книги из ГПНТБ / Турбулентное смешение газовых струй

Турбулентное

смешение газовых струй

Под редакцией

Г. Н. АБРАМОВИЧА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Оглавление

Гл а в а III. Обобщение данных экспериментального иссле­ дования. Определение основных характеристик осред-

Предисловие

Во многих областях современной техники применяются различные установки, устройства и сооружения, в кото­ рых используются турбулентные струи. В СССР и за рубежом опубликованы результаты множества экспери­ ментальных и теоретических исследований, превративших теорию турбулентных струй в самостоятельный раздел прикладной аэродинамики, причем основные результаты время от времени подытоживались в монографиях Г. Н. Абрамовича (1936, 1940, 1948 и 1960 гг.), Бай-Ши-и (1960 г.), Л. А. Вулиса и В. Г1. Кашкарова (1965 г.),

А. С. Гиневского (1969 г.).

Вэтих работах достаточно полно изложены методы расчета и экспериментальные данные, касающиеся сме­ шения струй одинаковых газов при условии слабо прояв­ ляющегося влияния начальных возмущений.

Между тем значительный практический интерес пред­ ставляет смешение струй разных газов, плотности которых различаются как вследствие разницы температур, так и молекулярных весов при сильной неравномерности на­ чального распределения параметров. Появилась потреб­ ность в устройствах с предельно возможной интенсифика цией смешения (камеры сгорания двигателей и котельных

установок, химические смесители, эжекторы и т. п.), а также в таких устройствах, где смешение необходимо свести к минимуму (струи вредных газов, выбрасываемые в верхние слои атмосферы, огнеметы, бесчелночные (струйные) ткацкие станки, газоструйные реакторы).

Интенсификация смешения достигается предваритель ной закруткой струй, использованием соударяющихс; струй, а также спутных струй с большой разницей ско­ ростей.

Наоборот, минимальное смешение характерно для спутных струй с малой разностью скоростей, когда интен-

сивность смешения существенным образом зависит от формы начальных профилей скорости, энтальпии и кон­ центрации.

Указанные предельные виды смешения газовых струй в упомянутых выше монографиях не рассматривались, а общие вопросы смешения струй разных газов не получили достаточно полного и однозначного освещения.

Авторы данной монографии сделали попытку в какой-то мере восполнить этот пробел и с единой точки зрения изложить имеющиеся экспериментальные и теоретические материалы, касающиеся смешения турбулентных струй разных газов, уделив особое внимание анализу условий максимального и минимального смешения струй.

Следует отметить, что хотя первые работы этого на­ правления появились более 30 лет тому назад, но основ­ ные результаты получены в последние годы.

Точка зрения авторов, изложенная в монографии, учи­ тывает результаты длительных дискуссий, которые ве­ лись на страницах научных журналов.

В главе I приведены результаты экспериментального ’исследования смешения осесимметричных струй различ­ ны х газов со спутным потоком воздуха в цилиндрической

ростей, температур и концентраций. Результаты экспери­ ментов обобщены в виде универсальных зависимостей.

В главе II анализируются уравнения, описывающие течение в струях переменной плотности. Выяснены раз­ личные частные случаи, допускающие точные автомодель­ ные решения. Численно рассчитаны профили газодинами­ ческих параметров в плоскопараллельной зоне смешения при использовании теории Л. Прандтля. Определены на основе сопоставления с опытными данными границы, в пределах которых справедливы автомодельные решения и теория Л. Прандтля.

Глава III содержит обобщение опытных данных с целью выявления параметров, определяющих смешение. ^Приводятся результаты специальных экспериментов, в ко­ торых варьировались начальные условия истечения струй. Разработан приближенный метод расчета распре­ деления осредненных параметров струй с учетом погра­ ничных слоев в начальном сечении при наличии епутного

(п = p2/pi = var).

Анализируются экспериментальные данные других ис­ следователей и возможные причины наблюдаемых рас­ хождений. Сформулированы условия, при которых обес­ печивается минимальное струйное смешение.

В главе IV представлены результаты эксперименталь­ ного и теоретического исследования сильно закручен­ ных струй. Детально исследованы закономерности тече­ ния в зоне обратных токов, которые в основном опреде­ ляют интенсивность смешения. Предложен критерий, оп­ ределяющий момент возникновения этой зоны. На основе модифицированной теории Л. Прандтля проведен расчет неавтомодельного течения, образующегося в закрученной струе вниз по потоку от зоны обратных токов.

Результаты, изложенные в монографии, частично опуб­ ликованы в нескольких журнальных статьях, доклады­ вались на Всесоюзных съездах по механике, на семинарах, руководимых Л. И. Седовым, Г. Г. Черным, Г. Н. Абра­ мовичем и И. П. Гинзбургом. Авторы имели возмож­ ность обсудить отдельные результаты работы с Л. А. Вулисом, А. С. Гиневским, Л. Г. Лойцянским, А. Ферри. Текст рукописи прочли и сделали ряд полезных замеча­ ний А. С. Гиневский и В. Р. Кузнецов. При оформлении рукописи большую помощь оказали Г. Б. Краюшкина и

Л. Л. Остроменская.

Внекоторых экспериментальных исследованиях, ре­ зультаты которых приведены в монографии, принимал участие О. В. Яковлевский.

Г л а в а I

Результаты экспериментального исследования струй переменной плотности

§ 1. Методика измерений в струйных потоках

Экспериментальные исследования лежат в основе всех теоретических моделей и методов расчета, используемых для анализа струйных течений, и всегда являются основ­ ным критерием правильности теоретических построений. Однако следует иметь в виду, что достоверность получае­ мых опытных данных предопределяется особенностями и возможностями измерительной техники и методикой про­ ведения измерений.

Обычно описание струйного течения считается полным, когда получены поля средних по времени значений ско­ рости, температуры и концентрации смешивающихся ком­ понентов. В потоках переменной плотности непосредствен­ ные измерения средней скорости практически неосущест­ вимы (исключением являются методы, связанные со слежением за движением оптических неоднородностей, применение которых пока весьма ограничено). Обычно скорость течения определяется по величине скоростного напора и известной (из других измерений) плотности газа.

1. Рассмотрим возможные погрешности метода опре ления средней скорости течения по величине измеренного скоростного напора. При существенно дозвуковых скоро­ стях с достаточной точностью можно считать, что средняя по времени величина разности между полным и статиче­ ским давлением, измеряемая трубкой Пито:

та обозначает осреднение по времени). Соотношение (1.1) определяет среднюю величину скоростного напора, поэ­ тому для определения средней скорости й обычно вводят дополнительное предположение о равенстве среднего

вносит в методику измерения средней скорости заметные погрешности (измерения АР заведомо можно вести таким образом, чтобы соотношение (1.1) выполнялось с достаточ­ ной точностью). Прибегая к обычному способу представления случайных величин ввиде суммы средней и пуль-

Как видим, предположение (1.2) может оказаться весьма грубым в тех случаях, когда имеются значительные по величине пульсации скорости и плотности. В равноплот­ ностных потоках ошибка при определении скорости по из­ меренному скоростному напору зависит только от интен­ сивности турбулентных пульсаций скорости

раз. Заметим, что обычно при измерении в зоне смешения струй скоростной напор определяется по разности между полным давлением в струе и статическим давлением в ок­ ружающей среде, вследствие чего эта ошибка частично компенсируется за счет имеющегося в струе разрежения (см. ниже). В случае потока переменной плотности по­ грешность, вносимая соотношением (1.2), может увели­ читься, о чем свидетельствуют два дополнительных члена в правой части соотношения (1.3), связанных с пуль­ сациями плотности. Последний член в этом соотношении представляет тройную корреляцию и при оценках может не рассматриваться. Величину же второго члена в правой части выражения (1.3) можно приближенно определить,

p V = Rpu У (р 7 V (й/у = RPUK P(Pi — Рг) К и {Ui — и2),

где R pu — коэффициент корреляции и К р, К и — экспери­ ментальные коэффициенты, зависящие от конкретных условий течения. Согласно экспериментальным данным, приводимым в работах [2, 3], можно приближенно при­ нять, что

максимальной ошибки в определении скорости по измере­ ниям скоростного напора в зоне смешения потоков разной плотности при различных режимах истечения. При этом соответствующие значения р, гг, а также отношение про­ изводных в формулах (1.5) могут быть определены по из­ вестным результатам измерений в зоне смешения затоплен­

в начальном участке результаты таких вычислений сведе­ ны в таблицу 1.1. Обработка была проведена для середины зоны смешения, где обычно наблюдаются максимальные