喷嘴 — CAE用语解说

喷嘴是通过缩小流道来加速流体的装置。先细喷嘴（收缩形）加速亚音速流，先细后扩喷嘴（拉瓦尔喷嘴）可加速至超音速。广泛应用于火箭发动机、喷气发动机、喷雾器、消防水枪等多个领域。

根据质量守恒定律ρAV=常数，当截面积A减小时，速度V增大（在亚音速情况下）。考虑可压缩性效应后会变得很有趣：流体在喉部（最小截面）达到马赫数1，之后在扩张部分加速至超音速。这是由能量守恒和熵条件决定的现象。

如果马赫数超过0.3，就需要使用可压缩求解器。喉部附近的网格必须足够细致，否则无法准确捕捉马赫数=1的条件。对于过膨胀喷嘴，出口处会形成激波，所以需要选择合适的激波捕捉方案（如TVD、WENO）。

推力（火箭）、流量系数Cd（喷射阀）、出口速度分布（喷流均匀性）、压力损失（管道喷嘴）。根据应用目标不同，关注的量也会不同。对于火箭喷嘴，比冲Isp是设计指标，通过优化喷嘴形状（尤其是膨胀比）来最大化Isp。

用OpenFOAM的rhoCentralFoam来计算先细后扩喷嘴就很不错。激波的可视化效果很棒。