§ 97. Нерасчетный режим истечения через соппо Лаааля

Пусть из сосуда неограниченного объема с давлением p_L происходит истечение через сопло Лаваля без трения и теплообмена в среду с.дав­лением p₀(pi,>p₀). Заданной форме (профилю) сопла соответствует определенная (расчетная) величина давления в выходном сечении р₂.

Если давление среды р_а, в которую происходит истечение, и дав­ление в выходном сечений сопла jо₃ равны, то режим истечения назы­вают расчетным и для определения параметров газа по длине сопла мож­но использовать ранее полученные формулы.

Если давление среды р_а станет меньше давления в выходном сече­нии р₂, то распределение давления вдоль сопла остается расчетным, как и в первом случае (р_а = р₂), потому что уменьшение давления р_а Не доожет распространиться ввёрх по течению сверхзвукового потока. -

Распределение давления вдоль сверхзвуковой струи, нстекаіощен из сопла, при р_а < р₂ изменится по сравнению со случаем, когда Ра = Рг- Струйные течения часто используются в технике, и поэтому их изучение имеет большое практическое значение. С методами расчета струйных течений можно познакомиться в специальной литературе.

Если давление среды р_а станет большё давления в выходном сече­нии сопла р₂ (р_а > р₂), то распределение давлен-ия вдоль сопла изме­нится н будет отличаться от расчетного при р_а = р₂. В этом случае ие удается вычислить давления во всех промежуточных сечениях по вышеприведенным формулам. На некоторой длине расширяющейсяу части сопла от выходного сечения вверх по потоку давления удается определить только экспериментально.

Рассмотрим процесс истечения, из сопла Лаваля при нерасчетном -режиме, когда давление среды р'_а больше давления в выходном сече­нии р₂ (р_а >р₂) (рис. 71, а). Отметим, что процессы истечения.из сопла Лаваля при нерасчетном режиме даже в упрощенном представле­нии (течение без трения и теплообмена) весьма сложны и подробно изу­чаются в курсах газовой динамики; здесь эти процессы рассматривают­ся схематично.

В некотором сечении расширяющейся части сопла х — х при р'_а > > р_а давление газа может стать меньше давления-окружающей сре- ■ ды р'а (точка 2), а ниже (по течению) точки 2 давление резко (скачком) возрастает (процесс 2-3). За скачком давления скорость потока резко (скачком) уменьшается и может стать дозвуковой. По мере роста дав­ления р₀ скачок входит глубже в расширяющуюся часть сопла и при некотором давлении достигает горловины сопла, где исчезает. Давле­ния в промежуточных сечениях сопла за скачком (вниз' по потоку) нельзя определить по вышеприведенным формулам. Часть сопла спра-. ва от сечения х — х (рис. 71, а) работает как диффузор, в котором дав­ление поднимается по линии 3-4. •/.

Ёйли давление среды р_а больше, критического р_кр, то давление газа в сопле изменяется по линии I—2'-3'~4', а скорость потока не мо­жет стат-ь сверхзвуковой.

Рассмотрим качественно процесс взаимодействия струи, истекаю­щей из сопла Лаваля, с окружающей газовой средой-при небольшой разности давлений р_а и р₂. В области взаимодействия возникает волна

давления и со скоростью звука внедряется от границ внутрь сверхзву­ковой струи. К моменту равновесия (при данных р_а и р₂) волна давле­ния переходит в скачок давления zz'z. (рис. 71, б) с косым фронтом и ' вершиной у кромки выходного сечения. Поверхность скачка имеет* форму конуса с вершиной в точке z' (рис. 71, б). Давление за скачком (вниз по течению) равно давлению окружающей среды р_а, а перед ним—\ давлению р₂.

По мере увеличения р_а скачок, как уже отмечалось, входит внутрь сопла, при этдм форма его поверхности изменяется уу'у (рис. 71, б). .

Иг При некоторой большой разности р_а — р_г может произойти отрыв га- , к зового потока от стенок сопла. Механизм отрыва можно объяснить, рас-' В сматривая течение с трением. Скорость потока газа переменна не толь- ИГ ко вдоль, но и поперек сопла; она максимальна на оси сопла и равна Иг нулю у стенки вследствие эффекта «прилипания». Значит, вблизи стен- 8 ки под влиянием трения сверхзвуковая скорость потока переходит в ||^: дозвуковую. Волна давления, возникшая на входной кромке сопла, ко- В, торая распространяется со скоростью звука, может проникнуть внутрь Щ: сопла вдоль пристенной области потока, где его (потока) скорость Sr меньше скорости звука.

Ц При отрыве потока от стенок процесс истечения на длине сопла Л в является расчетным, на длине В-(рис. 7-1, б) давление определяют экс- |§_ периментально. Режим течения с отрывом потока от стенок сопровож- R дается большими потерями энергии,- которые обусловлены как поте- jf- рями в ска.чке, так и отрывом.; кроме того, возникают вихри и проис-- К ходит подсос газа в сопло из окружающей 'среды.