Истечение газа через комбинированные сопла и диффузоры

При рассмотрении работы суживающегося сопла возникает естественный вопрос – как получить сверхкритическую скорость истечения газа и избежать потери энергии при большом перепаде давлении, когда . Ответ на этот вопрос даёт закон геометрического обращения воздействия. Он показывает, что после снижения давления до р_кр и достижения скоростью значения ω_кр дальнейшее расширение газа и возрастание скорости его возможно, но лишь в том случае, если проходное сечение сопла начнет увеличиваться. Это означает, что при сопло должно быть комбинированным – сначала суживаться, а затем расширяться. Такое сопло, названное по имени его изобретателя соплом Лаваля, показано схематически на рисунке 9.14.

На этом же рисунке изображены кривые изменения давления газа р и скорости его ω вдоль такого комбинированного сопла, а также соответствующая кривая изменения местной скорости звука при нормальном (расчетном) режиме истечения, когда .

Эти кривые показывают, что давление газа вдоль сопла непрерывно снижается, проходя в наиболее узком сечении сопла (горловине) через критическое значение р_кр и достигая давления внешней среды р₂ в выходном сечении сопла. Соответственно этому скорость газа, непрерывно возрастает, при чем на всем суживающемся участке она меньше местной скорости звука, достигает ее в горловине и на расширяющемся участке повышается уже в сверхзвуковой области. Таким образом, весь располагаемый перепад давления полностью используется на создание кинетической энергии газа и потери энергии не происходит.

Очевидно, что такую же форму, как и сопло Лаваля, должен иметь и диффузор, если начальная скорость газа выше критической. На суживающемся участке такого комбинированного диффузора скорость снижается, а давление соответственно повышается до критических значений, достигая их в горловине. На расширяющемся участке преобразование кинетической энергии в потенциальную продолжается и в выходном сечении достигается конечное давление, равное в данном случае частному от деления р_кр на величину ν_кр.

Возвращаясь к рассмотрению сопла Лаваля, следует еще раз подчеркнуть, что вышеописанноё изменение давления и скорости по длине его имеет место лишь при расчетном режиме, когда . Если по каким-либо причинам давление среды повысится против расчетного, то работа сопла нарушится. Экспериментальные исследования показывают, что при незначительном увеличении противодавления среды газ сначала расширяется до некоторого давления, меньшего, чем противодавление среды , а затем давление его скачкообразно повышается до . Это наглядно иллюстрируется графиком, приведенным на рисунке 9.15. Положение сечения, в котором возникает скачок давления зависит от величины противодавления . С увеличением последнего величина скачка возрастает, а начало возникновения его удаляется от выходного сечения в глубь сопла, приближаясь к горловине.

Если , то комбинированное в своей суживающейся части работает с понижением давления газа, т. е. именно как сопло, а в расширяющейся части – с повышением давления, т.е. как диффузор.При этом скорость газа в горловине будет меньше критической.

Дата добавления: 2014-01-03