Анализ одномерного течения показывает, что поток со сверхзвуковой скоростью может быть получен в трубе с минимальным сечением, если в этом сечении будет достигнута критическая скорость. В соответствии с этим сопло Лаваля представляет собой трубу переменного сечения, состоящую из двух частей. Скорость газа, протекающего через нормально работающее сопло Лаваля, непрерывно увеличивается, причем в суживающейся части сопла скорость дозвуковая, а в расширяющейся - сверхзвуковая (рис.1).

Элементарный расчет сверхзвуковых сопел производится по уравнению непрерывности, причем должны быть заданы параметры газа перед соплом, расход газа и скорость потока в выходном сечении.

Пренебрегая влиянием трения, можно считать, что критическая скорость устанавливается в минимальном сечении сопла. Размеры этого сечения определяются по уравнению:

Выходное сечение рассчитывается по формуле

Промежуточные сечения сопла могут быть определены в зависимости от скорости или отношения давлений из формулы для приведенного расхода:

   (1)

где F - промежуточное сечение, λ и ε - соответствующие этому сечению скорость и относительное давление (ε = p/p₀), k - показатель степени в изоэнтропическом законе: p/ρ^k = const.
Если задано распределение скоростей или давлений по оси сопла, то формула (1) определяет профиль сопла. Однако такой расчет промежуточных сечений, а тем самым и профиля (формы) сопла является приближенным и может не обеспечить заданного распределения давлений, так как скорость в сечении непостоянна ни по величине, ни по направлению и, следовательно, поток не является одномерным.

Сверхзвуковые сопла (сопла Лаваля) применяются для создания потоков газа со сверхзвуковыми скоростями. Эти сопла используются в качестве одного из основных элементов реактивных двигателей, а также в паровых турбинах, эжекторах и других аппаратах. В последнее время сверхзвуковые сопла также применяются в химии для создания молекулярных и кластерных пучков и дальнейшим их использованием для изучения процессов столкновения с поверхностью или взаимодействия с излучением. Однако практически все задачи расчета газодинамики сопел были проведены в связи с задачей повышения эффективности работы реактивных двигателей, турбин и т.п.

В частности были разработаны различные подходы и модели для расчетов сопел в зависимости от входных и выходных параметров. В случаях, когда важно получить лишь заданную среднюю скорость на выходе из сопла, а характер распределения скоростей по сечению не имеет большого значения, промежуточные сечения сопла не рассчитывают, а для простоты изготовления как суживающуюся, так и расширяющуюся части выполняют коническими. При этом в узком сечении и тем более на выходе поле скоростей получается неравномерным.

В некоторых случаях для уменьшения неравномерности поля скоростей суживающуюся часть сопла рассчитывают по формуле Витошинского, а угол раствора конической расширяющейся части выбирают малым (до 12°). Опыт показывает, однако, что эти меры не всегда достаточны для получения нужного поля скоростей.

Для получения лучших результатов для расчетов можно использовать метод характеристик.

Методы расчета и профилирования сверхзвуковых сопел не учитывают влияния вязкости. На стенке сопла образуется пограничный слой, толщина которого нарастает по длине сопла. Влияние трения приводит к смещению критического сечения, которое сдвигается в расширяющуюся часть сопла.

Пограничный слой на стенках вызывает некоторое перераспределение скоростей и давлений потока у стенок. Действительные скорости и давления в различных сечениях и на выходе из сопла будут отличаться от расчетных значений.

Для получения заданного распределения скорости и расчетного значения λ₁ необходимо увеличивать площадь поперечных сечений сопла, полученную при условии изоэнтропического течения. Точное решение такой задачи требует расчета пограничного слоя на стенках сопла.

Влияние трения на скорость и другие параметры в выходном сечении сопла оценивается с помощью коэффициента скорости, который выражается по формуле

где - коэффициент потерь энергии в сопле, ε_o = p_o/p_o1 - отношение давлений торможения на выходе и на входе в сопло, M_1t - теоретическое значение числа М в выходном сечении.