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。
基本介紹
- 中文名：拉伐爾噴管
- 外文名：de Laval nozzle
歷史,運作,運作情況,氣流狀態分析,
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）
