17. Свойства свободной струи

Струя называется свободной, если она вытекает из насадка той или иной формы в неограниченное, т.е. не стесненное стенками про­странство. Если физические свойства неподвижной окружающей среды и струи одинаковы, то такая струя называется затопленной

Образование свободной струи обусловлено тем, что в потоке не ограниченном стенками, от воздействий 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.

Рис. 21. Схема свободной затопленной турбулентной струи

В результате этого процесса, называемого турбулентным переме­шиванием, образуется пограничный слой, разделяющий неподвижную сре­ду и ядро потока, которое сохраняет начальную скорость (рис.21)

По мере удаления от сопла толщина ядра, скорость которого по­стоянная, уменьшается, а пограничные слои увеличиваются. Происходит выравнивание скорости в поперечном сечении.

В соответствии с механизмом образования струи количество дви­жения в ее поперечных сечениях должно оставаться постоянным. Опы­тами также установлено, что давление в свободной струе постоянно и равно давлению окружающей среды.

Для технических расчетов можно считать, что образующие границ струи прямолинейны. Следовательно, струя представляет собой конус, вершина конуса находится внутри сопла на расстоянии S_п от его сре­за и называется полюсом струи. Угол раскрытия свободной струи α = 18-26°

Рис.22 Изменение количества движения (1), осевой скорости (2), расхода (3) и кинетической энергии (4) по длине свободной струи

Часть струи S_н , в которой осевая скорость сохраняет началь­ное значение, называется начальным участком. Участок струи, располо­женный затем по течению, называется основным участком. В основном участке скорость на оси струи W_ось непрерывно падает (рис.22).

Опыты показывают, что расход по длине струи растет приблизи­тельно линейно. Вслед-ствие постоянства давления количество движения во всех сечениях струи должно быть одно и то же, что и подтверждает­ся опытом:

(102)

Кинетическая энергия уменьшается в связи с затратами на во­влечение в движение окружающей среды и снижению скорости потока.

В центральной части свободной струи можно выделить ядро, каж­дое поперечное сечение которого характеризуется расходом, равным начальному расходу струи. Эта область струи называется ядром по­стоянной массы, угол его раскрытия 2,5 -2,8°. Остальная часть струи представляет собой присоединенную массу.

Согласно теории свободной струи, разработанной Г.Н.Абрамови­чем соотношение длины начального участка и диаметр сопла

= 4,4 ; (103 )

Для скорости на оси струи в основном участке

; (104)

для диаметра струи

; (105)

для расхода через поперечное сечение

(106)

для скорости на расстоянии у от оси

(107)

Многочисленными опытами установлено, что распределение скорости во всех свободных затопленных струях подобно. Это следует также из приведенных выше формул. Если на график нанести зависимость относительной скорости от относительной координаты, то получаются кривые, действительные для всех струй независимо от величин d_с и W. Изменение некоторых харак­теристик по длине струи в графическом виде представлено на рис. 21. На этом же рисунке схематически показаны профили скорости в различных сечениях струи.

В струе могут находиться какие-либо примеси, концентрация которых отличается от их концентрации в окружающей среде. Температура струи может отличаться от температуры атмосферы. Выравнивание температур и концентраций с окружающей средой физически происходит так же, как и выравнивание скоростей — в результате турбулентного перемешивания (роль молекулярной диффузии обычно мала).

Аналогично тому, как секундное количество движения остается постоянным по длине струи, секундная энтальпия и количество примеси в струе также сохраняют постоянные значения.

Изменение избыточной температуры и избыточной концентра­ции на оси струи можно определить по одинаковым формулам:

(108)