Вблизи стенки сопла будет возникать давление частичного торможения. Соответственно против дозвукового потока будет распространяться область повышенного давления + Δр. Она возникнет за счет давления частичного торможения. Суммарная энергия изменяться не может в идеальном сопле, (а в реальном сопле энергия в тепловом виде остается не изменой, а в механическом за счет гидропотерь уменьшается) кинетическая уменьшается, а потенциальная растет и на оборот. Потоку нужно чтобы было торможение. И соответственно где будет наблюдаться рост давление, будет расширение струи. А потом после прохождения поворота будет сужаться и возникнет разряжение - Δр. И в результате давление на срезе равно атмосферному давлению.
К оси возмущение рано или поздно тоже доберется и тогда тоже начнется сужение струи потока. Разница в начале разгона в начале воздействий будет по длине равное Δl – это разница по оси в координатах начала воздействия возмущений. В результате получаем неравномерное поле. А если для такой же длины взять еще больше диаметр сопла, то возмущения вообще могут и не добраться. Тогда площадь этой струйки на срезе и площадь этой же струйки на входе в сечении F-0 окажутся равными и вообще никакого изменения скорости не произойдет. Но тогда давление здесь окажется выше атмосферного, если ускорения не было.
Есть также инерциальная центростремительная сила, появилась радиальная составляющая у скорости, под действием этой силы будет продолжать сужаться струя и в центре сужаться, а на периферии будет происходить расширение.
Для решения задачи принимается:
1. Рабочее тело – воздух;
2. Процесс нестационарный;
3. Среда несжимаемая;
4. Окружающая среда никак не воздействует на поток и не изменяет его свойства.
Физическая модель.
Конфузор – длинный сужающийся канал, дозвуковое сопло –достаточно короткое изделие (1.5-2 входных диаметра), т.к. зависит от разности скоростей на входе и выходе. Т.е. из-за малой длины сопла на срезе поле скоростей будет неравномерным, как по направлению, так и по значению скорости в каждой точке, поток по краям не параллелен оси. Именно поэтому из двух вариантов в работе используется сопло. Сужающиеся конические сопла обычно дозвуковые, в крайнем случае – звуковые. Раз установка называется «сопло», значит, предполагается ускорение, и значит потом на входе всегда дозвуковой, а течение конфузорное. Но в реальное модели конфузорное течение будет не везде
Рис.1. Поток газа в коническом сопле
Если поток будет, не меняя направления, будет упираться в стенку, то появляется давление частичного торможения и образуются зоны избыточного давления. Под его действием начнется отклонение потока. Когда поток более-менее выровняется параллельно оси, начнется сужение. Возникнет зона разряжения (рис.1). Т.к. начальная площадь и площадь на срезе короткого сопла равны, центральная струя потока будет протекать без ускорения. Что бы и центральная струя потока имела ускорение, необходимо увеличить длину сопла, либо воспользоваться Ветошинским соплом.
Рис. 2. Поток газа в сопле Ветошинского. А – Чрезмерное ускорение, Б – недоускорение.
Сопло Ветошинского сначала имеет маленький радиус, из-за этого поверхность быстро искривляется, а значит, давление частичного торможения и нормальная составляющая скорости вырастают. Поворот потока начнется намного раньше, чем в коническом сопле. Дальнобольность струи к оси увеличивается и в центре появится ускорение. Поток начнется сужаться. Появляется эффект камер, способствующий увеличению перепада давлений и расширению струи. На срезе поток приобретет равномерное поле скоростей. В обычном сопле кривизна дуги должна быть больше на входе, потому что выходной участок предназначен для выравнивания, в сопле Витошинского наоборот. В данной задаче это сложное сопло не требуется.
Скорости малые, подводимая работа крохотная, сжимаемостью можно пренебречь, повышение давления и температуры не значительны. Поле скоростей на входе и выходе неравномерно, однако в середине сопла оно выравнивается. В зоне пограничного слоя происходит взаимодействие с внешней средой.
Рис. 3. График скорости в коническом сопле.
В ракетных двигателях кривая Витошинского очень полезна. После минимального сечения можно присоединить сверхзвуковую часть (рис. 3). Коническое сопло имеет приемлемые параметры по неравномерности. Если скорость неравномерная, то осреднение скорости распределения и давления производят по закону сохранения полного импульса.
Тяга – разность импульсов на входе и выходе. Если есть какая-то скорость на входе равная притоку газа при сгорании, то на фоне скорости истечения она будет совсем незначительна
Двигатель предназначен для создания тяги, а основной элемент – сопло.
Температура торможения очень мала на фоне скорости и почти не отличается от атмосферной именно поэтому ей пренебрегают. Принимаем течение не сжимаемым, тогда плотность исчезает.
Замеры проводим с помощью трубочки-пито (рис. 4): статическое и полное давление. Температуру принимаем комнатной. Давление замеряем барометром.
Рис.4. Трубка формы «пито». Вид спереди (а) и с торца (б).
Физическая модель:
1. В лабораторной работе скорость потока относительно не высокая.
Заметное влияние на обтекание тел сжимаемость оказывает при числе Маха от 0,4 и более. До этого значения влияние сжимаемости обычно не учитывается. Принимаем поток, обтекающий профиль несжимаемым;
2. Так как принята несжимаемая модель, то значение плотности будем рассчитывать через давление невозмущенного потока (атмосферное);
3. Движение воздушного потока принимают установившееся, т. е. в каждой точке потока параметры не меняются с течением времени;
4. Окружающая среда никак не воздействует на поток и не изменяет его свойства.
Все эти условия позволяют воспользоваться уравнениями, описанными в математической модели.
