Главная > База знаний > Большая советская энциклопедия > СОПЛО

СОПЛО

СОПЛО специально спрофилированный
закрытый канал, 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.) или
иметь произвольную форму (пространств. С.). В С. происходит непрерывное
увеличение скорости $\nu$ жидкости
или газа в направлении течения - от начального значения $\nu$ во
входном сечении С. до наибольшей скорости $\nu$ = $\nu$ на
выходе. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости $\nu$
в С. происходит непрерывное падение давления и темп-ры от их начальных
значений рдо наименьших значений рТв выходном сечении. T. о., для реализации течения в С.
необходим нек-рый перепад давления, т. е. выполнение условия ррПри
увеличении Tскорость во всех сечениях С. возрастает
в связи с ростом начальной потенциальной энергии. Пока скорость течения
невелика, малы и соответствующие изменения давления и темп-ры в С., поэтому
свойство сжимаемости (способность жидкости или газа изменять свой объём
под действием перепада давления или изменения темп-ры) ещё не проявляется,
и изменением плотности среды $\rho$
в направлении течения можно пренебречь, считая её постоянной. В этих условиях
для непрерывного увеличения скорости С. должно иметь сужающуюся форму,
т. к. в силу уравнения неразрывности pvF = const площадь F поперечного
сечения С. должна уменьшаться обратно пропорционально росту скорости. Однако
при дальнейшем увеличении $\nu$ начинает
проявляться сжимаемость среды, плотность её уменьшается в направлении течения.
Поэтому постоянство произведения трёх множителей pvF
в этих новых
условиях зависит от темпа падения $\rho$
с ростом $\nu$ . При $\nu$ < $\alpha$ ,
где
а
-
местная скорость распространения звука в движущейся среде, темп падения
плотности газа отстаёт от темпа роста скорости, поэтому для обеспечения
разгона, т. е. увеличения v, F нужно уменьшать (рис. I),. несмотря
на падение плотности (дозвуковое С.). Но при разгоне до скоростей $\nu$ > $\alpha$ падение
плотности происходит быстрее, чем рост скорости, поэтому в сверхзвуковой
части необходимо увеличивать площадь F (сверхзвуковое С.).

Рис. 1. Схема дозвукового сопла.

Рис. 2. Схема сверхзвукового сопла (сопла
Лаваля).

T. о., сверхзвуковое С., наз. также соплом
Лаваля, имеет вначале сужающуюся, а затем расширяющуюся форму (рис. 2).
Изменение скорости вдоль С. определяется законом изменения площади его
поперечного сечения F по длине С.

Давление в выходном сечении дозвукового
С. всегда равно давлению рв окружающей среде, куда
происходит истечение из С. (pт. к.
любые отклонения в величине давления представляют собой возмущения, к-рые
распространяются внутрь С. со скоростью, равной скорости звука, и вызывают
перестройку потока, ведущую к выравниванию давлений в выходном сечении
С. При возрастании PO и неизменном рскорость $\nu$ а
в
выходном сечении дозвукового С. сначала увеличивается, а после того как
рстановится
постоянной и при дальнейшем увеличении рне изменяется.
Такое явление наз. кризисом течения в С. После наступления кризиса средняя
скорость истечения из дозвукового С. равна местной скорости звука (Va
- а) и наз. критич. скоростью истечения. Дозвуковое С. превращается
в звуковое С. Все параметры газа в выходном сечении С. также наз. в этом
случае критическими. Для дозвуковых С. с плавным контуром критич. отношение
давлений при истечении воздуха и др. двухатомных газов (р= 1,9.

В сверхзвуковом С. критическим наз. его
наиболее узкое сечение. Относит, скорость $\nu$ в
выходном сечении сверхзвукового С. зависит только от отношения площади
выходного сечения Fк площади его критич. сечения Fи в широких пределах не зависит от изменений давления рС. Поэтому, изменяя с помощью механич. устройства площадь критич. сечения
FFможно изменять $\nu$ На
этом принципе основаны используемые в технике регулируемые С. с переменной
скоростью газа в выходном сечении. Давление в выходном сечении сверхзвукового
С. может быть равно давлению в окружающей среде (р=
ртакой
режим течения наз. расчётным, в противном случае - нерасчётным. В отличие
от дозвукового С., возмущения

давления при р<>рраспространяющиеся
со скоростью звука, относятся сверхзвуковым потоком и не проникают внутрь
сверхзвукового С., поэтому давление рне уравнивается
с
рНерасчётвые режимы характеризуются образованием
волн разрежения в случае ррили ударных
волн в случае рКогда поток проходит
через систему таких волн вне С., давление становится равным рПри
большом избытке давления в атмосфере над давлением в выходном сечении С.
ударные волны могут перемещаться внутрь С., и тогда нарушается непрерывное
увеличение скорости в сверхзвуковой части С. Сильное падение давления и
темп-ры газа в сверхзвуковом С. может приводить, в зависимости от состава
текущей среды, к различным физико-химич. процессам (химич. реакции, фазовые
превращения, неравновесные термодинамич. переходы), к-рые необходимо учитывать
при расчёте течения газа в С.

С. широко используются в технике (в паровых
и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях, в
газодинамических
лазерах, в магнитно-газодинамич. установках, в
аэродинамических
трубах и на газодинамич. стендах, при создании молекулярных пучков,
в химич. технологии, в струйных аппаратах, в расходомерах,
в дутьевых
процессах и мн. др.). В зависимости от технич. назначения С. возникают
специфич. задачи расчёта С.: напр., в С. аэродинамич. труб необходимо обеспечить
создание равномерного и параллельного потока газа в выходном сечении, требования
к С. ракетных двигателей заключаются в получении наибольшего импульса газового
потока в выходном сечении С. при его заданных габаритных размерах. Эти
и др. технич. задачи привели к бурному развитию теории С., учитывающей
наличие в газовом потоке жидких и твёрдых частиц, неравновесных химич.
реакций, переноса лучистой энергии и др., что потребовало широкого применения
ЭВМ для решения указанных задач, а также для разработки сложных экспериментальных
методов исследования С.

Лит.: Абрамович Г. H., Прикладная
газовая динамика, 3 изд., M., 1969; С т е рнин Л. E., Основы газодинамики
двухфазных течений в соплах, M., 1974.

С. Л. Вишневецкий.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я