Свободная струя. Струйные аппараты

Свободная струя.

В рабочем пространстве современных печей движение осуществляется преимущественно в результате динамического воздействия струй, образующихся при вводе топлива и воздуха. Струя называется свободной и затопленной, если она не ограничена твердыми стенками и вытекает в среду с той же плотностью. Образование свободной струи обусловлено тем, что в потоке, неограниченном стенками, под действием поперечных турбулентных пульсаций небольшие объемы газа выбрасываются за первоначальную границу потока. Сталкиваясь с атмосферой, эти объемы вовлекают ее в движение, а их скорость уменьшается. На место выскочивших частиц в струю поступают новые из окружающей среды и подтормаживают более быстрые частицы. В результате этого процесса, называемого турбулентным перемешиванием, образуется пограничный слой, разделяющий неподвижную среду и ядро потока, которое сохраняет начальную скорость.

По мере удаления от сопла толщина ядра уменьшается (скорость его при этом постоянна), а пограничного слоя увеличивается, в результате чего происходит выравнивание скорости в поперечном сечении. На некотором расстоянии от сопла пограничный слой заполняет все сечение струи. Наружной границей считается поверхность, на которой составляющая скорости, направленная вдоль оси, равна нулю (Wx = 0).

Рис 13

В соответствии с механизмом образования струи количество движения в её поперечных сечениях должно оставаться постоянным. Многочисленными опытами установлено, что давление в свободной струе постоянно и равно давлению окружающей среды. Расчет осесимметричной струи (круглого сечения) производится в соответствии с приведенной схемой.

Вершина конуса находится внутри сопла на расстоянии S_П от его среза и называется полюсом струи. Часть, расположенная за ним вниз по течению называется основным участком (S_Н). В основном участке скорость струи непрерывно падает. Величина S определяет точку на оси, где скорость равна нулю.

Многочисленными опытами установлено, что распределение скорости во всех свободных струях подобно. На рисунке показаны изменения некоторых характеристик по длине свободной струи.

Рис 14 1- количество движения, 2 – скорость по оси, 3 – расход, 4 – кинетическая энергия

Неизотермическая струя

Если температура струи выше температуры окружающей атмосферы, то, кроме инерционных сил, на струю начинают действовать силы тяжести, направленные вверх и искривляющие струю. Чем больше разность температур, тем больше степень искривления. С другой стороны, на частицы струи действуют инерционные силы. Они тем больше, чем больше скорость струи. Искривление струи зависит от соотношения этих сил.

Рис 15

Отклонение y оси струи от оси сопла на расстояние S от среза можно определить по формуле:

Здесь X = 0,076۰S/r_c; A_r=[g۰r_c/w²]۰[(T_c – T_a)/T_a] – критерий Архимеда; T_c – температура среды; T_a – температура атмосферы.

Соударение свободных струй

При соударении свободные струи расплющиваются, причем тем больше, чем больше угол встречи и больше количества движения струй. Направление результирующей струи определяется по диагонали параллелограмма, сторонами которого служат количества движения струй.

Если оси двух струй параллельны, то взаимодействие между ними приводит к сокращению поверхности, через которую поступает окружающая среда. В результате угол раскрытия уменьшается, а дальнобойность увеличивается.

Струйные аппараты

Свойство струй захватывать окружающую среду используется в струйных аппаратах. Простейший струйный аппарат состоит из смесителя и сопла (рис.16).

Рис 16. 1 – рабочее сопло, 2 – смеситель, 0 – полюс сопла.

Поток, выходящий из сопла, называется рабочим. Рабочий газ (или жидкость), выходя из сопла с высокой скоростью, образует струю, которой стенки смесителя не позволяют захватывать окружающую среду. Поэтому струя вовлекает в движение среду, находящуюся перед входом в смеситель. Поток, вовлекаемый в смеситель, называется инжектируемым. В отличие от свободной струи, расход газа вдоль смесителя остается постоянным. Поскольку с удалением от сопла профиль скорости выравнивается, количество движения вдоль оси смесителя убывает. Но, согласно уравнению импульсов (Ʃm₂w₂ – Ʃm₁w₁)_X = ƩP_X = (Ʃp₁f₁ – Ʃp₂f₂)_X.

Это означает, что давление вдоль смесителя возрастает.

В зависимости от назначения, струйные аппараты носят разные названия. Аппараты, в которых создается высокое разряжение перед смесителем, называются эжекторами. Аппараты, в которых давление инжектируемой среды изменяется незначительно, называются инжекторами.

Важной характеристикой работы инжектора является массовая кратность инжекции, представляющая

собой отношение массового расхода инжектируемой среды к массовому расходу рабочей среды.

Чтобы увеличить кратность инжекции, входную часть смесителя выполняют в виде конфузора, а выходную – в виде диффузора.

Рис 17

Конфузор позволяет уменьшить потери при входе инжектируемой среды в смеситель. При расширении смеси в диффузоре уменьшается выходная скорость W_СМ, благодаря чему увеличивается m_СМ ,что равноценно увеличению m_И и, следовательно, N.

Ограниченные струи

Если направить струю параллельно твердой плоскости, расположенной на небольшом расстоянии от ее оси, то дальнобойность струи увеличится, струя будет «стелиться» по стенке. Это свойство струи называется настильностью. Настильность струи объясняется тем, что свободная поверхность струи, вовлекающая в движение новые массы, уменьшается.

В случае струй, направленных под углом к плоскости, с увеличением угла атаки дальнобойность уменьшается. Струя, направленная под углом, оказывает давление на плоскость (струя, направленная параллельно плоскости давления не оказывает). Область удара струи находится под повышенным давлением (Рис. 18а,б)

Рис 18

Струйное движение в камере

При движении в камере возможны два случая: струя успевает (а) и не успевает (б) заполнить сечение камеры (Рис.19а,б)

Рис 19

В начале камеры струя развивается аналогично свободной струе и также вовлекает в движение окружающую среду. Но так как стенки камеры препятствуют свободному притоку газа из атмосферы, в районе корня струи создается разрежение (как во входной части эжектора). Перед выходом их камеры движение примерно такое же, как и при ударе струи в тупик, с той только разницей, что часть газа выходит из камеры. По закону сохранения массы из камеры уходит столько газа, сколько входит через сопло, поэтому часть газа, которая захватывается в корне струи, поворачивается и движется по торцевой стенке. Поскольку давление в районе тупика повышенное, а в корне струи пониженное, у продольных стен образуется поток, движущийся в направлении, обратном направлению струи.

Как указывалось выше, давление в свободной струе всюду одинаково. В прямом канале и в смесителе струйного аппарата давление постоянно лишь в поперечных сечениях. В камере со струйным движением давление изменяется и по длине, и по сечению камеры. Самое низкое давление наблюдается на оси струи в области входа в камеру, самое высокое давление – на выходе из камеры. В начале камеры разница давлений на оси и у периферии больше, чем в конце (рис. 20).

Рис 20

В ряде случаев удобно выделить ядро постоянной массы – часть струи, в сечении которой расход равен начальному, и циркуляционные зоны, образующие замкнутые контуры.

Движение газа в рабочем пространстве печей

рис. 21

Движение газа в рабочем пространстве печей следует разделить на канальное и струйное (рис. 21). Канальным называется движение, которое осуществляется в результате изменения потенциальной энергии потока. Таково движение газов в горизонтальном канале (уменьшается статический напор). Струйным называется движение, которое осуществляется в результате динамического воздействия струй.