Расчет параметров сопла Лаваля средствами пакета Flow Simulation

При проектировании ракетных двигателей одной из важнейших задач является проектирование профиля сопла, предназначенного для разгона газов.

Теоретические расчеты показывают, что получить сверхзвуковую скорость потока можно в каналах, площадь сечения которых сначала уменьшается, а затем увеличивается. Такой канал называют соплом Лаваля. Проектирование формы сопла Лаваля требует расчета основных параметров течения потока.

В данной работе приведен один из способов определения термодинамических параметров сопла посредством компьютерного моделирования воздушного потока. Для этого в программе SolidWorks, используя модуль для моделирования течения жидкостей и газов Flow Simulation, решаем следующие задачи:

• 1.    Строим 3-d модель сопла.

• 2.    Определяем в процессе моделирования изменение следующих параметров потока газа по длине сопла: давления Р , температуры Т, плотности ρ , скорости потока w.

• 3.    Визуализируем результаты проведенных расчетов – строим картины распределения по длине сопла давления , температуры , плотности, скорости потока .

Исходные данные для моделирования процесса приведены в таблице 1:

Т_вх – температура газа на входном сечении сопла;

Р вх – давление газа на входном сечении сопла;

• r_вх – радиус входного сечения сопла;

• r_кр – радиус критического сечения сопла ;

• r вых – радиус выходного сечения сопла ;

• L₁ – расстояние до критического сечения относительно левого торца сопла;

L₂ – общая длина сопла;

G - массовый расход.

Таблица 1

T вх , K	P вх *105 Па	r вх , мм	r кр , мм	r вых , мм	L 1 , мм	L 2 , мм	G, кг/с
723	1	96,34	43,67	76,80	298,77	614,00	0,9

Эскиз для построения модели сопла и сама модель представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 – Эскиз для построения модели сопла

Рисунок 2 – 3-d модель сопла

Характерные картины распределения исследуемых параметров по длине сопла приведены на рисунках 3 – 6.

Рисунок 3 – Распределение давления по длине сопла

Температура (К)

Min=293.18 K Мах=723.018 К

Итерация = 113

Рисунок 4 – Распределение температуры по длине сопла

723.018 К

293.18 К

Рисунок 5 – Распределение плотности газового потока по длине

сопла

Скорость [m/s]

Min=0 m/s Max=392.195 m/s

Итерация = 113

Рисунок 6 – Распределение скорости потока по длине сопла с визуализацией расчетной области

Таким образом, из рисунков 3-6 видно, что при движении через сопло Лаваля поток расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию направленного движения.

Полученные в результате расчета распределения параметров потока не противоречат теоретическим данным о движении газов через сопло Лаваля.

Используя пакет SolidWorks для различных значений конструктивных параметров сопла, моделируя воздушный поток, можно получить необходимые значения термодинамических параметров.