Düse

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Eine Düse (tschechisch duse - Schlauch, Inneres eines Rohres) ist eine technische Vorrichtung,

die einen Gas- oder Flüssigkeits-Strom umlenkt, oder
die eine (Gas- oder Flüssigkeits-) Druckenergie in eine Bewegungsenergie umwandelt bzw. einen Druck in einen gerichteten Schub
oder eine feste oder zähflüssige Masse formt, oder eine flüssige bzw. gasförmige Substanz gleichmäßig verteilt (siehe Spritzdüse)
Messgerät zur Durchflussmessung (siehe Messblende)

Umgangssprachlich spricht man auch beim sichtbaren Heckteil einer Flugzeugturbine von einer Düse - und daher von einem Düsenflugzeug.

Düse eines Raketentriebwerks

Ein komplexes Anwendungsbeispiel ist das Turbinentriebwerk in einem Überschallflugzeug. Da die Luft die Schaufeln der Rotoren und Statoren nur im Unterschallbereich umströmen darf, muss die Luft im Lufteinlaufbereich zur Turbine mittels eines Diffusors auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst werden. Denn käme es zu Überschallgeschwindigkeiten an den Schaufeln der Rotoren und Statoren in einem Turbinenantrieb, risse die Strömung ab, die Brennkammer erstickte, der Antrieb fiele aus. Außerdem liefen Schockwellen durch das Fließmedium (die Luft) und versetzten die Rotor-/Statorflügel in Schwingungen, welche das Triebwerk zerstören könnten.

Anschließend muss die Luft wieder auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Das passiert in der Düse, die im Querschnitt sich verjüngend dem Triebwerk folgt.

Muss die Düse beiden Bedingungen gerecht werden, etwa bei einem Flugzeug mit einem Nachbrenner, der von sich aus schon Überschallströmungsgeschwindigkeiten abliefert, aber durch eine Turbine "gefüttert" wird, die nur Unterschallfließströmungen überlebte, dann wird eine verstellbare Düse verwendet. Dies bezeichnet man auch als Konvergent/Divergent-System.

Der Grund dafür ist vor allem, dass in einer Düse nicht nur die Größe des Querschnittes und die Fließgeschwindigkeit, sondern auch die Dichte bzw. der kinetische Druck des Fließmediums einen Parameter darstellt. Und alle sind proportional voneinander abhängige Größen, was im Überschallbereich zu einem seltsamen Phänomen führt.

Erklären lässt sich dieses paradoxe Phänomen (dass im Überschallbereich der Fließquerschnitt sich in Fließrichtung weiten statt verjüngen muss, um höhere Fließgeschwindigkeiten zu erreichen), anhand der Hugoniot-Gleichung, der Flächen-Geschwindigkeits-Beziehung:

$\frac{du}{u}= \frac{-dA}{A} \frac{1}{1-Ma^2}$

Bei subsonischer Strömung (Unterschallfließgeschwindigkeit) bewirkt eine Querschnittsabnahme einen Geschwindigkeitszuwachs. Eine subsonische Düse ist demnach konvergent (in Fließrichtung verjüngend) geformt.
Für eine supersonische bzw. hypersonische Strömung (Überschallfließgeschwindigkeit) bewirkt eine Querschnittszunahme einen Geschwindigkeitszuwachs. Eine entsprechende hypersonische/supersonische Düse ist demnach divergent geformt.
Das liegt daran, dass bei einer solchen (Überschall-) Strömung die Dichte mehr abnimmt als die Geschwindigkeit zunimmt, was bei einem sich in Fließrichtung verjüngend geformten Bauteil dazu führen würde, dass in der molekularen Summe die Fließgeschwindigkeit mit der Verringerung des Fließquerschnittes abnähme.

Bei einer transonischen Strömung ist dA = 0, denn sonst hat die Gleichung keine Lösung, das heißt im engsten Querschnitt der Düse ist die Mach-Zahl Ma = 1.

Der Physiker definiert die Düse daher nicht über "verjüngend" oder "weitend", sondern darüber, ob sich die Geschwindigkeit des Fließmediums beim Durchströmen der Querschnittsänderung erhöht (Düse) oder sinkt (Diffusor).

Die auf dem Bild sichtbare Düse des Rakentenantriebes wird übrigens von oben nach unten durchströmt und stellt ein schönes Beispiel für eine hypersonische und daher divergente Düse dar.