Als Düsenströmung wird die Strömung eines Fluids, d. h. eines Gases oder einer Flüssigkeit, durch eine Düse bezeichnet. Dabei wird das Fluid beschleunigt, während der Druck abnimmt. Bei einer Düsenströmung wird potentielle in kinetische Energie umgewandelt.
Der durch die Düse fließende Massenstrom wird bestimmt durch den Vordruck $ p_{i} $, den Gegendruck $ p_{a} $ und den engsten Querschnitt $ A $ der Düse: bei konstantem Vordruck nimmt der Massenstrom mit sinkendem Gegendruck im Ausflussraum zu, bis bei einem bestimmten kritischen Druckverhältnis die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt gerade die Schallgeschwindigkeit des Fluids erreicht. Bei weiterer Reduzierung des Gegendrucks unter den kritischen Wert bleibt der Massenstrom konstant.
Das eindimensionale Berechnungsmodell (mit der Koordinate $ x $ längs der Düsenachse in Strömungsrichtung) stützt sich auf die Erhaltungssätze von Masse, Impuls und Energie sowie auf Zustandsgleichungen des Fluids. An jeder Stelle $ x $ wird lokales thermodynamisches Gleichgewicht vorausgesetzt.
Zudem wird angenommen, dass die Strömungsgeschwindigkeit $ w $, der Druck $ p $ und die Temperatur $ T $ in jedem Querschnitt $ (y,z) $ senkrecht zur Strömungsrichtung gleichförmig sind:
Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Temperatur sind also nur von der ersten Raumdimension $ x $ abhängig.
Das Modell ergibt Beziehungen zwischen integralen (globalen) Eingangs- und Ausgangsgrößen (Massenstrom, mittlere Geschwindigkeit, Temperatur).
Die Erhaltung der Masse wird gewährleistet durch die Kontinuitätsgleichung, d. h. der Massenstrom $ {\dot {m}} $ durch jeden Querschnitt $ A $ ist gleich:
Hierbei bezeichnet
Die Erhaltung der Energie wird durch die Bernoulli-Gleichung gewährleistet:
wobei
Wenn die Strömung adiabatisch verläuft und Reibungsverluste vernachlässigt werden können, so bleibt die Entropie des Fluids während der Beschleunigung durch die Düse in erster Näherung konstant (isentrope Düsenströmung):
Sind die Dichte $ \rho (s,p) $ und die spezifische Enthalpie $ h(s,p) $ in Abhängigkeit von der spezifischen Entropie $ s $ und dem Druck $ p $ gegeben (Zustandsgleichungen des Fluids), dann gilt:
wobei $ s_{0} $ die spezifische Entropie im Kesselzustand ist.
Der Strömungsquerschnitt $ A $ in Abhängigkeit vom Druck folgt aus:
Der Druck $ p=p(x) $ und damit alle anderen Größen sind Funktionen der Koordinate $ x $.
Der Strömungsquerschnitt $ A(p) $ hat ein Minimum bei dem Druck, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit $ w $ gleich der Schallgeschwindigkeit $ c_{s} $ ist.
Die Schallgeschwindigkeit ist definiert durch:
Zudem gilt allgemein:
Damit ergibt sich:
Bei der adiabaten Strömung eines idealen Gases gilt folgender Zusammenhang zwischen Dichte und Druck:
mit
Wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Vorkammer vernachlässigt ($ w_{i}\approx 0 $), so ergibt sich bei adiabater Strömung folgender Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckverhältnis:
mit
Der Massenstrom eines Brenngas-Luft-Gemischs durch die Düse eines Gasbrenners ergibt sich mit sehr guter Genauigkeit aus:
wobei
Der effektive Düsenquerschnitt $ A\cdot \mu $, der als einziger Parameter von der Bauform der Düse abhängt, kann aus Messwerten bestimmt werden.