Сопло. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сопло - канал (труба) переменного по длине поперечного сечения, 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 сопел может быть прямоугольным (плоские сопла), круглым (осесимметричные соплам), иметь форму кольца (кольцевые сопла, сопла с центр. телом) или произвольную форму, в т. ч. форму эллипса или многоугольника (пространственные сопла).

Сопла широко используются в технике: в паровых, водяных и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях, в газодинамических лазерах, в магнитогидродинамич. установках, в аэродинамических трубах и на газодинамич. стендах, при создании молекулярных пучков, в хим. технологии, в струйных аппаратах, в процессах дутья и др.

В соплах происходит непрерывное увеличение скорости v жидкости или газа в направлении течения - от начального (обычно малого) значения v₀ во входном сечении сопла до наиб. скорости v_c на выходе сопла. При движении по соплу внутр. энергия рабочего тела преобразуется в кинетич. энергию вытекающей струи, сила реакции к-рой, направленная противоположно скорости истечения, наз. тягой. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости в сопле происходит непрерывное падение давления и температуры от их нач. значений р₀, Т₀ во входном сечении сопла до наим. значений р_c, Т_c в выходном. Т. о., для реализации течения в сопле необходим нек-рый перепад давления, т. е. выполнение условия

Если считать движение жидкости или газа по соплу изоэнтропийным (см. Изоэнтропийный процесс)и стационарным и рассматривать средние по поперечному сечению S значения давления р, скорости v, плотности р и скорости звука с (одномерное приближение), то из Эйлера ур-ния

(х - координата вдоль сопла), неразрывности уравнения и выражения скорости звука

получаем ур-ние

Из него видно, что при v < с (дозвуковое течение по соплу) знак dv противоположен знаку dS, т. е. для того, чтобы скорость течения по соплу росла (dv > 0), площадь сечения с ростом х должна уменьшаться (dS < 0), а при v > с (сверхзвуковое течение по соплу) знаки dv и dS одинаковы, т. е. для получения роста скорости (dv > 0) необходимо увеличивать и плошадь S вдоль сопла (dS > 0). Физически это связано с тем, что при сверхзвуковой скорости течения газов из-за влияния сжимаемости плотность газа падает быстрее, чем растёт скорость вдоль сопла, и в силу ур-ния неразрывности для компенсации быстрого падения плотности необходимо увеличивать площадь S. Если v = с, то dS = 0 и функция S(x)принимает экстремальное (минимальное) значение. Т. о., дозвуковое сопло имеет сужающуюся форму (рис. 1).

наиб. скорость, к-рую можно получить в сужающемся сопле, равна скорости звука и достигается в его выходном (наиб. узком) сечении. Сверхзвуковое сопло, называемое также соплом Лаваля по имени его изобретателя - швед. инженера К. Г. П. де Лаваля (К. G. P. de Laval), имеет вначале сужающуюся, а затем расширяющуюся форму (рис. 2). Давление р_с в выходном сечении дозвукового сопла всегда равно давлению р_а в окружающей среде, куда происходит истечение из сопла (p_c = p_а). При возрастании р₀ и неизменном р_а скорость v_c в выходном сечении дозвукового сопла сначала увеличивается, а после того как р₀ достигнет нек-рой определ. величины, v_c становится постоянной и при дальнейшем увеличении р₀ не изменяется. Такое явление наз. кризисом течения в сопле. После наступления кризиса ср. скорость истечения из дозвукового сопла равна местной скорости звука (v = с)и наз. критической скоростью. В этом случае все параметры газа в выходном сечении сопла также наз. критическими, а сопло называется звуковым.

В сверхзвуковом сопле критическим наз. его наиб. узкое сечение. Кривая линия, на к-рой реализуется переход от дозвуковой к сверхзвуковой скорости течения (линия v = с), расположена в области мин. сечения сопла, поэтому ср. скорость в критич. сечении всегда близка к скорости звука. относит. скорость

и давление

в выходном сечении сверхзвукового C. зависят только от отношения площади выходного сечения S_c к площади критич. сечения и не зависят в широких пределах от изменения относит. давления p₀/p_а. Давление в выходном сечении сверхзвукового сопла может быть равно давлению в окружающей среде (p_c ⁼ p_а)' такой режим течения в сопле наз. расчётным, в противном случае - нерасчётным. Нерасчётные режимы характеризуются образованием волн разрежения вне сопла в случае р_с > р_а или ударных волн вне или внутри сопла в случае р_с < р_а. Когда поток проходит через систему волн разрежения или ударных волн, давление становится равным р_а.

В более общем случае неизоэнтропийного и неадиабатич. течения в сопле ур-ние типа (2) включает члены, учитывающие трение, подвод или отвод теплоты, массы и механич. работы к рабочему телу. С учётом этих воздействий переход скорости течения через скорость звука может происходить не только в геометрическом - сначала сужающемся, а затем расширяющемся сопле, но и при изменении знака воздействия на поток в канале пост. сечения. Так, дозвуковой поток в таком канале ускоряется при подводе теплоты (тепловое С.), массы (расходное С.), совершении газом механич. работы (механическое С.), а сверхзвуковой - при изменении знака этих воздействий на обратный. Под влиянием одностороннего воздействия величину скорости газового потока можно довести только до критической (до скорости звука), но нельзя перевести через неё.

Изменение скорости вдоль геом. С. определяется законом изменения площади S(x)по длине С. Контур С., т.е. вид функции S(x)в одномерном приближении, определить нельзя. Поэтому развита теория двумерных (плоских и осесимметричных) и трёхмерных (пространственных) течений в С., основанная на решении (гл. обр. численными методами с использованием ЭВМ) осн. дифференц. ур-ний газовой динамики с соответствующими граничными и нач. условиями. В теории С. решаются две задачи: прямая - определение течения в С., контур к-рого задан, обратная - определение контура С., обладающего к--л. заданными свойствами. Напр., в аэродинамич. трубе С. должно обеспечить создание на выходе, т. е. в рабочей части аэродинамич. трубы, однородного (по величине и направлению) потока с заданной скоростью (или Маха числом М_с = v_c/c), а контур С. ракетных и воздушно-реактивных двигателей определяют так, чтобы получить макс. импульс потока на выходе С. (макс. тягу) при заданных ограничениях массы и габаритов С. Чтобы удовлетворить поставленным требованиям в широком диапазоне изменения условий течения (напр., изменения числа Маха С. аэродинамич. труб, скорости и высоты полёта летат. аппарата с ракетным или воздушно-реактивным двигателем), применяют регулируемые С. В сверхзвуковых С. аэродинамич. труб и дозвуковых С. двигателей применяют механич. регулирование площади критич. сечения С. S_кp, что позволяет путём изменения отношения S_кр/S_с изменять число Маха и давление на выходе С., а в сверхзвуковых С. двигателей с той же целью кроме регулирования S_кр используют выдвижные (телескопические), раскрываемые и разворачивающиеся насадки, дискретным образом изменяющие S_c.

Теория С. рассматривает течение реального рабочего тела в С.и учитывает трение, теплообмен рабочего тела со стенками С., наличие в газовом потоке жидких и твёрдых частиц (см. Двухфазное течение ),неравновесных хим. реакций и физ. процессов возбуждения внутр. степеней свободы молекул, переноса лучистой энергии, воздействия эл--магн. полей и др. Все эти процессы, связанные с отличием рабочего тела от идеального газа, приводят к возникновению разл. вида потерь в С., уменьшающих тягу двигателей или кпд турбин. Развитие теории С. дало ответ на многие принципиальные вопросы изучения движения жидкостей и газов. Наряду с теорией С. разработаны сложные эксперим. методы исследования течения в С., потребовавшие создания спец. гидродинамич. установок и газодинамич. стендов, а также системы измерения сил и параметров течения.

Литература по соплам

Знаете ли Вы, что такое "Большой Взрыв"?
Согласно рупору релятивистской идеологии Википедии "Большой взрыв (англ. Big Bang) - это космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно - начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения..."
В этой тираде количество нонсенсов (бессмыслиц) больше, чем количество предложений, иначе просто трудно запутать сознание обывателя до такой степени, чтобы он поверил в эту ахинею.
На самом деле взорваться что-либо может только в уже имеющемся пространстве.
Без этого никакого взрыва в принципе быть не может, так как "взрыв" - понятие, применимое только внутри уже имеющегося пространства. А раз так, то есть, если пространство вселенной уже было до БВ, то БВ не может быть началом Вселенной в принципе. Это во-первых.
Во-вторых, Вселенная - это не обычный конечный объект с границами, это сама бесконечность во времени и пространстве. У нее нет начала и конца, а также пространственных границ уже по ее определению: она есть всё (потому и называется Вселенной).
В третьих, фраза "представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва" тоже есть сплошной нонсенс.
Что могло быть "вблизи Большого взрыва", если самой Вселенной там еще не было? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.