сопло

СОПЛО - канал (труба) переменного по длине поперечного сечения, предназначенный для разгона жидкостей или газов до заданной скорости и придания потоку заданного направления. Служит также устройством для получения газовых и жидкостных струй. Поперечное сечение С. может быть прямоугольным (плоские С.), круглым (осесимметричные С.), иметь форму кольца (кольцевые С., С. с центр. телом) или произвольную форму, в т. ч. форму эллипса или многоугольника (пространственные С.).

С. широко используются в технике: в паровых, водяных и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях, в газодинамических лазерах, в магнитогидродинамич. установках, в аэродинамических трубах и на газодинамич. стендах, при создании молекулярных пучков, в хим. технологии, в струйных аппаратах, в процессах дутья и др.

В С. происходит непрерывное увеличение скорости v жидкости или газа в направлении течения - от начального (обычно малого) значения v₀ во входном сечении С. до наиб. скорости v_c на выходе С. При движении по С. внутр. энергия рабочего тела преобразуется в кинетич. энергию вытекающей струи, сила реакции к-рой, направленная противоположно скорости истечения, наз. тягой. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости в С. происходит непрерывное падение давления и темп-ры от их нач. значений р₀, Т₀ во входном сечении С. до наим. значений р_c, Т_c в выходном. Т. о., для реализации течения в С. необходим нек-рый перепад давления, т. е. выполнение условия

Если считать движение жидкости или газа по С. изоэнтропийным (см. Изоэнтропийный процесс)и стационарным и рассматривать средние по поперечному сечению S значения давления р, скорости v, плотности р и скорости звука с (одномерное приближение), то из Эйлера ур-ния

(х - координата вдоль сопла), неразрывности уравнения и выражения скорости звукаполучаем ур-ние

Из него видно, что при v < с (дозвуковое течение по С.) знак dv противоположен знаку dS, т. е. для того, чтобы скорость течения по С. росла (dv > 0), площадь сечения с ростом х должна уменьшаться (dS < 0), а при v > с (сверхзвуковое течение по С.) знаки dv и dS одинаковы, т. е. для получения роста скорости (dv > 0) необходимо увеличивать и плошадь S вдоль С. (dS > 0). Физически это связано с тем, что при сверхзвуковой скорости течения газов из-за влияния сжимаемости плотность газа падает быстрее, чем растёт скорость вдоль С., и в силу ур-ния неразрывности для компенсации быстрого падения плотности необходимо увеличивать площадь S. Если v = с, то dS = 0 и ф-ция S(x)принимает экстремальное (минимальное) значение. Т. о., дозвуковое С. имеет сужающуюся форму (рис. 1).

наиб. скорость, к-рую можно получить в сужающемся С., равна скорости звука и достигается в его выходном (наиб. узком) сечении. Сверхзвуковое С., называемое также соплом Лаваля по имени его изобретателя - швед. инженера К. Г. П. де Лаваля (К. G. P. de Laval), имеет вначале сужающуюся, а затем расширяющуюся форму (рис. 2). Давление р_с в выходном сечении дозвукового С. всегда равно давлению р_а в окружающей среде, куда происходит истечение из С. (p_c = p_а). При возрастании р₀ и неизменном р_а скорость v_c в выходном сечении дозвукового С. сначала увеличивается, а после того как р₀ достигнет нек-рой определ. величины, v_c становится постоянной и при дальнейшем увеличении р₀ не изменяется. Такое явление наз. кризисом теченияв С. После наступления кризиса ср. скорость истечения из дозвукового С. равна местной скорости звука (v = с)и наз. критической скоростью. В этом случае все параметры газа в выходном сечении С. также наз. критическими, а С. наз. звуковым.

Рис. 1. Схема дозвукового сопла.

Рис. 2. Схема сверхзвукового сопла.

В сверхзвуковом С. критическим наз. его наиб. узкое сечение. Кривая линия, на к-рой реализуется переход от дозвуковой к сверхзвуковой скорости течения (линия v = с), расположена в области мин. сечения С., поэтому ср. скорость в критич. сечении всегда близка к скорости звука. относит. скорость и давление в выходном сечении сверхзвукового C. зависят только от отношения площади выходного сечения S_c к площади критич. сечения и не зависят в широких пределах от изменения относит. давления p₀/p_а. Давление в выходном сечении сверхзвукового С. может быть равно давлению в окружающей среде (p_c ⁼ p_а)' такой режим течения в С. наз. расчётным, в противном случае - нерасчётным. Нерасчётные режимы характеризуются образованием волн разрежения вне С. в случае р_с > р_а или ударных волн вне или внутри С. в случае р_с < р_а. Когда поток проходит через систему волн разрежения или ударных волн, давление становится равным р_а.

В более общем случае неизоэнтропийного и неадиабатич. течения в С. ур-ние типа (2) включает члены, учитывающие трение, подвод или отвод теплоты, массы и механич. работы к рабочему телу. С учётом этих воздействий переход скорости течения через скорость звука может происходить не только в геометрическом - сначала сужающемся, а затем расширяющемся С., но и при изменении знака воздействия на поток в канале пост. сечения. Так, дозвуковой поток в таком канале ускоряется при подводе теплоты (тепловое С.), массы (расходное С.), совершении газом механич. работы (механическое С.), а сверхзвуковой - при изменении знака этих воздействий на обратный. Под влиянием одностороннего воздействия величину скорости газового потока можно довести только до критической (до скорости звука), но нельзя перевести через неё.

Изменение скорости вдоль геом. С. определяется законом изменения площади S(x)по длине С. Контур С., т.е. вид ф-ции S(x)в одномерном приближении, определить нельзя. Поэтому развита теория двумерных (плоских и осесимметричных) и трёхмерных (пространственных) течений в С., основанная на решении (гл. обр. численными методами с использованием ЭВМ) осн. дифференц. ур-ний газовой динамики с соответствующими граничными и нач. условиями. В теории С. решаются две задачи: прямая - определение течения в С., контур к-рого задан, обратная - определение контура С., обладающего к--л. заданными свойствами. Напр., в аэродинамич. трубе С. должно обеспечить создание на выходе, т. е. в рабочей части аэродинамич. трубы, однородного (по величине и направлению) потока с заданной скоростью (или Маха числом М_с = v_c/c), а контур С. ракетных и воздушно-реактивных двигателей определяют так, чтобы получить макс. импульс потока на выходе С. (макс. тягу) при заданных ограничениях массы и габаритов С. Чтобы удовлетворить поставленным требованиям в широком диапазоне изменения условий течения (напр., изменения числа Маха С. аэродинамич. труб, скорости и высоты полёта летат. аппарата с ракетным или воздушно-реактивным двигателем), применяют регулируемые С. В сверхзвуковых С. аэродинамич. труб и дозвуковых С. двигателей применяют механич. регулирование площади критич. сечения С. S_кp, что позволяет путём изменения отношения S_кр/S_с изменять число Маха и давление на выходе С., а в сверхзвуковых С. двигателей с той же целью кроме регулирования S_кр используют выдвижные (телескопические), раскрываемые и разворачивающиеся насадки, дискретным образом изменяющие S_c.

Теория С. рассматривает течение реального рабочего тела в С.и учитывает трение, теплообмен рабочего тела со стенками С., наличие в газовом потоке жидких и твёрдых частиц (см. Двухфазное течение ),неравновесных хим. реакций и физ. процессов возбуждения внутр. степеней свободы молекул, переноса лучистой энергии, воздействия эл--магн. полей и др. Все эти процессы, связанные с отличием рабочего тела от идеального газа, приводят к возникновению разл. вида потерь в С., уменьшающих тягу двигателей или кпд турбин. Развитие теории С. дало ответ на многие принципиальные вопросы изучения движения жидкостей и газов. Наряду с теорией С. разработаны сложные эксперим. методы исследования течения в С., потребовавшие создания спец. гидродинамич. установок и газодинамич. стендов, а также системы измерения сил и параметров течения.

Лит.: Абрамович Г. Н., Прикладная газовая динамика, 5 изд., ч. 1-2, М., 1991; Стернин Л. Е., Основы газодинамики двухфазных течений в соплах, М., 1974; П и р у м о в У. Г., Росляков Г. С., Течения газа в соплах, М., 1978. С. Л. Вишневецкий.

   <<      Предметный указатель      >>