книги из ГПНТБ / Турбулентное смешение газовых струй

Рис. 2.10. Распределение поперечной скорости V в зоне смешения при различных значениях параметров га.

чем в струю гелия (п = 7,25). В то же время, как это от­ мечалось в гл. I, относительный расход в струе гелия растет быстрее, чем в струе фреона, поскольку начальный расход в струе при одинаковой скорости истечения обрат­ но пропорционален параметру п.

При рассмотрении рис. 2.16 обращает на себя внимание случай пг = 0,25, п = 7,25, когда на внешней границе струи поперечная скорость V2 отрицательна и внешний поток приобретает скорость, направленную от оси струи. На рис. 2.17 приведены значения скорости Vs на внешней границе зоны смешения. Видно, что в соответствии с опыт­ ными данными при п > 1 имеется область значений т 0, при которых В2 <; 0. Может показаться, что в этих слу­

Рис. 2.18. Расчетное распределение различных параметров в зоне смешения при п = 0,27, т = 1,92 (а) и п = 7,25, т = 0,37 (б).

щих параметров в диапазонах 0,27 п 7,25, 0 т 0,5 и т > 2.

чения в зоне смешения вследствие влияния пограничных слоев на кромке пластины, разделяющей потоки.

4) При п 1 имеется область значений т 0, при которых поперечная скорость на границе струи направле­ на от оси струи.

5) При стремлении параметра т2п к 1 расчетные про­ фили скоростных напоров ри2 в соответствии с опытными данными немонотонны поперек зоны смешения.

Г л а в а III

Обобщение данных экспериментального исследования. Определение основных характеристик переднемного течения в струе

§1. Вводные замечания

1.В предыдущих главах исследовалось влияние двух параметров (т = и п = Рг/Pi) на закономерности рас­ пространения струи в спутном потоке. Эти параметры отражают особенности граничных условий течения. Из­

вестно, однако, что на течение в струе определенное влия­ ние оказывают и начальные условия ее истечения. При проведении основной части экспериментального исследо­ вания (гл. I) начальные условия варьировались незначи­ тельно, так как основные измерения производились на соплах фиксированной геометрии и при близких значе­ ниях чисел Рейнольдса.

В теоретическом разделе (гл. II) начальные условия не рассматривались и анализировались только автомо­ дельные решения. При этом, однако, было отмечено, что при определенных условиях течение в струе в значитель­ ной мере определяется начальными данными. Так, напри­ мер, при близких скоростях струи и спутного потока (лгж ж 1) невозможно добиться удовлетворительного согласо­ вания теоретических и опытных данных без учета началь­ ных пограничных слоев.

К этим начальным условиям прежде всего следует от­ нести число Рейнольдса, исходную турбулентность и на­ чальную неравномерность параметров или начальные пограничные слои. Рассмотрим кратко каждый из этих факторов отдельно.

2. Теория устойчивости и прямые измерения при пере­ ходных числах Re показывают, что и в плоских [39] и круглых струях [40] критические числа Рейнольдса не превышают значения Re* = Ud/v — 10, т. е. весьма ма­ лы. С другой стороны известно, что при больших числах Re течение в струях практически не зависит от Re.

>Вследствие малости критического числа Рейнольдса (Re*) естественно было бы ожидать, что уже при значе-

1] Вводные замечания 115

ниях Re, в несколько раз превышающих Re.,,, течение в струе должно быть полностью турбулентным и должно слабо зависеть от Re. Однако экспериментальные дан­ ные показывают, что течение в струе зависит от зна­ чения Re в очень широком диапазоне чисел Re. Объяс­ няется это тем, что струи всегда истекают из неко­ торого канала: трубы, сопла, щели. Как известно, критические числа Re для развитого течения в канале достаточно высоки (Re* ж 2000). Если же течение в канале не развито и пограничные слои тонкие, то течение в нем может быть ламинарным и при значительно больших числах Рейнольдса. Кроме того, течение в ка­ нале можно ламинаризовать, подавив турбулентность специальными приспособлениями (сетки, хонейкомбы), так что течение в канале может быть ламинарным при числах R e » 103 ~104. Естественно, что струя, образую­ щаяся в результате истечения из канала, не может мгновенно преобрести структуру, типичную для разви­ той турбулентности. Поэтому вблизи среза сопла (или трубы) в струе сохраняются особенности течения в ка­ нале и, в частности, она может оставаться ламинарной, даже при больших числах Рейнольдса.

Область перестройки течения от каналового к струй­ ному особенно велика, когда течение на срезе сопла (или трубы) ламинарно. На рис. 3.1 в качестве примера пред­ ставлена теплеровская фотография струи углекислого га­ за (С02), вытекающего из плоского сопла при числе Re = = 5-103. Видно, что на участке, равном примерно двум высотам сопла, течение в струе близко к ламинарному. Ниже по потоку в струе появляются крупные вихри, которые затем переходят в неупорядоченное турбулентное течение. Переход от ламинарного к турбулентному тече­ нию в струях исследовался в ряде работ. Так, при анализе истечения ламинарного потока из трубы [37J было пока­

вязкость. В работе [41] исследован переход в осесимметрич­ ной струе газа, вытекающего из профилированного сопла. В этом случае вблизи среза сопла толщина пограничного слоя, прилежащего к стенкам сопла б, намного меньше

Кроме того, путем профилировки хонейкомба (набор тру­ бок очень маленького диаметра) в струе и в спутном потоке создавался профиль скорости с заданным поперечным градиентом. Оказалось, что в этом случае протяженность области перехода при распространении струи в спутном потоке достигает 10—20 диаметров струи.

Рис. 3.2. Протяженность участка перехода к турбулентному тече­ нию в круглых струях различных газов в зависимости от числа Рейнольдса (га = 0).

Наличие ламинарного участка в струе и зависимость его длины от числа Re приводит к тому, что параметры струи в сечениях, расположенных далеко от сопла, также зависят от числа Re. Общая качественная картина изме­ нения осевой скорости в некотором фиксированном се­ чении струи, заимствованная из работы [37], представ­ лена на рис. 3.3.

В области Re ■< Rej течение ламинарно и увеличение Re сопровождается уменьшением интенсивности смеше­ ния и, следовательно, увеличением значений осевых пара­ метров струи в фиксированном сечении. Потеря устойчи­ вости и переход (Rex<; Re < Re2) сопровождается обра­ зованием крупных вихрей, которые резко интенсифици­ руют смешение, вследствие чего величина ит/и0 убывает. При дальнейшем росте числа Re размер вихрей несколько

высокий уровень турбулентности на срезе сопла может привести к интенсификации смешения всей струи в целом. В настоящее время известен ряд работ [43, 44, 45], посвященных исследованию влияния начальной турбу­ лентности на характеристики затопленной осесимметричной струи. При этом начальная турбулентность создавалась

К

Рис. 3.5. Затухание осевой скорости в затопленной струе при раз­ личных уровнях начальной турбулентности но данным работы [44].

либо с помощью установки на срезе сопла турбулизирующих решеток [43, 44], либо путем возбуждения периоди­ ческих колебаний расхода через сопло с помощью вертуш­ ки, установленной перед соплом [45]. В качестве иллюстра­ ции на рис. 3.5 представлены данные работы [44] о влиянии

начальной турбулентности е0 = 100 ] / (и'У /и0на законо­ мерности затухания осевой скорости в затопленной струе. Анализ результатов этих работ показывает, что заметное влияние начальной турбулентности е0 начинает проявлять­ ся обычно при s0 5%, причем это влияние зависит от масштаба (или частоты) исходной турбулентности.