Сопло

Сопло (далее С) 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 (пространственное С). ВС происходит непрерывное увеличение скорости v жидкости или газа в направлении течения — от начального значения vo во входном сечении С до наибольшей скорости v = va на выходе. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости v в С происходит непрерывное падение давления и температуры от их начальных значений ро, То до наименьших значений ра, Та в выходном сечении. Т. о., для реализации течения в С необходим некоторый перепад давления, т. е. выполнение условия ро > ра. При увеличении То скорость во всех сечениях С возрастает в связи с ростом начальной потенциальной энергии. Пока скорость течения невелика, малы и соответствующие изменения давления и температуры в С, поэтому свойство сжимаемости (способность жидкости или газа изменять свой объем под действием перепада давления или изменения температуры) еще не проявляется, и изменением плотности среды r в направлении течения можно пренебречь, считая ее постоянной. В этих условиях для непрерывного увеличения скорости С должно иметь сужающуюся форму, т.к. в силу уравнения неразрывности rvF = const площадь поперечного сечения С должна уменьшаться обратно пропорционально росту скорости. Однако при дальнейшем увеличении v начинает проявляться сжимаемость среды, плотность ее уменьшается в направлении течения. Поэтому постоянство произведения трех множителей rvF в этих новых условиях зависит от темпа падения r с ростом v. При v < a, где а — местная скорость распространения звука в движущейся среде, темп падения плотности газа отстает от темпа роста скорости, поэтому для обеспечения разгона, т. е. увеличения v, нужно уменьшать (рис. 1), несмотря на падение плотности (дозвуковое С). Но при разгоне до скоростей v>a падение плотности происходит быстрее, чем рост скорости, поэтому в сверхзвуковой части необходимо увеличивать площадь (сверхзвуковое С). Т. о., сверхзвуковое С, называемое также соплом Лаваля, имеет вначале сужающуюся, а затем расширяющуюся форму (рис. 2). Изменение скорости вдоль С определяется законом изменения площади его поперечного сечения по длине С   Давление в выходном сечении дозвукового С всегда равно давлению рс в окружающей среде, куда происходит истечение из С (ра = рс), т.к. любые отклонения в величине давления представляют собой возмущения, которые распространяются внутрь С со скоростью, равной скорости звука, и вызывают перестройку потока, ведущую к выравниванию давлений в выходном сечении С При возрастании ро и неизменном рс скорость va в выходном сечении дозвукового С сначала увеличивается, а после того как ро достигнет некоторой определенной величины, va становится постоянной и при дальнейшем увеличении ро не изменяется. Такое явление называется кризисом течения в С После наступления кризиса средняя скорость истечения из дозвукового С равна местной скорости звука (va = а) и называется критической скоростью истечения. Дозвуковое С превращается в звуковое С Все параметры газа в выходном сечении С также называются в этом случае критическими. Для дозвуковых С с плавным контуром критическое отношение давлений при истечении воздуха и др. двухатомных газов (ро/рс) кр " 1,9.   В сверхзвуковом С критическим называют его наиболее узкое сечение. Относительная скорость va/a в выходном сечении сверхзвукового С зависит только от отношения площади выходного сечения a к площади его критического сечения kp и в широких пределах не зависит от изменений давления ро перед С Поэтому, изменяя с помощью механического устройства площадь критического сечения kp при неизменной площади a, можно изменять va/a. 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 (ра = рс), такой режим течения называется расчетным, в противном случае — нерасчетным. В отличие от дозвукового С, возмущения давления при pa ¹ рс, распространяющиеся со скоростью звука, относятся сверхзвуковым потоком и не проникают внутрь сверхзвукового С, поэтому давление ра не уравнивается с рс. Нерасчетные режимы характеризуются образованием волн разрежения в случае ра > рс или ударных волн в случае ра < рс Когда поток проходит через систему таких волн вне С, давление становится равным рс. При 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 температуры газа в сверх звуковом С может приводить, в зависимости от состава текущей среды, к различным физико- процессам ( реакции, фазовые превращения, неравновесные термодинамические переходы), которые необходимо учитывать при расчете течения газа в С   С широко используются в технике (в паровых и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях, в газодинамических лазерах, в установках, в аэродинамических трубах и на газодинамических стендах, при создании молекулярных пучков, в технологии, в струйных аппаратах, в расходомерах, в дутьевых процессах и многих др.). В зависимости от технического назначения С возникают специфические задачи расчета С: например, в С аэродинамических 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. технические задачи привели к бурному развитию теории С, учитывающей наличие в газовом потоке жидких и твердых частиц, неравновесных 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. Н., Прикладная газовая динамика, 3 изд., М., 1969: Стернин Л. Е., Основы газодинамики двухфазных течений в соплах, М., 1974.   С Л. Вишневецкий.