簡介
拉伐爾噴管( de Laval nozzle, 亦稱 漸縮漸闊噴管,convergent-divergent nozzle、CD nozzle或con-di nozzle)是一個中間收縮、不對稱沙漏狀的管子。藉由將流體的熱能轉化為動能,可將通過它的熱壓縮氣體加速到超音速。氣體在截面積最小處恰好達到音速。 被廣泛用作蒸汽渦輪機及火箭發動機噴管,亦可見於超音速噴氣發動機。 類似的流動性質已經套用於天體物理學中的噴射流。
歷史
公元1888年,由瑞典發明家Gustaf de Laval開發,並使用在蒸汽渦輪機上。
最早被羅伯特·戈達德用作火箭發動機,大多數使用高溫燃燒氣體的現代火箭發動機都使用拉伐爾噴管。
運作
其操作有賴於次音速和超音速氣體的不同特性。 如果由於質量流量不變而管道變窄,則次音速氣體流速將會增加。 通過拉伐爾噴管的氣流是等熵的(氣體熵幾乎不變)。在次音速流中,氣體是不可壓縮的,聲音會通過它傳播。 在橫截面面積最小的喉部,氣體速度局部達到聲速(馬赫數= 1.0),這種狀況稱為阻流。 隨著噴管橫截面積的增加,氣體開始膨脹,氣流加速到超音速,在那裡聲波不會通過氣體向後傳播(馬赫數> 1.0)。
運作情況
只有在通過噴管的壓力和質量流量足以達到音速的狀況下,拉伐爾噴管會在喉部產生阻流現象。若是沒有達到條件,則不會有超音速氣流產生,此時運作方式較接近文氏管。這要求噴管的入口壓力始終顯著高於環境壓力(亦即噴流的靜止壓力必須高於環境壓力)。
另外,噴管出口處的氣體壓力不能太低。出口壓力雖然可以低於其排出的環境壓力,但是如果低得太超過,那么氣流將不再為超音速,或者將在噴管的擴張部剝離,形成噴管內的紊流,產生側向推力並可能損壞噴管。
實務上,環境壓力必須低於出口處超音速氣流壓力大約2-3倍,氣體才能離開噴管。
氣流狀態分析
通過拉伐爾噴管的氣流分析涉及許多概念和假設:
•為簡單起見,氣體被認為是理想的氣體
•氣體流動是等熵過程。在此假設下,流動是可逆的(無摩擦及消耗),並且絕熱(即沒有獲得或失去熱量)
•在推進劑燃燒期間氣流穩定且恆定
•氣流方向沿著一條從氣體入口到廢氣出口的直線(即,沿著噴管的對稱軸線)
•氣流行為是可壓縮的,因為有著極高的流速(馬赫數> 0.3)