Режимы работы сверхзвукового сопла

Характер распределения параметров течения газа в сопле зависит от степени нерасчетности струи n, равной отношению давления на выходе из сопла p_a к давлению окружающей среды ( ). В зависимости от величины нерасчетности n сверхзвуковое сопло может работать в следующих режимах: расчетном, недорасширения и перерасширения (рис. 4.11).

l

l

Рис. 4.11. Распределение давления и скорости в сверхзвуковом потоке

при различных режимах работы сопла

1. Расчетный режим – давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды: . Изменение скорости и давления газа в сопле изображено линиями АОВ (рис. 4.11). За соплом сверхзвуковая струя сечением течет со скоростью при давлении . По мере удаления от сопла скорость газа уменьшается за счет турбулентного смешивания с окружающим газом.

2. Режим недорасширения – давление на срезе сопла больше давления окружающей среды: ( ). Характер изменения скорости и давления газа в тракте сопла на режиме недорасширения совпадает с расчетным (линия АОВ), давление на срезе сопла и скорость истечения остаются расчетными. Волны пониженного давления из окружающей среды не могут достичь среза сопла – они сносятся сверхзвуковым потоком. Избыточное давление расходуется на увеличение скорости сверхзвукового потока, но уже за срезом сопла.

3. Режим перерасширения (рис. 4.12) – давление на срезе сопла меньше давления окружающей среды: . До некоторого предела повышение давления окружающей среды (рис. 4.11, 4.12, а, б) не влияет на течение по соплу, которое остается расчетным (линия АОВ от точки 1 до точки 4, рис. 4.11). Волны повышенного давления сносятся сверхзвуковым потоком, истекающим из сопла. Эта схема истечения возможна лишь при небольшом превышении давления над ( , степень нарасчетности струи равна ). Часто такое истечение называют перерасширением без отрыва потока от стенок сопла.

а б

в г

Рис. 4.12. Истечение из сопла на режиме перерасширения:

а, б – без отрыва потока от стенок сопла; в, г – с отрывом потока от стенок сопла

При значительном противодавлении среды струи газа, вырывающиеся из сопла со сверхзвуковыми скоростями, встречая на своем пути массы малоподвижного газа, находящегося под более высоким давлением, испытывают газовый удар. Удар приводит к скачкообразному изменению параметров газа, истекающего из сопла, т. е. к появлению скачка уплотнения (рис. 4.12). Фронт скачка уплотнения в виде волны перемещается быстрее скорости звука, поэтому скачки, двигаясь против течения, входят внутрь сопла и при повышении внешнего давления до величины могут проникать вплоть до критического сечения (рис. 4.11 и 4.12, г). Такие глубоко проникающие в сопло скачки обычно прямые, поток за ними имеет дозвуковую скорость, и давление меньше критического. Так, при внешнем давлении реализуется сверхзвуковое течение на участке O–l в расширяющейся части до ударной волны и дозвуковое на участке m–7 за ударной волной. Ниже по течению в расширяющейся части сопла дозвуковая скорость может только падать, а давление – возрастать. Наконец, при давлении скачок доходит до критического сечения и исчезает. Такой характер истечения носит название перерасширения с отрывом потока и реализуется при степени нерасчетности .

При внешнем давлении устанавливается режим полностью дозвукового течения, как в трубке Вентури. На режимах дозвукового истечения из сопла давление на срезе сопла равно давлению окружающей среды.

Таким образом, мы научились определять характер одномерного движения газа, познакомились с устройствами, служащими для получения сверхзвуковых потоков, а также характером истечения газа из сопел. Плоское течение газа будет рассмотрено далее.