Сопло
 
а б в г д е 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
 

Сопло

Сопло, спеціально спрофільований закритий канал, призначений для розгону рідин або газів до заданої швидкості і додання потоку заданого напряму. Служить також пристроєм для здобуття газових і рідинних струменів . Поперечний перетин С. може бути прямокутним (плоскі С.), круглим (осесиметричні С.) або мати довільну форму (просторове С.). ВС. відбувається безперервне збільшення швидкості v рідини або газу у напрямі течії — від початкового значення v про у вхідному перетині С. до найбільшої швидкості v = v а на виході. Через закон збереження енергії одночасно із зростанням швидкості v в С. відбувається безперервне падіння тиску і температури від їх початкових значень р про , Т про до найменших значень р а Т а у вихідному перетині. Т. о., для реалізації перебігу в С. необхідний деякий перепад тиску, тобто виконання умови р про > р а . При збільшенні Т про швидкість у всіх перетинах С. зростає у зв'язку із зростанням початкової потенційної енергії. Поки швидкість течії невелика, малі і відповідні зміни тиску і температури в С., тому властивість стисливості (здатність рідини або газу змінювати свій об'єм під дією перепаду тиску або зміни температури) ще не виявляється, і зміною щільності середовища r у напрямі течії можна нехтувати, вважаючи її постійною. У цих умовах для безперервного збільшення швидкості С. повинно мати форму, що звужується, т.к. в силу рівняння нерозривності r vf = const площа F поперечного перетину С. повинна зменшуватися обернено пропорційно до зростання швидкості. Проте при подальшому збільшенні v починає виявлятися стисливість середовища, щільність її зменшується у напрямі течії. Тому постійність твору трьох множників r vf в цих нових умовах залежить від темпу падіння r із зростанням v. При v < а, де а — місцева швидкість поширення звуку в рухомому середовищі, темп падіння щільності газу відстає від темпу зростання швидкості, тому для забезпечення розгону, тобто збільшення v, F потрібно зменшувати (мал. 1), не дивлячись на падіння щільності (дозвукове С.). Але при розгоні до швидкостей v>a падіння щільності відбувається швидше, ніж зростання швидкості, тому в надзвуковій частині необхідно збільшувати площу F (надзвукове С.). Т. о., надзвукове С., зване також соплом Лаваля, має форму, що спочатку звужується, а потім розширюється (мал. 2). Зміна швидкості уподовж С. визначається законом зміни площі його поперечного перетину F по довжині С.

загрузка...

  Тиск у вихідному перетині дозвукового С. завжди дорівнює тиску р з в довкіллі, куди відбувається виділення з С. ( р а = р з ) , т.к. любиє відхилення у величині тиску є обуреннями, які поширюються всередину С. з швидкістю, рівній швидкості звуку, і викликають перебудову потоку, ведучу до вирівнювання тиску у вихідному перетині С. Прі зростанні р про і незмінному р з швидкість v а у вихідному перетині дозвукового С. спочатку збільшується, а після того, як р про досягне деякої певної величини, v а стає постійною і при подальшому збільшенні р про не змінюється. Таке явище називається кризою перебігу в С. Після настання кризи середня швидкість виділення з дозвукового С. дорівнює місцевій швидкості звуку ( v а = а ) і називається критичною швидкістю виділення. Дозвукове С. перетворюється на звукове С. Все параметри газу у вихідному перетині С. також називаються в цьому випадку критичними. Для дозвукових С. з плавним контуром критичне відношення тиску при виділенні повітря і ін. двоатомних газів ( р про / р з ) кр » 1,9.

  В надзвуковому С. критичним називають його найбільш вузький перетин. Відносна швидкість v а /a у вихідному перетині надзвукового С. залежить лише від відношення площі вихідного перетину F а до площі його критичного перетину F kp і в широких межах не залежить від змін тиску р про перед С. Тому, змінюючи за допомогою механічного пристрою площу критичного перетину F kp при незмінній площі F а , можна змінювати v а /a. На цьому принципі засновані використовувані в техніці регульовані С. із змінною швидкістю газу у вихідному перетині. Тиск у вихідному перетині надзвукового С. може дорівнювати тиску в довкіллі ( р а = р з ) , такий режим течії називається розрахунковим, інакше — нерозрахунковим. На відміну від дозвукового С. обурення тиску при p а ¹ р з , що поширюються із швидкістю звуку, відносяться надзвуковим потоком і не проникають всередину надзвукового С., тому тиск р а не зрівнюється з р з . Нерозрахункові режими характеризуються утворенням хвиль розрідження в разі р а > р з або ударними хвилями в випадку р а < р з Коли потік проходить через систему таких хвиль зовні С., тиск стає рівним р з . При великому надлишку тиску в атмосфері над тиском у вихідному перетині С. ударні хвилі можуть переміщатися всередину С., і тоді порушується безперервне збільшення швидкості в надзвуковій частині С. Сильноє падіння тиску і температури газу в понад звуковому С. може приводити, в залежності від складу поточного середовища, до різних физико-хімічних процесів (хімічні реакції, фазові перетворення, нерівноважні термодинамічні переходи), які необхідно враховувати при розрахунку перебігу газу в С.

  С. широко використовуються в техніці (у парових і газових турбінах, в ракетних і повітряно-реактивних двигунах, в газодинамічних лазерах, в магнітно-газодинамічних установках, в аеродинамічних трубах і на газодинамічних стендах, при створенні молекулярних пучків, в хімічній технології, в струминних апаратах, в витратомірах, в дутьевих процесах і багатьох ін.). Залежно від технічного призначення С. виникають специфічні завдання розрахунку С.: наприклад, в С. аеродинамічних труб необхідно забезпечити створення рівномірного і паралельного потоку газу у вихідному перетині, вимоги до С. ракетних двигунів полягають в здобутті найбільшого імпульсу газового потоку у вихідному перетині С. при його заданих габаритних розмірах. Ці і ін. технічні завдання привели до бурхливого розвитку теорії С., що враховує наявність в газовому потоці рідких і твердих часток, нерівноважних хімічних реакцій, перенесення променистої енергії і ін., що зажадало широкого вживання ЕОМ(електронна обчислювальна машина) для вирішення вказаних завдань, а також для розробки складних експериментальних методів дослідження С.

  Літ.: Абрамович Р. Н., Прикладна газова динаміка, 3 видавництва, М., 1969: Стернін Л. Е., Основи газодинаміки двофазних течій в соплах, М., 1974.

  С. Л. Вішневецкий.

Мал. 1. Схема дозвукового сопла.

Мал. 2. Схема надзвукового сопла (сопла Лаваля).