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ド・ラバルノズル（または収束発散ノズル、CDノズル、コンダイノズル）は、中央部が急激に収束し、その後徐々に発散する形状の管です。流体の熱エネルギーを運動エネルギーに変換することで、圧縮性流体を軸方向（推力方向）に超音速まで加速するために使用されます。ド・ラバルノズルは、一部の蒸気タービンやロケットエンジンのノズルに広く用いられています。また、超音速ジェットエンジンにも使用されています。
同様の流れ特性は、天体物理学におけるジェット気流にも適用されている。[ 1 ]
ジョヴァンニ・バッティスタ・ヴェンチューリは、流体がチョークを通過する際の流体圧力低下効果（ヴェンチューリ効果）の実験のために、ヴェンチューリ管として知られる収束・発散管を設計しました。ドイツのエンジニアで発明家のエルンスト・ケルティングは、1878年までに蒸気ジェットポンプで収束ノズルを使用した後に収束・発散ノズルに切り替えたとされていますが、これらのノズルは企業秘密のままでした。[ 2 ] 1888年、スウェーデンのエンジニア、グスタフ・ド・ラヴァルは、衝動タービン用に収束・発散ノズル設計を設計しました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
ラバル式収束・発散ノズルは、ロバート・ゴダードによって初めてロケットエンジンに採用された。高温ガス燃焼を用いる現代のロケットエンジンのほとんどは、ラバル式ノズルを使用している。
ド・ラバルノズルの動作は、亜音速、音速、超音速で流れるガスの異なる特性に依存しています。亜音速のガスの流れは、質量流量が一定であるため、それを運ぶパイプが狭くなると速度が増加します。ド・ラバルノズルを通過するガスの流れは等エントロピーです。つまり、ガスのエントロピーはほぼ一定です。亜音速の流れでは、音はガス中を伝播します。断面積が最小となる「スロート」では、ガスの速度が局所的に音速（マッハ数 = 1.0）になり、この状態はチョーク流れと呼ばれます。ノズルの断面積が増加すると、ガスは膨張し始め、流れは超音速まで増加します。この速度では、ノズルの基準系で見ると、音波はガス中を後方に伝播しません（マッハ数> 1.0）。
ド・ラバルノズルは、ノズルを通過する圧力と質量流量が音速に達するのに十分な場合にのみ、喉部でチョーク状態になります。そうでなければ超音速流は発生せず、ベンチュリ管として機能します。そのため、ノズルへの入口圧力は常に周囲圧力よりもかなり高くなければなりません（言い換えれば、ジェットのよどみ圧力は周囲圧力よりも高くなければなりません）。
さらに、ノズルの排気膨張部の出口におけるガスの圧力は低すぎてもいけません。超音速流では圧力が上流に伝わらないため、出口圧力は排気先の周囲圧力よりもかなり低くても構いませんが、周囲圧力よりも低すぎると、流れが超音速でなくなったり、ノズルの膨張部内で流れが剥離して不安定なジェット流が発生し、ノズル内で「揺れ」、横方向の推力を発生させてノズルを損傷する可能性があります。
実際には、ノズルから超音速流が噴出するためには、周囲の圧力は出口における超音速ガスの圧力のおよそ2～3倍以下でなければならない。
ド・ラバルノズルを通過するガス流の解析には、いくつかの概念と仮定が含まれる。
ガスがノズルに入ると、亜音速で流れます。断面積が縮小するにつれて、ガスは加速を強いられ、断面積が最小となるノズル喉部で軸方向速度が音速に達します。そこから喉部の断面積が増加すると、ガスは膨張し、軸方向速度は徐々に超音速に近づいていきます。
排気ガスの線速度は、次の式を使用して計算できます。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]
様々な推進剤を使用するロケットエンジンの排気ガス速度v <sub>e</sub>の代表的な値をいくつか挙げると以下のようになる。
補足として、v eは、排気ガスが理想気体として振る舞うという仮定に基づいているため、理想排気ガス速度と呼ばれることもあります。
上記の式を用いた計算例として、推進剤燃焼ガスが、ノズル入口の絶対圧力p = 7.0 MPa、ロケット排気口の絶対圧力p e = 0.1 MPa、絶対温度T = 3500 K、等エントロピー膨張係数γ = 1.22、モル質量M = 22 kg/kmol であると仮定します。これらの値を上記の式に代入すると、排気速度v e = 2802 m/s、すなわち 2.80 km/s となり、これは上記の典型的な値と一致します。
技術文献では、あらゆる理想気体に適用される普遍的な気体法則定数Rと、モル質量Mの特定の気体にのみ適用される気体法則定数R s が、しばしば注記なしに混同されている。この 2 つの定数の関係はR s = R/Mである。
質量保存の法則によれば、ノズルを通過するガスの質量流量は断面積に関係なく一定である。[ 10 ]
喉が音速Ma = 1のとき、式は次のように簡略化されます。
ニュートンの運動第三法則によれば、質量流量を用いて、排出されるガスが及ぼす力を決定することができる。
空気力学において、ノズルによって発生する力は推力と定義される。
![{\displaystyle v_{e}={\sqrt {{\frac {TR}{M}}\cdot {\frac {2\gamma }{\gamma -1}}\cdot \left[1-\left({\frac {p_{e}}{p}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right]}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c3dff4f01a3fa232607e3ffeebb18a4b2c9c088b)
