动中提取动量和能量以产生机械和电力。