Характерные случаи истечения из сопла

Характер течения в сопле зависит от его формы и перепада давлений в окружающей среде и давления торможения ( – степень расширения сопла).

1 Суживающееся сопло

Давление внешней среды больше критического ( ).

При этих условиях используется весь перепад давления от до и происходит полное расширение газа. Скорость газа в выходном сечении сопла меньше скорости звука. Давление газа в выходном сечении сопла равно давлению внешней среды. Массовый расход меньше .

Скорость истечения и массовый расход при заданном выходном сечении определяются по формулам:

;

2 Суживающееся сопло

Давление внешней среды равно критическому ( ).

При этих условиях используется весь перепад давления от до и происходит полное расширение газа. Скорость газа в выходном сечении сопла равна скорости звука. Давление газа в выходном сечении сопла равно давлению внешней среды. Массовый расход равен .

Скорость истечения и массовый расход при заданном выходном сечении определяются по формулам:

;

3 Суживающееся сопло

Давление внешней среды меньше критического ( ).

При этих условиях используется не весь перепад давлений от до , а только часть от до ; происходит неполное расширение газа, и скорость газа в выходном сечении суживающегося сопла равна критической скорости или местной скорости звука. Давление газа в выходном сечении сопла равно критическому давлению. Массовый расход равен .

Скорость истечения и массовый расход определяются по формулам:

;

4 Сверхкритический перепад давлений может быть реализован только в комбинированном сопле: сопле Лаваля ( ).

Комбинированное сопло Лаваля предназначено для использования больших перепадов давления и для получения скоростей истечения, превышающих скорость звука.

Сопло Лаваля состоит из короткого суживающегося участка и расширяющейся конической насадки. Опыты показывают, что угол конусности расширяющейся части должен быть . При больших углах наблюдается отрыв струи от стенок канала.

При истечении газа из комбинированного сопла в окружающую среду с давлением меньше критического в самом узком сечении сопла устанавливается критическое давление и критическая скорость .

В расширяющейся насадке сопла происходит дальнейшее увеличение скорости газа и падение давления до давления внешней среды.

Скорость истечения и массовый расход при заданном выходном сечении определяются по формулам:

;

При заданном расходе площадь минимального сечения сопла можно вычислить по формуле:

,

а площадь выходного сечения сопла по формуле:

Длина суживающейся части обычно берется равной диаметру выходного критического сечения сопла или из конструктивных соображений.

Длину расширяющейся насадки можно определить по уравнению

где – угол конусности сопла, – диаметр выходного отверстия, – диаметр сопла в минимальном сечении.

В случае сопла Лаваля скорость истечения больше скорости звука ( или ), массовый расход равен .

При определенных условиях может быть сделано равным за счет изменения выходного сечения сопла.

Рисунок 4.2 – изменение параметров потока и газа по длине сопла Лаваля.

Существует 3 вида режимов истечения из сопла

1 Расчетный режим истечения

2 режим течения с недорасширением – недобираем тягу

3 режим течения с перерасширением – потеря тяги