un canale chiuso di forma speciale progettato per accelerare liquidi o gas ad una data velocità e per imprimere una data direzione al flusso. Gli ugelli sono anche usati come mezzo per ottenere getti di gas o liquidi. La sezione trasversale dell’ugello può essere rettangolare (ugello bidimensionale), circolare (ugello assialsimmetrico), o di qualche altra forma (ugello spaziale).
In un ugello, la velocità v del liquido o del gas aumenta continuamente nella direzione del flusso da un valore iniziale v0 all’ingresso ad una velocità massima v = va all’uscita. In virtù del principio di conservazione dell’energia, quando la velocità v aumenta in un ugello, c’è una caduta continua e simultanea della pressione e della temperatura dai valori iniziali p0 e T0 ai valori minimi pa e Ta nella zona di scarico. Quindi, perché il flusso si verifichi in un ugello è necessaria una certa caduta di pressione, cioè la condizione p0 > pa deve essere soddisfatta. Quando T0 è aumentato, la velocità in tutte le sezioni di un ugello aumenta a causa della maggiore energia potenziale iniziale. Finché la velocità del flusso non è troppo alta, le corrispondenti variazioni di pressione e di temperatura nell’ugello sono piccole; quindi, la proprietà della compressibilità – la capacità di un liquido o di un gas di subire una variazione di volume in risposta all’applicazione della pressione o a una variazione di temperatura – non si manifesta, ed è possibile trascurare qualsiasi variazione della densità p del mezzo che scorre, cioè considerare la densità costante. In queste condizioni, un ugello dovrebbe avere una forma convergente se si desidera un aumento continuo della velocità, poiché in virtù dell’equazione di continuità ρvF = const, l’area F della sezione dell’ugello deve diminuire in modo inversamente proporzionale all’aumento della velocità. Tuttavia, con un ulteriore aumento di v, la compressibilità del mezzo comincia a manifestarsi, e la densità diminuisce nella direzione del flusso. Di conseguenza, la costanza del prodotto dei tre fattori pvF in queste nuove condizioni dipende dalla velocità con cui p diminuisce all’aumentare di v. Quando v < a, dove a è la velocità locale di propagazione del suono nel mezzo in movimento, la velocità con cui la densità di un gas diminuisce è in ritardo rispetto a quella con cui la velocità aumenta, e quindi, per fornire un’accelerazione, cioè per aumentare v, F deve essere diminuita (Figura 1) nonostante la diminuzione della densità (ugello subsonico). Ma con l’accelerazione a velocità v > a, la densità diminuisce più rapidamente dell’aumento della velocità; diventa quindi necessario, nella parte supersonica, aumentare la superficie F (ugello supersonico). Così, un ugello supersonico, noto anche come ugello Laval, ha sia una sezione convergente che una parte divergente (Figura 2). La variazione di velocità attraverso l’ugello dipende dalla variazione dell’area della sezione trasversale F con la lunghezza.
La pressione nella zona di scarico di un ugello subsonico è sempre uguale alla pressione pm del mezzo circostante all’uscita (pa = pm). Le pressioni sono uguali perché ogni deviazione si manifesta come perturbazioni che si propagano all’interno dell’ugello con una velocità pari a quella del suono e provocano un riassetto del flusso che eguaglia la pressione nella zona di scarico dell’ugello. Quando p0 aumenta e pm rimane costante, la velocità va nella zona di scarico di un ugello subsonico dapprima aumenta, ma dopo che p0 raggiunge un certo valore la velocità diventa costante e non cambia quando p0 viene aumentato ulteriormente. Questo fenomeno è indicato come flusso di crisi nell’ugello. Con l’inizio del flusso di crisi, la velocità media della scarica da un ugello subsonico è uguale alla velocità del suono locale (va = a) ed è chiamata la velocità critica di scarica. L’ugello subsonico si trasforma in un ugello sonico. Tutti i parametri del gas nella zona di scarico dell’ugello in questo caso sono anche descritti come critici. Per gli ugelli subsonici con un contorno liscio, il rapporto di pressione critico quando si scarica aria e altri gas biatomici è (P0/pm)cr ≈ 1.9.
In un ugello supersonico, la sezione più stretta è descritta come critica. La velocità relativa va/a nella zona di scarico di un ugello supersonico dipende solo dal rapporto tra l’area di scarico Fa e l’area della sezione critica Fa e, entro ampi limiti, è indipendente dalle variazioni della pressione p0 nella parte anteriore dell’ugello. Di conseguenza, variando l’area della sezione critica Fcr con un dispositivo meccanico mentre l’area Fa viene lasciata invariata, è possibile variare va/la. Gli ugelli regolabili utilizzati in tecnologia che variano la velocità di scarico del gas si basano su questo principio. La pressione nella zona di scarico di un ugello supersonico può essere uguale alla pressione del mezzo circostante (pa = pm), e un regime di flusso di questo tipo è chiamato flusso di progetto; quando le pressioni non sono uguali, il regime è chiamato flusso fuori progetto. A differenza di un ugello subsonico, i disturbi di pressione quando pa± pm, che si propagano con la velocità del suono, sono nel flusso supersonico e non penetrano nell’ugello supersonico; la pressione pa non è quindi equalizzata con pm. I regimi fuori progetto sono caratterizzati dalla formazione di onde di rarefazione quando pa > pm e di onde d’urto quando pa < pm. Quando il flusso passa attraverso un sistema di tali onde all’esterno dell’ugello, la pressione diventa uguale a pm. Quando la pressione nell’atmosfera supera di molto la pressione nella zona di scarico dell’ugello, le onde d’urto possono entrare nell’ugello, e allora l’aumento continuo della velocità nella parte supersonica dell’ugello è disturbato. Un brusco calo della pressione e della temperatura di un gas in un ugello supersonico può portare, a seconda della composizione del mezzo che scorre, al verificarsi di processi fisico-chimici come reazioni chimiche, trasformazioni di fase e transizioni termodinamiche non di equilibrio. Questi processi devono essere presi in considerazione quando si calcola il flusso di gas nell’ugello.
Gli ugelli sono ampiamente utilizzati nella tecnologia, per esempio, nelle turbine a vapore e a gas, nei motori a razzo, nei motori a getto ad aria, nei laser a gas, nelle attrezzature usate nella dinamica dei magnetogas, nelle gallerie del vento, nei banchi di prova usati nella dinamica dei gas, nei dispositivi a getto e nei flussometri. Trovano anche impiego nella creazione di fasci molecolari, nell’ingegneria chimica e in vari tipi di processi di sabbiatura. L’ugello deve essere progettato per svolgere la particolare funzione tecnica. Per esempio, gli ugelli della galleria del vento devono fornire un flusso di gas uniforme e parallelo nella zona di scarico, mentre gli ugelli usati nei motori a razzo devono assicurare che la quantità di moto del flusso di gas nella zona di scarico sia la più alta possibile per le dimensioni date. Queste ed altre specifiche tecniche hanno portato ad un vigoroso sviluppo della teoria degli ugelli, che studia la presenza nel flusso di gas di particelle liquide e solide, così come i processi come le reazioni chimiche non in equilibrio e il trasferimento di energia radiante. I computer sono stati usati ampiamente in questo lavoro sia per determinare il design degli ugelli che per sviluppare complessi metodi sperimentali per studiare gli ugelli.