Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СОПЛО

СОПЛО

СОПЛО - канал (труба) переменного по длине поперечного сечения, <предназначенный для разгона жидкостей или газов до заданной скорости ипридания потоку заданного направления. Служит также устройством для получениягазовых и жидкостных струй. Поперечное сечение С. может быть прямоугольным(плоские С.), круглым (осесимметричные С.), иметь форму кольца (кольцевыеС., С. с центр. телом) или произвольную форму, в т. ч. форму эллипса илимногоугольника (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 ина 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 илигаза в направлении течения - от начального (обычно малого) значения v₀ во входном сечении С. до наиб. скорости v_c на выходеС. При движении по С. внутр. энергия рабочего тела преобразуется в кинетич. <энергию вытекающей струи, сила реакции к-рой, направленная противоположноскорости истечения, наз. тягой. В силу закона сохранения энергии одновременнос ростом скорости в С. происходит непрерывное падение давления и темп-рыот их нач. значений р ₀, Т ₀ во входном сеченииС. 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. Изоэнтропийныйпроцесс )и стационарным и рассматривать средние по поперечному сечению S значения давления р, скорости v, плотности р и скоростизвука с (одномерное приближение), то из Эйлера ур-ния

( х - координата вдоль сопла), неразрывности уравнения и выражения скорости звука получаемур-ние

Из него видно, что при v< с (дозвуковое течение поС.) знак dv противоположен знаку dS, т. е. для того, чтобыскорость течения по С. росла (dv с (сверхзвуковоетечение по С.) знаки dv и dS одинаковы, т. е. для полученияроста скорости (dvнаиб. скорость, к-рую можно получить в сужающемся С., равна скоростизвука и достигается в его выходном (наиб. узком) сечении. СверхзвуковоеС., называемое также соплом Лаваля по имени его изобретателя - швед. инженераК. Г. П. де Лаваля (К. G. P. de Laval), имеет вначале сужающуюся, а затемрасширяющуюся форму (рис. 2). Давление р _с в выходномсечении дозвукового С. всегда равно давлению р _а в окружающейсреде, куда происходит истечение из С. (p_c = p _а). При возрастании р ₀ и неизменном р _а скорость v_c в выходном сечении дозвукового С. сначалаувеличивается, а после того как р ₀ достигнет нек-ройопредел. величины, v_c становится постоянной и при дальнейшемувеличении р ₀ не изменяется. Такое явление наз. кризисомтеченияв С. После наступления кризиса ср. скорость истечения из дозвуковогоС. 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. Криваялиния, на к-рой реализуется переход от дозвуковой к сверхзвуковой скороститечения (линия v= с), расположена в области мин. сечения С., поэтомуср. скорость в критич. сечении всегда близка к скорости звука. относит. <скорость идавление в выходном сечении сверхзвукового C. зависят только от отношения площадивыходного сечения S_c к площади критич. сечения и не зависятв широких пределах от изменения относит. давления p₀/p _а. Давление в выходном сечении сверхзвукового С. может быть равно давлениюв 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-ниетипа (2) включает члены, учитывающие трение, подвод или отвод теплоты, <массы и механич. работы к рабочему телу. С учётом этих воздействий переходскорости течения через скорость звука может происходить не только в геометрическом- сначала сужающемся, а затем расширяющемся С., но и при изменении знакавоздействия на поток в канале пост. сечения. Так, дозвуковой поток в такомканале ускоряется при подводе теплоты (тепловое С.), массы (расходное С.),совершении газом механич. работы (механическое С.), а сверхзвуковой - приизменении знака этих воздействий на обратный. Под влиянием одностороннеговоздействия 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 одномерномприближении, определить нельзя. Поэтому развита теория двумерных (плоскихи осесимметричных) и трёхмерных (пространственных) течений в С., основаннаяна 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., контурк-рого задан, обратная - определение контура С., обладающего к.-л. заданнымисвойствами. Напр., в аэродинамич. трубе С. должно обеспечить создание навыходе, т. е. в рабочей части аэродинамич. трубы, однородного (по величинеи направлению) потока с заданной скоростью (или Маха числом М _с= v_c/c), а контур С. ракетных и воздушно-реактивныхдвигателей определяют так, чтобы получить макс. импульс потока на выходеС. (макс. тягу) при заданных ограничениях массы и габаритов С. Чтобы удовлетворитьпоставленным требованиям в широком диапазоне изменения условий течения(напр., изменения числа Маха С. аэродинамич. труб, скорости и высоты полёталетат. аппарата с ракетным или воздушно-реактивным двигателем), применяютрегулируемые С. В сверхзвуковых С. аэродинамич. труб и дозвуковых С. двигателейприменяют 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. двигателейс той же целью кроме регулирования S _кр используют выдвижные(телескопические), раскрываемые и разворачивающиеся насадки, дискретнымобразом изменяющие S_c.

Теория С. рассматривает течение реального рабочего тела в С. <и учитываеттрение, теплообмен рабочего тела со стенками С., наличие в газовом потокежидких и твёрдых частиц (см. Двухфазное течение), неравновесныххим. 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 возникновениюразл. вида потерь в С., уменьшающих тягу двигателей или кпд турбин. Развитиетеории С. дало ответ на многие принципиальные вопросы изучения движенияжидкостей и газов. Наряду с теорией С. разработаны сложные эксперим. методыисследования течения в С., потребовавшие создания спец. гидродинамич. установоки 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 всоплах, М., 1974; П и р у м о в У. Г., Росляков Г. С., Течения газа в соплах, <М., 1978. С. Л. Вишневецкий.