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अवरुद्ध प्रवाह का मूल कारण यह है कि दबाव की गड़बड़ी एक गतिशील तरल पदार्थ के माध्यम से कैसे गुजरती है। जब द्रव का वेग ध्वनि की स्थानीय गति तक पहुँच जाता है, तो भौतिक तंत्र जो सामान्यतः डाउनस्ट्रीम स्थितियों को अपस्ट्रीम प्रवाह को प्रभावित करने की अनुमति देता है, पूरी तरह से टूट जाता है।
मौलिक भौतिकी: जब ध्वनि तरंगें धारा के प्रतिकूल यात्रा नहीं कर सकतीं
यह समझने के लिए कि प्रवाह अवरुद्ध होने का क्या कारण है, हमें इस बात से शुरुआत करनी होगी कि किसी द्रव प्रणाली में सूचना कैसे प्रवाहित होती है। दबाव परिवर्तन तुरंत प्रसारित नहीं होता है। इसके बजाय, वे द्रव के सापेक्ष ध्वनि की गति से चलने वाली दबाव तरंगों के रूप में फैलते हैं।
एक नियंत्रण वाल्व पर विचार करें जिसमें तरल पदार्थ उच्च दबाव से ऊपर की ओर कम दबाव से नीचे की ओर प्रवाहित हो। यदि कोई अचानक किसी वाल्व को नीचे की ओर बंद कर देता है, तो दबाव में वृद्धि दबाव तरंग के रूप में वापस ऊपर की ओर जाने की कोशिश करती है। जिस गति से यह सिग्नल एक स्थिर पाइप दीवार के सापेक्ष चलता है वह ध्वनि वेग शून्य से प्रवाह वेग के बराबर होता है।
एक आदर्श गैस के लिए, ध्वनि वेग $a = \\sqrt{\\गामा R T}$ संबंध के अनुसार तापमान और आणविक गुणों पर निर्भर करता है, जहां $\\गामा$ विशिष्ट ताप अनुपात का प्रतिनिधित्व करता है, $R$ गैस स्थिरांक है, और $T$ पूर्ण तापमान है।
यह समीकरण कुछ महत्वपूर्ण खुलासा करता है: जैसे-जैसे गैस तेज होती है और फैलती है, इसका तापमान गिरता है, जिसका अर्थ है कि प्रवाह पथ के साथ ध्वनि की गति कम हो जाती है।
जब प्रवाह वेग सिस्टम में किसी भी बिंदु पर ध्वनि वेग तक पहुंचता है, तो सापेक्ष सिग्नल वेग शून्य हो जाता है। इस स्थान पर दबाव तरंगें जमा हो जाती हैं, जो आगे प्रवाह में फैलने में असमर्थ होती हैं। यह वह बनाता है जिसे तरल गतिशीलतावादी "सूचना क्षितिज" कहते हैं। इस बिंदु से परे, अपस्ट्रीम प्रवाह को डाउनस्ट्रीम दबाव परिवर्तनों के बारे में कोई जागरूकता नहीं है। प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है.
मच संख्या (एमए) इस संबंध को प्रवाह वेग और ध्वनि वेग के अनुपात के रूप में निर्धारित करती है। Ma = 1 पर, घुटन होती है। इस सीमा के नीचे, प्रवाह अछूता रहता है और बहाव की स्थितियों के प्रति प्रतिक्रियाशील रहता है। इस मान से ऊपर, प्रवाह सुपरसोनिक शासन में प्रवेश करता है जहां डाउनस्ट्रीम गड़बड़ी भौतिक रूप से अपस्ट्रीम की यात्रा नहीं कर सकती है।
गंभीर दबाव अनुपात: गणितीय सीमा
प्रश्न "प्रवाह के अवरुद्ध होने का कारण क्या है" का सटीक थर्मोडायनामिक उत्तर महत्वपूर्ण दबाव अनुपात में निहित है। एक आदर्श गैस के आइसेंट्रोपिक प्रवाह के लिए, चोकिंग तब होती है जब डाउनस्ट्रीम-टू-अपस्ट्रीम पूर्ण दबाव अनुपात एक विशिष्ट मूल्य से नीचे चला जाता है।
यह महत्वपूर्ण दबाव अनुपात पूरी तरह से गैस गुणों पर निर्भर करता है, विशेष रूप से विशिष्ट ताप अनुपात $\\गामा$ पर। आइसेंट्रोपिक प्रवाह संबंधों से व्युत्पत्ति मिलती है:
सामान्य औद्योगिक गैसों के लिए गंभीर दबाव अनुपात
चोक करने के लिए बड़े दबाव ड्रॉप की आवश्यकता होती है।
अधिकांश गणनाओं के लिए मानक संदर्भ।
छोटे दबाव अंतर पर चोक।
दम घुटने के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील।
$\\गामा = 1.4$ वाली हवा के लिए, क्रांतिक अनुपात 0.528 के बराबर है। इसका मतलब यह है कि एक बार जब डाउनस्ट्रीम दबाव अपस्ट्रीम पूर्ण दबाव के 52.8% से कम हो जाता है, तो प्रवाह रुक जाता है। डाउनस्ट्रीम दबाव को और कम करने से द्रव्यमान प्रवाह दर में वृद्धि नहीं होगी। अतिरिक्त दबाव ड्रॉप केवल बाहरी विस्तार जेट में गले के नीचे की ओर गैस को तेज करता है।
यह गणितीय संबंध बताता है कि क्यों प्राकृतिक गैस पाइपलाइन (γ लगभग 1.27 के साथ) वायु प्रणालियों की तुलना में अधिक आसानी से चोक हो जाती हैं। समान निरपेक्ष दबाव अंतर कम विशिष्ट ताप अनुपात वाली गैसों के लिए महत्वपूर्ण अनुपात के एक बड़े अंश का प्रतिनिधित्व करता है।
गले में क्या होता है: ज्यामिति की भूमिका
वह भौतिक स्थान जहां घुटन होती है, आमतौर पर प्रवाह पथ में न्यूनतम क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र होता है, जिसे आमतौर पर गला कहा जाता है। यह समझने के लिए कि प्रवाह के अवरुद्ध होने का क्या कारण है, क्षेत्र-वेग संबंध की जांच करना आवश्यक है जो संपीड़ित प्रवाह को नियंत्रित करता है।
क्षेत्र परिवर्तन से वेग परिवर्तन से संबंधित मूलभूत अंतर समीकरण है:
यह समीकरण प्रति-सहज ज्ञान युक्त व्यवहार को प्रकट करता है। सबसोनिक प्रवाह के लिए जहां Ma < 1, शब्द $(Ma^2 - 1)$ नकारात्मक है। द्रव को तेज करने के लिए (सकारात्मक $du$), क्षेत्र को कम करना होगा (नकारात्मक $dA$)। यह रोजमर्रा के अंतर्ज्ञान से मेल खाता है: बगीचे की नली को दबाने से पानी का वेग बढ़ जाता है।
हालाँकि, Ma = 1 पर, समीकरण से पता चलता है कि प्रवाह में तेजी लाने के लिए $dA/A$ शून्य के बराबर होना चाहिए। इस गणितीय आवश्यकता का अर्थ है कि ध्वनि वेग केवल एक ज्यामितीय चरम पर, विशेष रूप से न्यूनतम क्रॉस-सेक्शन पर हो सकता है। त्वरण के दौरान आपके पास स्थिर-क्षेत्र वाहिनी में Ma = 1 नहीं हो सकता है।
एक बार जब प्रवाह गले में ध्वनि की स्थिति तक पहुंच जाता है, तो क्षेत्र-वेग संबंध में मौलिक परिवर्तन होता है। सुपरसोनिक प्रवाह के लिए जहां Ma > 1, $(Ma^2 - 1)$ पद सकारात्मक हो जाता है। अब और तेजी लाने के लिए क्षेत्रफल बढ़ाने की जरूरत है, घटाने की नहीं। यही कारण है कि रॉकेट नोजल और सुपरसोनिक पवन सुरंगें अभिसरण-अपसारी ज्यामिति का उपयोग करती हैं जिन्हें डी लावल नोजल कहा जाता है।
एक साधारण अभिसरण नोजल या छिद्र प्लेट में, प्रवाह निकास तल पर ध्वनि वेग तक पहुंच सकता है, लेकिन यह Ma = 1 से आगे नहीं बढ़ सकता क्योंकि कोई अपसारी खंड नहीं है। द्रव ध्वनि वेग और क्रांतिक दबाव पर बाहर निकलता है, फिर मुक्त जेट में बाहरी विस्तार से गुजरता है। जब निकास दबाव परिवेशीय दबाव से अधिक हो जाता है तो यह बाहरी विस्तार अक्सर रॉकेट निकास में दृश्यमान शॉक डायमंड बनाता है।
गैस बनाम तरल: दो अलग-अलग चोकिंग तंत्र
प्रवाह के अवरुद्ध होने का कारण गैसों और तरल पदार्थों के बीच मौलिक रूप से भिन्न होता है। ध्वनि गति पर वेग सीमा के कारण गैस का दम घुट जाता है। हालाँकि, तरल पदार्थ का घुटना चरण परिवर्तन और नाटकीय रूप से परिवर्तित ध्वनि गुणों के साथ दो-चरण मिश्रण के गठन से उत्पन्न होता है।
गैसों के लिए, तंत्र ऊपर वर्णित संपीड़ित प्रवाह भौतिकी का पालन करता है। जैसे-जैसे दबाव गिरता है और प्रवाह पथ पर वेग बढ़ता है, घनत्व आनुपातिक रूप से कम हो जाता है। वेग बढ़ने का युग्मित प्रभाव जबकि ध्वनि वेग घटता है (एडियाबेटिक विस्तार में तापमान में गिरावट के कारण) मैक संख्या को एकता की ओर ले जाता है।
तरल पदार्थ अलग-अलग व्यवहार करते हैं क्योंकि वे सामान्य परिस्थितियों में अनिवार्य रूप से असम्पीडित होते हैं। 20°C पर शुद्ध तरल पानी का ध्वनि वेग लगभग 1500 मीटर/सेकेंड होता है, जो पाइपिंग प्रणालियों में सामान्य प्रवाह वेग से कहीं अधिक है। हालाँकि, जब स्थानीय दबाव तरल के वाष्प दबाव से नीचे चला जाता है, तो गुहिकायन या फ्लैशिंग होती है।
गुहिकायन तब होता है जब कम दबाव वाले क्षेत्रों में वाष्प के बुलबुले बनते हैं लेकिन दबाव ठीक होने पर ढह जाते हैं। तीव्र बुलबुला ढहने से शोर उत्पन्न होता है और वाल्व ट्रिम और पाइप की दीवारें नष्ट हो सकती हैं। फ्लैशिंग तब होती है जब दबाव वाष्प दबाव से नीचे रहता है, जिससे बुलबुले बढ़ते रहते हैं। तरल दो-चरण मिश्रण में बदल जाता है।
दो-चरण मिश्रण में ध्वनि वेग शुद्ध तरल या शुद्ध वाष्प की तुलना में बहुत कम होता है। 50% शून्य अंश जल-भाप मिश्रण का ध्वनि वेग 20 मीटर/सेकेंड से कम हो सकता है, जो शुद्ध पानी से लगभग दो ऑर्डर कम है। ध्वनि वेग में इस भारी कमी का मतलब है कि दो चरण का मिश्रण आसानी से ध्वनि स्थितियों तक पहुंच जाता है, जिससे प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है।
तरल पदार्थों के लिए दम घुटने की स्थिति तब होती है जब:
जहां $P_1$ इनलेट दबाव है, $P_v$ वाष्प दबाव है, और $F_F$ तरल महत्वपूर्ण दबाव अनुपात कारक है। एक बार जब यह असमानता कायम हो जाती है, तो आगे दबाव में कमी से प्रवाह में वृद्धि नहीं होती है क्योंकि अतिरिक्त ऊर्जा केवल अधिक वाष्प पैदा करती है और दो-चरण मिश्रण को तेज करती है।
वास्तविक दुनिया के कारक जो घुटन पैदा करते हैं
कई व्यावहारिक स्थितियाँ यह निर्धारित करती हैं कि औद्योगिक प्रणालियों में प्रवाह अवरुद्ध होने का कारण क्या है। सैद्धांतिक महत्वपूर्ण दबाव अनुपात से परे, इंजीनियरों को इस बात पर विचार करना चाहिए कि वास्तविक गैस व्यवहार, तापमान प्रभाव और पाइपिंग कॉन्फ़िगरेशन चोकिंग की शुरुआत को कैसे प्रभावित करते हैं।
- उच्च दबाव अनुपात संचालन:बड़े दबाव अंतर वाली कोई भी प्रणाली दम घुटने का जोखिम उठाती है। प्राकृतिक गैस ट्रांसमिशन और स्टीम लेटडाउन स्टेशन आसानी से महत्वपूर्ण दबाव अनुपात को पार कर जाते हैं।
- तापमान प्रभाव:विशिष्ट ताप अनुपात $\\गामा$ तापमान के साथ बदलता रहता है। भाप के लिए, $\\गामा$ सुपरहीट से संतृप्ति तक महत्वपूर्ण रूप से बदलता है, जिससे चोकिंग सीमा प्रभावित होती है।
- संपीड़न कारक विचलन:उच्च दबाव पर वास्तविक गैसें एकता से भिन्न संपीड़ितता कारक (Z) प्रदर्शित करती हैं। Z कारकों को नजरअंदाज करने से क्षमता का अनुमान 15-30% तक कम हो सकता है।
औद्योगिक निहितार्थ और समाधान
गंभीर:xt फ़ैक्टर, γ मान (p₂/p₁ < 0.5)
गंभीर:प्रेशर बनाम बैकप्रेशर सेट करें
गंभीर:विस्तार कारक Y
गंभीर:संतृप्ति स्थितियाँ (फ़्लैश से < Pᵥ)
औद्योगिक निहितार्थ और समाधान
यह समझना कि प्रवाह अवरुद्ध होने का कारण सीधे सिस्टम डिज़ाइन, उपकरण आकार और परिचालन समस्या निवारण पर प्रभाव डालता है। इंजीनियरों को मौलिक भौतिकी से लड़ने के बजाय दम घुटने वाली स्थितियों को पहचानना चाहिए और तदनुसार डिजाइन करना चाहिए।
नियंत्रण वाल्व का आकार:आईएसए 75.01 मानक यह संहिताबद्ध करता है कि वाल्व चयन में अवरुद्ध प्रवाह को कैसे संभालना है। दबाव ड्रॉप अनुपात कारक $x_T$ तब चित्रित होता है जब एक विशेष वाल्व ज्यामिति चोक हो जाएगी। जाम की स्थिति में पहुंचने के बाद वाल्व को बड़ा आकार देकर प्रवाह बढ़ाने का प्रयास करने से पैसे की बर्बादी होती है क्योंकि प्रवाह अपस्ट्रीम दबाव और तापमान से सीमित होता है, वाल्व की क्षमता से नहीं।
शोर और कंपन:जब प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है, तो परिणामी ध्वनि वेग और आघात संरचनाएं तीव्र वायुगतिकीय शोर उत्पन्न करती हैं। प्राथमिक समाधान में मल्टी-स्टेज दबाव में कमी शामिल है। एकल 100:1 दबाव ड्रॉप लेने के बजाय, चरणों की एक श्रृंखला प्रत्येक चरण को सबसोनिक बनाए रखती है।
रॉकेट प्रणोदन प्रणाली:अधिकांश औद्योगिक अनुप्रयोगों के विपरीत, जहां चोक होना एक सीमा का प्रतिनिधित्व करता है, रॉकेट इंजन जानबूझकर चोक प्रवाह का निर्माण और शोषण करते हैं। केवल गले में अवरुद्ध प्रवाह को बनाए रखकर ही नोजल थर्मल ऊर्जा को कुशलतापूर्वक गतिज ऊर्जा में परिवर्तित कर सकता है।
प्रवाह अवरुद्ध होने के कारणों का मूल उत्तर गतिमान तरल पदार्थों में सूचना प्रसार की भौतिकी पर निर्भर करता है।
उच्च दबाव की बूंदों के साथ काम करने वाले इंजीनियरों को हमेशा यह जांचना चाहिए कि क्या उनका सिस्टम चोक मोड में काम करता है। अवरुद्ध प्रवाह स्थितियों को पहचानना और उचित तरीके से लेखांकन करना सक्षम द्रव प्रणाली डिज़ाइन को महंगी विफलताओं और असुरक्षित संचालन से अलग करता है।
