Предупреждение № 1:
я буду избегать сохранения энергии, но, очевидно, не могу отказаться от сохранения массы.

Предупреждение № 2.
И скорость, и давление устанавливаются в соответствии с законами физики. Не бывает так, что сначала один оседает, а за ним следует второй. Не позволяйте моей формулировке обмануть вас.

Предупреждение №3:
я не буду учитывать температуру в дополнение к скорости, плотности и давлению. Это слишком много для объяснения.

---

Есть много, много способов увидеть это.

Неправильный, но простой ответ

Люди, которые «просто» говорят:

Скорость падает, а давление растет.

Часто ошибаются. Это верно только для идеальных, несжимаемых, безвихревых потоков и известно как принцип Бернулли . Если бы мой (французский!) учитель аэродинамики услышал, что кто-то упомянул об этом, этот человек, вероятно, потерял бы баллы! Эти условия часто далеки от реальности, поэтому последствия не всегда сохраняются. Однако его можно использовать в качестве ориентира, чтобы получить представление о потоке с низким числом Маха.

(Обратите внимание, что в локально сверхзвуковых потоках может применяться прямо противоположное, поэтому это предупреждение справедливо!)

Энергия

Самый простой ответ — энергосбережение. Вы упомянули, что хотите еще:

Я понимаю энергосбережение

Так что я пройду.

Силы

Ваше сопло — это сходящийся коллектор, а ваш диффузор — расходящийся. Один действует прямо противоположно другому (просто обращает время в установившемся потоке), поэтому я буду рассматривать сходящиеся осесимметричные мелкие сопла. Мелкость означает, что скорость везде квазиосевая.

Кроме того, в авиации мы имеем дело с самолетами, поэтому я предполагаю, что скорость всасывания ограничена и не может снижаться.

Давайте сначала доберемся до равновесия.

Теперь попробуйте впихнуть негазированную жидкость через ограничительную трубу. Ему это не понравится, и он будет сопротивляться (инерция, плюс поверхностное давление осевой составляющей сопла и т.д. см.? силы!), тем самым увеличивая свое давление. Это увеличение давления будет распространяться на весь впуск и повышать это давление. И теперь впускное отверстие имеет все необходимое, чтобы протолкнуть всю жидкость вперед:

• высокое давление на входе P0
• ограниченная скорость всасывания V0

Так жидкость эффективно движется по трубе.

Как описать равновесие

Во-первых, любое радиальное сечение жидкости имеет квазиоднородное давление, иначе жидкость набрала бы большую радиальную скорость, так что мы еще не были бы в равновесии.

Далее применяем сохранение массы. Это вызывает сохранение потока в любом сечении жидкости с A×V×rho=Cte. Если фронтальная площадь ограничена, то либо скорость, либо плотность должны увеличиться. Величина, на которую каждый из них увеличивается, зависит от свойств жидкости (сжимаемость и т. д.). Так вот: скорость должна увеличиваться в сужающемся сопле . Также в качестве побочного продукта может увеличиться плотность .

Как это происходит?

Проще говоря, сила должна толкать жидкость. Помните, что всасывание имеет очень высокое давление, необходимое для поддержания постоянного потока? Ну, это давление продвигает жидкость (и на более узком конце (на выходе) также должно быть низкое давление).

Если мы проведем статический анализ тонкого среза жидкости, у него будет низкая скорость сзади и высокая скорость впереди, поэтому каждая молекула ускоряется. Секция позади обеспечивает высокое давление, это давление преобразуется в осевую силу, молекулы ускоряются. Передняя часть имеет более низкое давление и не так сильно отталкивается назад. То, что вы толкаете вперед сильно, а не толкаете назад, — это перепад давления .

Таким образом, вдоль потока мы должны увидеть снижение давления .

---

Вот, я использовал:

• предположение об установившемся потоке
• сохранение массы
• второй закон Ньютона

Смотри Ма, нет энергии!

PS извините, если это звучит так, как будто я разговариваю с 5-летним!

Пока мы ждем, вероятно, лучшего ответа, вот мой предварительный вариант.

Вы заявляете, что понимаете концепцию постоянного массового расхода. Давайте на мгновение запишем массовый расход правильно:

$$\dot{m} = \rho A v$$

слева у нас массовый расход$\dot{m}$, справа имеем плотность$\rho$, площадь$A$, а скорость$v$.

Если мы хотим$\dot{m}$быть постоянным при изменении$A$, нам нужно изменить$\rho$и$v$соответственно. В этих сценариях$\rho$считается примерно постоянным, оставляя только скорость в качестве свободной переменной. Хотя это может быть более верно для жидкостей, это не так уж далеко от реальности и в случае с воздухом (хотя вы можете наблюдать небольшие изменения плотности).

Откуда берутся силы? Стенки воздуховода и жидкость вниз по потоку (при торможении жидкость, которая уже имеет меньшую скорость, будет эффективно работать как «стенка» для поступающей жидкости) или жидкость вверх по потоку (при ускорении поступающая жидкость будет толкать остальную часть жидкость как выталкивающий поршень).

Другими словами, необходимая энергия исходит от перепада давления (чем быстрее жидкость, тем меньше давление).