Düsenabschluss erklärt: Durchflussgrenzen bei komprimierbaren Fluiden

Definition

Düsenabschluss tritt auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit an der Düsenmündung die lokale Schallgeschwindigkeit (Mach 1) erreicht. An diesem Punkt wird der Massenstrom maximal und kann nicht weiter erhöht werden, indem der upstream-Druck erhöht wird.

Physik

• Konvergente Düse: Fläche nimmt ab → Geschwindigkeit ↑, Druck ↓.
• Wenn Mach → 1, fällt der Druck rapide.
• Bei Mach 1 (abgeschlossen) entspricht der Düsenabschlussdruck dem kritischen Druck (P*).

Kritisches Druckverhältnis

Für ideales Gas:

PRc = P*/P₀ = [(γ+1)/2]^(γ/(γ-1))

• γ = spezifisches Wärmeverhältnis (Cp/Cv)
• Luft (γ=1.4): PRc ≈ 0,528

Wirkungen des Abschlusses

• Massenstrom fixiert (unabhängig vom Downstream-Druck).
• Strömungsinstabilität → Lärm, Vibration.
• Mögliche Grenzschichtablösung → Düsenschaden.
• Downstream-Expansionswellen, wenn die Düse konvergent-divergent (de Laval) ist.

Anwendungen

Raketenmotoren, Dampfturbinen, Gasturbinen, Überschall-Windkanäle, Druckentlastungsventile.