В диффузорах происходит преобразование кинетической энергии потока в энергию давления. Уравнения одномерного течения показывают, что такой процесс при дозвуковых скоростях можно осуществить в трубе с увеличивающимся вдоль потока сечением. Течение газа в диффузоре характеризуется положительными градиентами давления, наличие которых создает условия для интенсивного нарастания пограничного слоя и в ряде случаев отрыва потока от стенок. Расчеты показывают, что с увеличением положительного градиента давления резко возрастает толщина потери импульса и уменьшается наполнение профиля скорости у стенки. При значительных градиентах давления в диффузоре может возникнуть отрыв. В этом случае потери энергии резко возрастают и диффузор не обеспечивает заданного повышения давления.
Основная задача расчета диффузоров сводится к установлению оптимальной формы диффузора, соответствующей безотрывному течению и минимуму потерь энергии при заданных режимных параметрах (числах Re и М) и условиях на входе.
Решения уравнений газодинамики показывают, что при больших углах раствора диффузора γ_д потери в диффузоре уменьшаются. Однако, как показывают опыты, при γ_д≥8−12° в конических диффузорах возникает отрыв; потери энергии при этом резко возрастают.
Можно полагать, что образование отрыва при больших углах раствора связано с неравномерным распределением скоростей на входе. В большинстве случаев переход от конфузорной части к коническому диффузору осуществляется с резким изменением кривизны стенок, причем скачок кривизны возрастает с увеличением γ_д. Такое местное нарушение граничных условий является причиной раннего отрыва пограничного слоя при увеличении угла γ_д. Влияние указанного нарушения особенно велико в тех случаях, когда пограничный слой на значительном расстоянии от входа ламинарный.

Отметим, что характер неравномерности поля скоростей на входе существенно влияет на потери в диффузоре. Особенно неблагоприятным является эпюр скоростей, вытянутый в средней части; менее существенно влияние неравномерности, если поток характеризуется повышенными скоростями у стенок. В этом случае потери могут оказаться меньшими по сравнению с равномерным полем скоростей.
При определении оптимального угла раствора γ_д.опт, т. е. такого максимального угла, при котором еще не произошел отрыв потока, можно для круглых диффузоров при малых скоростях пользоваться формулой И. Е. Идельчика:

 

где φ_н - опытный коэффициент, учитывающий влияние неравномерности поля скоростей на входе в диффузор, f - отношение сечений диффузора.

Опыты показывают, что для круглых конических диффузоров оптимальные значения γ_д.опт можно принимать в пределах γ_д.опт = 6-15°. Наиболее употребительны средние значения 10-12°.

Важной геометрической характеристикой диффузора является отношение сечений f. При заданной скорости на входе повышение давления происходит только до определенных пределов, причем в коническом диффузоре и в диффузоре оптимальной формы наиболее бурный рост давления соответствует начальному участку.
Значение параметра f, отвечающее максимальной степени сжатия в диффузоре, называется предельным. Выполнение диффузора с большим отношением f нецелесообразно, так как при этом на выходном участке обнаруживается снижение давления.

Влияние формы диффузора на его основные характеристики состоит в том, что оптимальный эпюр давлений меняется в зависимости от двух основных геометрических параметров - отношения сечений f и длины диффузора. При малой длине и больших f, когда градиенты давления на входе весьма резко возрастают, возможно образование отрыва уже во входных сечениях.


 

 

Дозвуковые диффузоры широко применяются в авиапромышленности. Одним из примеров здесь является ступенчатый диффузор (рис.1). Повышение давления в нем происходит вначале в обычном плавно расширяющемся канале, а затем давление растет при внезапном расширении сечения. Такие диффузоры следует применять при малой длине и больших отношениях f. Для каждого значения f существует определенная оптимальная длина L, соответствующая минимальным потерям. При выбранных оптимальном угле раствора γ_д.опт. и L однозначно определяется площадь выходного сечения плавной части диффузора. Ступенчатые диффузоры имеют существенные преимущества в тех случаях, когда необходимо сократить длину диффузора.

Кроме того дозвуковые диффузоры также нашли широкое применение в бытовой технике в системах вентиляции - системах вытяжки и нагнетания воздуха.

Дозвуковые диффузоры также применяются в нефтегазовой промышленности, например, в составе устройства газового эжектора (рис.2).

Диффузоры ДПУ-М (рис.1) предназначены для подачи и удаления воздуха системами вентиляции и кондиционирования в жилых, административных, общественных и производственных помещениях. ДПУ-М может также использоваться в качестве запорного клапана при отключении системы вентиляции или отдельных ее участков. Диффузор ДПУ-М состоит из корпуса, присоединительного патрубка и подвижного обтекателя. В диффузорах ДПУ-М при перемещении обтекателя с закручивателем соответственно вдоль оси корпуса изменяются вид формируемой приточной струи (от вертикальной смыкающейся конической до горизонтальной веерной) и ее дальнобойность, что позволяет реализовать посезонное регулирование систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Рассмотрим влияния основных режимных параметров, чисел Re и M на характеристики диффузоров. Опыты показывают, что характер кривых коэффициента потерь ζ_д (Re) зависит от геометрических характеристик диффузора: γ_д и f. Соответствующие кривые по данным различных исследований приведены на рис.1. Как видно, влияние Re ощутимо лри Re ≤ 3^.10⁵ в зависимости от γ_д, f и формы диффузора. Отметим, что характеристики ζ_д (Re) при больших углах раствора и f>4 протекают более полого.

озрастание числа M приводит к увеличению градиентов давления; в соответствии с этим потери на тре¬ние в диффузоре с ростом M начиная с M > 0.7 увеличиваются. Сжимаемость приводит к росту вихревых потерь в диффузоре; при отрывном обтекании с увеличением M точка отрыва потока перемещается к входному сечению.
При околозвуковых скоростях на входе (при M < 1) потери в диффузоре возрастают особенно интенсивно, так как градиенты давления во входном участке резко увеличиваются, что приводит к раннему отрыву даже при небольших углах раствора. Следует подчеркнуть, что уменьшение ζ_д с ростом M при 0.1<М<0.5 обусловлено изменением Re так как в этом диапазоне чисел M влияние сжимаемости еще не сказывается.