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 (См. Струя). 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 объём под действием перепада давления или изменения температуры) ещё не проявляется, и изменением плотности среды ρ 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 ρvF = const площадь F поперечного сечения С.

Должна уменьшаться обратно пропорционально росту скорости. Однако при дальнейшем увеличении v начинает проявляться сжимаемость среды, плотность её уменьшается в направлении течения. Поэтому постоянство произведения трёх множителей ρvF в этих новых условиях зависит от темпа падения ρ с ростом v. При v < a, 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. 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 F (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 F 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 определённой 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 Fa к площади его критического сечения Fkp и в широких пределах не зависит от изменений давления ро перед С.

Поэтому, изменяя с помощью механического устройства площадь критического сечения Fkp при неизменной площади Fa, 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 расчётным, в противном случае — нерасчётным. В отличие от дозвукового С., возмущения давления при pa ≠ рс, распространяющиеся со скоростью звука, относятся сверхзвуковым потоком и не проникают внутрь сверхзвукового С., поэтому давление ра не уравнивается с рс. Нерасчётные 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-химическим процессам (химические реакции, фазовые превращения, неравновесные термодинамические переходы), которые необходимо учитывать при расчёте течения газа в С. С. Широко используются в технике (в паровых и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях (См. Воздушно-реактивный двигатель), в газодинамических лазерах (См. Газодинамический лазер), в магнитно-газодинамических установках, в аэродинамических трубах (См.

Аэродинамическая труба) и на газодинамических стендах, при создании молекулярных пучков, в химической технологии, в струйных аппаратах, в Расходомерах, в дутьевых процессах и многих др.). В зависимости от технического назначения С. Возникают специфические задачи расчёта 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 твёрдых частиц, неравновесных химических 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. Рис. 1. Схема дозвукового сопла. Рис. 2. Схема сверхзвукового сопла (сопла Лаваля)..