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ロケットのノズルは下に行くほど広がっている形状なのに対し、飛行機のジェットエンジンのノズルは先端に行くほど細くなっているのは何故ですか?

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A 回答 (2件)

燃焼ガスと周辺大気の圧力の比(圧力比)の違いです。



ジェットエンジンやロケットエンジンのような高速のガスを排出するタイプのエンジンでは、排出ガスの速度を上げることで性能が上がります。

排出ガスの速度を上げる方法は、ガスの流れる流路を狭めることです。これで流れのスピードが上がります。もし、上流のガスの圧力がノズルの出口圧に対して十分高ければ(圧力比が大きければ)、これにより最終的に音速まで上げることが出来ます。

流れが音速に達した段階で、排出ガスの圧力が周辺の大気圧よりも高ければ、今度は狭めた流路を広げることで更に加速することができます。(直感的には流路を広げるとガスのスピードは落ちそうですが、ガスの密度が一気に下がるので加速されます。)これによって音速以上に流れを加速することができます。

このノズルは、先細末広ノズル(convergent-divergent nozzle)と呼ばれているもので、燃焼室の圧力が高く周辺圧が低いロケットのノズルに使われます。ラバールノズルと呼ばれることもあります。

一般に、ロケットエンジンの燃焼室圧は高く、高高度を飛ぶために周辺圧は低いため圧力比は大きくなります。一方のジェットエンジンの場合には、ロケットよりも燃焼室圧力は低く、低高度を飛ぶために周辺圧は高いので、圧力比は小さくなります。

したがって、ロケットエンジンでは、ノズルを狭めても圧力比に余裕があるので流れは音速に達し、そこから広げることでガスの速度を大きくできます。一方、ジェットエンジンでは、圧力比が流れを音速に加速するまで大きくない、すなわち、ノズルに広がり部を付けるまでは高くないので、細くなる部分までで終わっています。(もちろん、中には圧力比が高いジェットエンジンもあり、それにはロケットエンジンのノズルのような先細末広ノズルが使われています。)
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ジェットエンジンのノズルは空気抵抗を少なくするためにカウリングで隠されているので先すぼまりに見えるだけです


ロケットも大気圏内で使用するものはカウリングで先すぼまりに見えるものがあります
ドイツのV2や日本の秋水ががその例です

この回答への補足

例えば、以下のアドレスのページに示されているようなジェットエンジンのノズル部は先すぼまりになっているように見えますが、違うのでしょうか?

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BF%E3%83%BC% …

補足日時:2008/01/19 21:16
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Qラバルノズルの流量について

ラバルノズルにおける現象について質問です。
上流と下流とスロートの密度・温度・圧力・流量・流速についてですが、以下の 点についてお分かりの方は教えていただけないでしょうか。空気ですので圧縮性流体とし、粘性や表面摩擦やらは考慮せず、定常流とします。下流は大気圧一定とします。
(1)温度一定の条件で、上流の圧力を上げていくと、あるところでスロートでの流速が音速になりそれ以上は上がらないと思います。ここで、流量について質問です。スロートの流速が音速以下の場合は上流の圧力を上げることで流速が上がっていくため流量が増加していくように思いますが、音速を超えたあとは流速が上がらないため流量は増加しないのでしょうか?上流の圧力を上げていくことでのスロートの密度変化はスロートが音速になる条件が特異点となりそれ以上と以下で変わりますか?
(2)上流の圧力を十分大きくとり、いくら温度を上げても常にスロートは音速となっているという条件で、系全体の温度を上げていくと音速が上がっていき、それにつれてスロートの流速は上がっていきます。逆にスロートでは圧力が一定で温度が上がっていきますので、密度が下がっていくと思います。流量はどうなりますでしょうか?温度を上げたときのスロートの流速の上昇率と密度の低下率はどちらのほうが大きいでしょうか?
(3)温度、圧力比一定とします。スロートが亜音速の場合、スロートの断面積を小さくしていくと流速が上がっていきますか?流速が上がらないとすると、温度一定で圧力も一定なので流量は断面積のみに依存して低下するということでしょうか?
よろしくお願いいたします。

ラバルノズルにおける現象について質問です。
上流と下流とスロートの密度・温度・圧力・流量・流速についてですが、以下の 点についてお分かりの方は教えていただけないでしょうか。空気ですので圧縮性流体とし、粘性や表面摩擦やらは考慮せず、定常流とします。下流は大気圧一定とします。
(1)温度一定の条件で、上流の圧力を上げていくと、あるところでスロートでの流速が音速になりそれ以上は上がらないと思います。ここで、流量について質問です。スロートの流速が音速以下の場合は上流の圧力を上げることで...続きを読む

Aベストアンサー

(1)上流側温度一定であれば密度が上昇した分だけ質量流量が増えます。ただし音速は変わらないので同じ圧力比での流速は変わりません。

(2)上流側圧力より重要なのは下流側との絶対圧力比です。流量は上流側圧力のところの密度と温度で決まります。流量はどんなに下流側圧力を下げても臨界圧力比で流れる質量流量を超えることはありません。上流側から入れる質量流量は決まっていますから。同じ上流側圧力なら温度が高いほど密度は低くなるので同じ圧力比での質量流量は下がると思います。ただし音速は上がるのでその分は低下量は少なくなります。

(3)はその通りです。

 以下学術的な説明と言うよりは実務的にまとめていますのでおかしな表現等もあるかと思いますが参考までに書かせてもらいます。

空気の流速は流体温度と差圧だけで決まります。ラバールノズルの上流側圧力はほとんどの場合流速0での圧力が定義されていると思います。ラバールノズルでは上流側から密度を変化させず圧力の低下にあわせて流速を上げて加速します。この加速は可逆断熱変化で下流側に向かって膨張しながら運動エネルギーを増やして移動します。
ラバールノズルののど部はこの状態で加速したときの最高速度になったとき通過するのに必要な通過面積となります。ここまでの速度の変化は薄刃オリフィスを通過する流れと全く同じ理屈です。こののど部を通過するとき流速が音速になります。音速は流れの方向に気体分子が密度を変えずに流れることができる最高速度です。ここで忘れてはいけないことは上流側圧力測定位置は流出した分だけすぐに流体が補填され絶えず一定の温度密度圧力の状態が維持されているということです。またのど部を通過するとき音速になるには圧力比が臨界圧力比になっている時です。要するに流速0と見なせる圧力のところから下流側圧力に向かって流体温度で分子が圧力を維持するために動き回っている運動エネルギーで移動できる限界点が音速という考えで良いように思います。だからこの速度を上回ると流体温度が低下することになります。だから超音速風洞では圧縮空気を高温にして流すようなことを行っています。もし最高速の超音速風洞で出せるマッハ5付近まで加速させる上流側流体が20℃程度なら加速が終わる頃には流体は気体ではなく凍結している可能性があります。
ジェット機の超音速はエンジンから噴出するガス自体は燃焼ガス成分と温度に対する音速であり、周囲の空気の音速に対して音速を超えているだけと言えるかもしれません。またよく言う普通の気体の流れは音速を超えることがないというのは音速を超えると温度を下げなければ加速できないことか流れている気体が温度を下げるとその場の圧力に関係なく流れている気体そのものの圧力を下げることになるので進行方向の圧力より流れている気体そのものの圧力が下がってしまうことになります。すると抵抗が生じることになるので加速はできないことになります。もしこれが面積一定の配管内で生じれば摩擦抵抗が少なくなっても臨界圧力比に達してしまえば加速することができずに密度を変化させずに出口まで圧力一定のまま不安定な状態で流れ続けることになります。
ちなみに変わらないという流量は基本的に質量流量です。ラバールノズルは密度を変化させないように流路の面積を制御して剥離が起こらないように臨界圧力比以降も膨張をうまく制御しながら温度を下げながら加速させるものです。薄刃オリフィスも同じ式で質量流量を計算しますがのど部は計算上のものになってしまうので開口面積に縮流係数をかけたものとして著しています。薄刃オリフィスを通過する流体は密度一定のまま加速することはないので質量流量が閉塞しても実際の流れが音速に達することはありません。

超音速風洞に関するメーカーのホームページなどを検索して参考にするのも良いかと思います。

(1)上流側温度一定であれば密度が上昇した分だけ質量流量が増えます。ただし音速は変わらないので同じ圧力比での流速は変わりません。

(2)上流側圧力より重要なのは下流側との絶対圧力比です。流量は上流側圧力のところの密度と温度で決まります。流量はどんなに下流側圧力を下げても臨界圧力比で流れる質量流量を超えることはありません。上流側から入れる質量流量は決まっていますから。同じ上流側圧力なら温度が高いほど密度は低くなるので同じ圧力比での質量流量は下がると思います。ただし音速は上がるので...続きを読む

Qパイプに音速を超えた速度で空気を流す。

高圧縮のコンプレッサーで、出来るだけ高圧空気を作り、完全に直線に作ったパイプに通す・・・・・
・・・いくら高圧にしても、空気が音速を超えて流れる事はありませんが、なんで超えないんでしょうか?

Aベストアンサー

三度お邪魔します。No,3,8,10です。

納得していただいたと言うことで、手の混んだ絵を入れていただきこちらこそ恐縮します。

そうですね。空気に変化を与えようとしているものがコンプレッサである限り、そう言う形での空気の移動(変化)となります。
コンプレッサからは、あくまで空気の「膨張」と言う結果しか生むことができません。
風洞とかジェットエンジンなどの例が出ていますが、エネルギーの総量から見ても明らかに矛盾を生じますし、本来条件を与えられてすぐに判断できるものです。(コンプレッサと言う条件です。)
コンプレッサからは、「密」である空気を、「粗」にするエネルギーしか持ち合わせていませんので、密を粗にすると言うことはすなわち、音が伝わる速さを決して超えるエネルギーは発生しません。

風洞はあくまで空気の相対的な運動であり、ジェットエンジンについては噴流を出すために熱エネルギーを使っています。
しかしコンプレッサは、圧縮した空気がただ単に膨張するだけです。空気そのものに運動エネルギーを一切与えておらず、そう見えるのは、膨張する際の動きがそう見えるだけで、圧力と体積の積に変化はありません。ただ単に圧力が上がっただけのものを容器に閉じ込め開放したに過ぎません。
つまり、空気の「密」と「粗」を伝播する以外のエネルギーは持っていないわけです。

ちなみに「熱」のことを書かれている方もいますが、「熱」を考慮すると、この結果に拍車を掛ける結果となり、今回のご質問の回答には考慮する必要はないと考えます。
空気に運動エネルギー(ジェットエンジンのように「熱」など)を与える要因がない以上、コンプレッサから出る空気はパイプの中で行う現象としては、「粗」と「密」の伝播しかなく、これは「音」が伝わる現象と一致するため、「粗」と「密」の伝播は音速を超えないのです。

ちなみにもう一つ。ジェットエンジンのファンやプロペラの外周の速度が音速を超えると、衝撃波が発生して効率が著しく低下しますが、この現象も空気の「粗」を「密」にする伝播速度を超えてしまうために、「粗」な空気を「密」にできなくなるために起こる現象です。
ですからジェットエンジンが回転する機構を持つ限り、ファン(圧縮機)の入り口からタービンの出口まで、超音速機のエンジンであっても決して音速を超える流れはありません。ダクトとノズルの形状でうまくサイクルが回る工夫がされています。(Web上で確認してみてください)

与えられた命題が「コンプレッサ」ではなく、「ジェットエンジン」でパイプに空気を送るとなれば、音速を超えることも当然可能になります。なぜなら、もはや空気の「粗」と「密」の伝播ではなく、パイプの入り口より明らかにエネルギーが注ぎ込まれていますので、粗密の伝播速度を超えることが可能なのです。

三度お邪魔します。No,3,8,10です。

納得していただいたと言うことで、手の混んだ絵を入れていただきこちらこそ恐縮します。

そうですね。空気に変化を与えようとしているものがコンプレッサである限り、そう言う形での空気の移動(変化)となります。
コンプレッサからは、あくまで空気の「膨張」と言う結果しか生むことができません。
風洞とかジェットエンジンなどの例が出ていますが、エネルギーの総量から見ても明らかに矛盾を生じますし、本来条件を与えられてすぐに判断できるものです。...続きを読む

Q圧縮空気の突出速度

圧縮空気(0.35MPa)を内径1.4mm、長さ20mmのキャピラリーから大気放出させた場合の、流速或いは流量を求めることは出来ないでしょうか?
計算式でなくても文献値などでも構いません。
初めベルヌーイ使えば出せると思ったのですが、圧縮性流体には適用できないみたいなので。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

過去に類似の質問があります。

【ある管の断面積に、あるエア圧力をかけたときの空気の流量を導く計算式を教えてください】 http://oshiete1.goo.ne.jp/qa1081848.html
【一次側のエア圧(0.6MPa)をレギュレータにて減圧し0.5MPaにした場合の噴出し口の流量を求めたいと考えています】 http://www.nc-net.or.jp/morilog/m27277.html

なお、ノズルから噴出させた空気(噴流)は、周囲の空気を引き込みながら半径方向に広がり、さらに小さい速度でも乱流となるので、ノズル出口から離れたところでの風速を正確に求めることは相当困難です。圧縮性を考慮したベルヌーイの式から出せる風速(ノズル径に依存しない)は、そのような複雑な挙動が起こらないノズル出口での風速です。ノズルメーカのWebページには、ノズルからの距離に対する風速のデータが出ていますので、理論はいいからとりあえず結果を知りたいのであれば、それをご覧になったほうがいでしょう。

Qe^-2xの積分

e^-2xの積分はどうしたらよいのでしょうか…。e^xやe^2xsinxなどはのってるのですがこれが見つかりません。お願いします。

Aベストアンサー

いささか、思い違いのようです。

e^-2x は、 t=-2x と置いて置換してもよいけれど、牛刀の感がします。

e^-2x を微分すると、(-2)*( e^-2x )となるので、

e^-2x の積分は、(-1/2)*( e^-2x )と判明します。

Q有無、要否、賛否、是非、可否、当否…これらの言葉について

<A>
有無=あるかないか
要否=必要か否か
賛否=賛成と反対
是非=よいことと悪いこと
可否=よいことと悪いこと
当否=正しいか正しくないか。適切かどうか。


1.上記Aのような種類の言葉について、もっと知りたいので
他に何かあれば教えて下さい。

2.Aのような種類の言葉の事を何と呼ぶんでしょうか??

3.Aのような言葉を、どういう風に使えばいいのですか?
例文を示して頂けないでしょうか。

4.「是非」「可否」「当否」の意味は、全部同じですか?
違うとすれば、どのように違うのでしょうか?

Aベストアンサー

使用例

要否=要否を問う

賛否=賛否両論、賛否を問う
是非=是非(良し悪し)を論ずる。 副詞としての用法、是非参加ください。
可否= 可否(良し悪し)を論ずる。可否(賛否)を問う。
当否=ことの当否(よしあし、あたりはずれ)は別として、

是非と可否は同じ意味です。
当否も上の二つと同じ意味があるものの、それが当てはまっているかどうかという意味もあるので全く同じようには使えないでしょう。
二文字で相反する意味を表す漢語独特の表現法ですが、特に名前があるかどうかわかりません。類語として、否応(いやおう)があります。意味は断ることと承知すること。使用例、否応なしに買わされた(無理やりに買わされた)

Q剛体振り子の周期

剛体振り子の運動方程式 I(θの2回微分)=-Mghθ
から、普通に
周期T=2π√(I/Mgh)
と教科書に書いてあるのですけど、この周期Tはどうやって求めたのでしょう?計算の仕方がわからないので教えてください☆お願いします!
T=2π/ωと、ω=(θの微分)を用いるのはわかるんですけど・・・。

Aベストアンサー

これはθに関する微分方程式を解かなければいけません。
すなわち
dθ^2/dt^2 = -Aθ
(A=Mgh/I)
これは、よく教科書に書いてある形の微分方程式なのですが、解き方をここに書くのは、ちょっと面倒なのでご勘弁ください。

代わりに、方程式から周期を求める簡易な方法を紹介します。

θはtの三角関数になることは、わかっているものとします。

そうすると
θ = a・sin(ωt+c)
tで一回微分すると
dθ/dt = ab・cos(ωt+c)
もう1回tで微分すると
I = dθ^2/dt^2 = -a・ω^2・sin(ωt+c)

これらを当初の方程式に代入すれば
-a・ω^2・sin(ωt+c) = -A・a・sin(ωt+c)
よって
ω=√A=√(Mgh/I)
T=2π/ω=2π√(I/Mgh)

QPTネジとPFネジの違い。

 PTネジ(管用テ-パネジ)とPFネジ(管用平行ネジ)の違いについて教えてください。それぞれどういう形状なのでしょう?又、どういう利点があるのですか?
 よろしくお願いします。

Aベストアンサー

 管用ねじの使い方はおおむね2通りあります。

・平行=平行
 分解可能な構造用配管や、多少の漏れが気にならない流体用。

・平行=テーパ、テーパ=テーパ
 漏れがないように管を接続するためのねじ

になります。平行=テーパの場合、雌ねじが平行、雄ねじがテーパになります。また、テーパねじを接続するときは、ある程度長さが調整できます(2~3mmぐらいまで)。

QNをkgに換算するには?

ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?一応断面積は40mm^2です。
1N=9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか?
ただ、式の意味がイマイチ理解できないので解説付きでご回答頂けると幸いです。
どなたか、わかる方よろしくお願いします。

Aベストアンサー

こんにちは。

kgfはSI単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。


>>>
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?

なんか、日本語が変ですね。
「ある試験片に40kgの重りをつけた時の引っ張りの力は何Nの力で引っ張るのと同じですか?」
ということですか?

・・・であるとして、回答します。

40kgのおもりなので、「おもりにかかる重力」は40kgfです。

重力は万有引力の一種ですから、おもりにも試験片にも、地球からの重力はかかります。
しかし、試験片の片方が固定されているため、見かけ、無重力で、試験片だけに40kgfの力だけがかかっているのと同じ状況になります。

試験片にかかる引っ張り力は、

40kgf = 40kg×重力加速度
 = 40kg×9.8m/s^2
 = だいたい400N

あるいは、
102グラム(0.102kg)の物体にかかる重力が1Nなので、
40kg ÷ 0.102kg/N = だいたい400N


>>>1N=9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか?

いえ。
1kgf = 9.8N
ですね。


>>>一応断面積は40mm^2です。

力だけでなく、引っ張り応力を求めたいのでしょうか。
そうであれば、400Nを断面積で割るだけです。
400N/40mm^2 = 10N/mm^2 = 10^7 N/m^2
1N/m^2 の応力、圧力を1Pa(パスカル)と言いますから、
10^7 Pa (1千万パスカル) ですね。

こんにちは。

kgfはSI単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。


>>>
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?

なんか、日本語が変ですね。
「ある試験片に40kgの重りをつけた時の引っ張りの力は何Nの力で引っ張るのと同じですか?」
ということですか?

・・・であるとして、回答します。

40kgのおもりなので、「おもりにかかる重力」は40kg...続きを読む

Qジェットエンジンにおける推進効率と排気速度の関係

私は今ターボファンエンジンについて調べているのですが、ジェットエンジンの推進効率というものは、空気抵抗の関係で「排気の速度を飛行速度より若干速い程度まで落とした時」が一番よいらしいですね。

ではなぜこのときが一番効率がよくなるのでしょうか?また空気抵抗はどのように関係してくるのでしょうか?
流体力学を絡めて説明してくれるとうれしいのです

Aベストアンサー

お求めになっている答えなのか解りませんが、ジェットエンジンの推進効率は、

推進効率 η=2Va/(Vj+Va)
Va:流入空気速度
Vj:排気速度

であり、理論上は飛行速度と排気速度が同じ場合に最大値の1をとります。
どうしてそうなるか、は教科書の数ページ分を書き写すだけなのと、「そういうもの」として覚えた
だけなので私ではご説明しきれません。ただ、空気抵抗云々ではなく、式はエネルギーの効率
を考えたE=1/2mV^2が元になっています。

これらは以下の書籍をご参考にされると良いかと思います。

航空力学の基礎
http://www.amazon.co.jp/%E8%88%AA%E7%A9%BA%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E3%81%AE%E5%9F%BA%E7%A4%8E-%E7%89%A7%E9%87%8E-%E5%85%89%E9%9B%84/dp/4782840705
航空工学教室タービン発動機 (絶版?)
http://www.amazon.co.jp/%E8%88%AA%E7%A9%BA%E5%B7%A5%E5%AD%A6%E6%95%99%E5%AE%A4%E3%82%BF%E3%83%BC%E3%83%93%E3%83%B3%E7%99%BA%E5%8B%95%E6%A9%9F-%E5%B7%9D%E7%AB%AF-%E6%B8%85%E4%B8%80/dp/493085895X

特に後者は航空機用ガスタービンの基礎的なことはほぼ全て記述されていると思います。

お求めになっている答えなのか解りませんが、ジェットエンジンの推進効率は、

推進効率 η=2Va/(Vj+Va)
Va:流入空気速度
Vj:排気速度

であり、理論上は飛行速度と排気速度が同じ場合に最大値の1をとります。
どうしてそうなるか、は教科書の数ページ分を書き写すだけなのと、「そういうもの」として覚えた
だけなので私ではご説明しきれません。ただ、空気抵抗云々ではなく、式はエネルギーの効率
を考えたE=1/2mV^2が元になっています。

これらは以下の書籍をご参考にされると良い...続きを読む


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