3. Прямолинейные диффузоры

Все существующие диффузоры отличаются друг от друга по различным признакам: по форме поперечного сечения (круглые, квадратные, прямоугольные, кольцевые и пр.); по характеру изменения сечений вдоль его оси (прямолинейные, криволинейные, или ступенчатые), по углу расширения, длине, степени рас­ширения.

Наиболее простым и часто применяемым в практике диффузо­ром является прямолинейный диффузор круглого поперечного сечения. Исследованию потоков в таких диффузорах посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ.

На аэродинамические характеристики диффузоров существен­ное влияние оказывают их геометрические параметры (угол рас­крытия , безразмерная длина и степень расширения п). Это влияние довольно сложно, так как оно зависит от чисел Re и М.

На основании анализа многочисленных практических приме­ров можно рекомендовать оптимальный угол расширения для круг­лых диффузоров – 8°. Оказывается, что при α = 8° и п = 2÷4 для не очень длинных диффузоров отрыв еще не проис­ходит, и поле скоростей на выходе из диффузора еще достаточно однородно.

Известно, что в цилиндрических трубах некруглого сечения во внутренних углах, образованных стенками трубы, существуют вторичные токи. Последние значительно ухудшают однородность потока в поперечном сечении трубы и увеличивают потери по сравнению с трубами круглого сечения. При наличии расширения явления в углах еще усиливаются; поэтому в установках, в которых требуются однородные поля скоростей, не ре­комендуется ставить диффузоры некруглого поперечного сечения.

Из чисто геометрических соображений следует, что при оди­наковых углах α и степенях расширения п длина диффузора квад­ратного или прямоугольного сечения будет меньше, чем круглого.

Следовательно, градиент давления в круглом диффузоре будет меньше, чем в некруглом.

Наличие углов между стенками у некруглых диффузоров при­водит к более интенсивному росту пограничного слоя, чем у круг­лых, и, следовательно, к большим потерям.

На рисунке 3.3 приведены полученные экспериментально кривые изменения коэффициента общих потерь φ зависимости от угла расширения α для круглого, прямоугольного и квадратного диффузоров при одинаковой степени поджатия п = 4.

Легко видеть, что круглый диффузор при углах расширения, меньших 34°, имеет наименьшие потери, квадратный — до α = 8° имеет потери меньшие, чем прямоугольный при углах α > 8°, потери в диффузоре квадратного сечения значительно превышают потери в прямоугольном диффузоре.

Рисунок 3.3. Коэффициенты восстановления диффузора:

1 – диффузор круглого сечения; 2 – диффузор с расширением в одной плоскости

(переход с квадрата на прямоугольник); 3 – диффузор квадратного сечения

4. Криволинейные и ступенчатые диффузоры

Естественно предположить, что существуют диффузоры с кри­волинейными стенками, потери в которых меньше, чем в прямо­линейных. Многочисленные (но далеко еще не исчерпывающие все возможные варианты криволинейных контуров) опыты подтверждают сделанное предположение. Оказывается, что существует большое число криволинейных диффузоров, в которых потери значительно меньше, чем в прямолинейных, поле скоростей более; однородно и поток более устойчив, чем в прямолинейных диф­фузорах.

На рисунке 3.4 приведены очертания стенок плоских диффузоров, испытанных различными авторами. На рисунке обвод 1 соответствует прямолинейному диффузору.

Рисунок 3.4. Обводы диффузоров, испытанных различными авторами

Следует отметить, что все указанные на рисунке 3.4 очертания диф­фузоров имеют одно общее свойство: расширение в конце диффузора происходит значительно более интенсивно, чем в начале его.

Следовательно, при входе в любой из приведенных криволи­нейных диффузоров пограничный слой растет медленнее, чем при входе в прямолинейный. Поэтому в криволинейном диффузоре отрыв происходит всегда позже, и потери в нем меньше, чем в прямолинейном. Диффузоры с очертаниями 7, 8, 9 имеют большой цилиндрический участок и поэтому значительную вели­чину сопротивления трения.

Надо ожидать, что при малых углах расширения можно полу­чить криволинейный диффузор с потерями, меньшими, чем в пря­молинейном, при этом контур такого диффузора должен образовываться так, чтобы пограничный слой вначале рос интенсивнее, чем в конце, но при этом еще не отрывался бы. Уменьшение рас­ширения в конце диффузора приведет к увеличению устойчивости ослабленного пограничного слоя.

При больших углах расширения еще более эффективными, чем криволинейные, являются ступенчатые диффузоры, в которых прямолинейное расширение с большим углом заменяется рядом расширений с малыми углами и внезапными расширениями.

На рисунке 3.5 приведены три типа диффузоров с одинаковой степенью расширения и одинаковой длиной. Коэффициент потерь прямолинейного диффузора равен 0,32, криволинейного — 0,24, а ступенчатого — 0,16, т. е. коэффициент потерь ступенчатого диффузора в два раза меньше, чем прямолинейного и в полтора раза меньше, чем наилучшего криволинейного диффузора ( = const).

Рисунок 3.5. Сопротивление трех диффузоров с одинаковой

степенью расширения и одинаковой длиной