РОЗРОБЛЕННЯ АВТОМАТИЗОВОГО СПОСОБУ РЕГУЛЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ СОПЛА ЛАВАЛЯ ТА АЛГОРИТМУ ЙОГО ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Анотація

Одним із способів охолодження газових потоків є використання сопла Лаваля – пристрою, у якому відбувається прискорення газового потоку до швидкостей, які перевищують швидкість звуку. Проте, при роботі такого сопла, газовий потік дуже чутливий до зміни поперечного перерізу отвору. Наприклад, для зміни числа Маха (М) на 10% (від М=0,9 до М=1) достатньо змінити площу перерізу на 1%, а для зміни від М=0,95 до М=1 – на 0,25 %. Для зміни газодинамічних параметрів у соплі Лаваля застосовуються різноманітні способи та обладнання, але, зазвичай, вони стосуються газотурбінних двигунів. Застосування аналогічних способів та обладнання для охолодження газового потоку малих об’ємів є недоцільним та практично неможливим. Для зміни газо- та термодинамічних параметрів потоку може бути використане сопло Лаваля, яке виготовлене з силікону або гуми. У роботі досліджено  газо- та термодинамічні параметри газового потоку, який проходить через сопло. Для цього було створено його тривимірну модель та застосовано імітаційне моделювання. Під час моделювання враховано склад газів, а також тиски і температури на вході та виході сопла. Встановлено, що максимальне число Маха у соплі досягає 1,53, при цьому температура газу знижується з 120 °C до 75 °C. Дослідження також показало нерівномірний розподіл тиску по внутрішніх поверхнях сопла, що впливає на його напружено-деформований стан. З метою можливості регулювання параметрів сопла Лаваля запропоновано автоматизований спосіб, який базується на зміні найменшого поперечного перерізу в залежності від тиску, що дозволяє підтримувати необхідну швидкість газового потоку та знижувати температуру. Сопло виготовляється з гіперпружних матеріалів, що витримують високі температури та є стійкими до зносу. Для проєктування сопел з автоматизованим регулюванням розроблено алгоритм імітаційного моделювання, який дозволяє досліджувати напружено-деформований стан сопла із врахуванням зміни тиску на його внутрішній поверхні. Результати виконаного імітаційного моделювання згідно розробленого алгоритму показали максимальні напруження (0,33 МПа) та переміщення (0,48 мм) у зоні найменшого діаметра сопла. Подальші дослідження передбачають оптимізацію конструкції сопла Лаваля з використанням параметричної оптимізації для досягнення найкращої ефективності його роботи.