книги из ГПНТБ / Турбулентное смешение газовых струй

10 Экспериментальное исследование струи [гл. I

фреона-12. Для гелиевой струи величина правой части соотношения (1.3) значительно меньше, чем для фреона. Следует, однако, подчеркнуть, что абсолютные величины

Заметим, что приведенные оценки даны по максимуму и в реальных условиях, по-видимому, являются несколь­ ко завышенными. Например, как уже указывалось, к уменьшению ошибки может приводить наличие некото­ рого разрежения в струе. В работе А. А. Таунсенда [4] на основании анализа уравнения движения в проекции на поперечное по отношению к вектору средней скорости направление показано, что статическое давление в турбу­ лентном потоке отличается от статического давления в ок­ ружающей среде на величину 8Р = — рг7'2, где v' — попе­ речная пульсация скорости. Таким образом, разрежение определяется интенсивностью поперечных пульсаций ско­ рости v' и в соответствии с результатами, полученными Таунсендом, дает поправку к относительной величине скоростного напора в соотношении (1.3)

6Р _ ' рй2

Поскольку различие между е„ и е1( в струйных потоках не очень значительно, то погрешность измерения, обуслов­ ленная пульсациями скорости, оказывается практически скомпенсированной (е£ — ~ 0).

2. Для того чтобы с помощью соотношения (1.2) вычис­ лить среднюю скорость, необходимо знать величину сред­ ней плотности, которую обычно определяют по измерен­ ным значениям температуры и концентрации. Измерения температуры и концентрации имеют также самостоятель­

§ И Методика измерений в струйных потоках И

ный интерес, так как дают представление о распределении скалярной субстанции в струях и о соответствующих ха­ рактеристиках переноса.

При измерении температуры в зоне смешения нагретой газовой струи спай термопары обтекается нестационар­ ным потоком, в котором физические параметры хаотически пульсируют. Исследованию работы различных теплоприемников при обтекании их нестационарным потоком посвя­ щен ряд теоретических работ [5, 6], в которых выясняются отдельные вопросы методики температурных измерений. Оценим возможную погрешность, возникающую при изме­ рении температуры термопарой со спаем шаровой формы, в том случае, когда в потоке изменяются по времени все основные параметры. Изменение локальной температуры

спая термопары, с граничным условием на поверхности

(1.6), воспользовавшись граничным условием (1.7), мож­ но получить

вами и размерами спая и является константой. В широком диапазоне значений числа Рейнольдса Re при значениях числа Маха 0 < М < 0,3 коэффициент теплоотдачи а выражается следующей зависимостью: а = К^Х RePPr™. Для газов величина Рг — критерия Прандтля— изме­ няется слабо, поэтому е точностью до не зависящего от

пределение й, с и Т в зоне смешения, можно найти вели­ чины корреляционных функций, а если известны физиче­ ские свойства смешиваювдихся газов (от которых зависит отношение LJL?), то определена и вся правая часть соот­ ношения (1.10).

Расчеты такого рода были проделаны для случая нагре­ тых струй фреона-12 и гелия, распространяющихся в воз­ духе; в первом случае

3.Измерение распрера­ , 4 — регулировочный кран, 5 —

деления концентрации вакуумный насос, 6 — вакуумметр.

в струях также встре­ чает определенные трудности из-за пульсаций состава

газовой смеси. Обычная практика измерения концентра­ ции связана с отбором проб в зоне смешения струй. Проба анализируется тем или иным способом, иногда через значительное время после отбора, иногда подается прямо в анализатор. Это приводит к тому, что анализирует­ ся уже практически однородная стационарная смесь, в то время как в зоне смешения струи смесь является неоднородной и имеют место пульсации концентрации. При измерениях концентрации, результаты которых бу­ дут изложены ниже, в качестве анализирующего элемента использовался датчик типа теплового детектора, принцип работы которого основан на зависимости теплофизиче­ ских свойств смеси, определяющих интенсивность тепло­ отдачи нагретой нити, от состава смеси. Тарировка такого прибора может быть проведена достаточно надежно и

14 Экспериментальное исследование струй [гл. I

ошибка измерений, определяется процессом отбора проб. Одна из возможных систем газового анализа изображена на рис. 1.1. Отборник 1, выполненный в виде насадка полного давления, соединяется гибкой магистралью 2 с датчиком анализатора 3, который через специальный

щегося объема воздуха, гелия и углекислоты соответственно (скорость определялась по статическому давле­ нию в отборной трубке). Статическая характеристика на­ садка показывает, что негомогенность смеси не может повлиять на режим отбора, который при использовании описанной выше системы обеспечивает постоянство объем­ ного расхода анализируемой смеси. В опытах отбор проб осуществлялся таким образом, чтобы скорость на входе в отборник была близка к средней скорости потока, при этом специальная проверка показала, что наличие потока

практически не влияет на скоростные характеристики насадка, представленные на рис. 1.2.

Рассмотрим процесс отбора пробы из среды перемен­ ного состава с компонентами 1 и 2. Обозначив индексом «О» параметры потока в зоне смешения и индексом «*»— параметры газа в датчике анализатора, можно записать следующие соотношения:

V0 — Vю V2o, х 10 — Vxo^Vot х2о V2o/Vo'

Здесь F0 — объем газа, втекающего в приемное отверстие насадка за единицу времени, х — объемная концентрация рассматриваемого компонента в смеси. Объем газа в дат­ чике составляет

F * = F 10 (Ты/Т10) I- V2o(T2JT20).

Если температуры компонентов газовой смеси успевают выравняться (Г1Ис = Гг*)» что практически всегда имеет место в опытах, то объемная концентрация подчиняется соотношению

( 1. 11)

Эта формула показывает, что объемная концентрация, измеряемая прибором, равна объемной концентрации рас­ сматриваемого компонента в зоне смешения только в том случае, когда Г10 = Т20 (т. е. когда смесь гомогенна или когда температура ее компонентов одинакова). Ввиду того, что отбор смеси производится при постоянном объемном расходе и объемы, проходящие в датчик для анализа, велики, при Т10 = Т 2о можно считать также, что

х10 = хы . Это означает, что в случае изотермического или гомогенного смешения можно по данным измерений полу­ чить точное распределение средней по времени объемной концентрации в зоне смешения. Поскольку из зоны сме­ шения в отборник обычно поступает негомогенная среда, данные по объемным концентрациям можно считать в до­ статочной степени точными только в том случае, когда температуры смешивающихся газов не сильно различают­ ся. Например, для того чтобы ошибка в определении объем­ ной концентрации не превышала 5?о, необходимо согласно соотношению (1.11), чтобы абсолютные температуры

различались не более чем на 5%. Определение массовой концентрации по результатам измерений тоже зависит от ви­ да смеси, поступающей в отборник, так как средние по вре­ мени массовая и объемная концентрации связаны между собой различными соотношениями в зависимости от того — является ли смесь гомогенной или пет. По определению массовая концентрация

j рю dVю

Здесь p — молекулярный вес, с — массовая концент­ рация. После осреднения концентрации с10 по времени получаем

РюИю Р20Х2)

В датчике прибора смесь гомогенна и пульсации концент­

Как известно, при смешении струй наблюдаются зна­ чительные пульсации концентрации. Поскольку надеж­ ные данные о величине с'у! отсутствуют, т. е. использова­ ние точного соотношения (1.12) для определения массовой концентрации невозможно, то она определялась с по­ мощью соотношения (1.13), что соответствует условию

Поэтому при обработке результатов опытов в основном использовались измерения объемной концентрации, ко­ торые в соответствии с вышеизложенным проводились при возможно малой разнице температур смешивающихся газов.

При измерении каждого из осредненпых параметров ошибка может достигать 10% и более в зависимости от

токов: значения толщины вытеснения 8]^ и 62 соответствен­ но по внутреннему и наружному контурам на срезе цент­ рального сопла при скорости 30 м/с составляли для сопла

Рис. 1.3. Схема установки для исследования распространения га* зовых струй в спутном потоке воздуха. 1 — центральное сопло» 2 — наружное сопло, 3 — перфорированные пластины, 4 — хо* нейкомбы, 5 — рабочая камера.

Как известно [1], струйное течение, образованное пото­ ком газа, вытекающим из сопла конечного размера, может быть разбито на три условных участка: начальный, ос­ новной и переходный. В настоящем параграфе речь пой­ дет о начальном участке струи. Он характеризуется на­ личием «певозмущенного» ядра, которое ограничено коль­ цевым слоем смешения, образующимся вокруг него.

§ 2] Исследование начального участка турбулентных струй 19

Этот слой смешения имеет приблизительно прямолиней­ ные границы и их пересечение с осью струи соответствует концу начального участка, определяемому длиной «невоз­ мущенного» ядра. В этом ядре сохраняются те значения параметров струи, которые она имеет на срезе сопла. На рис. 1.4 представлена схема начального участка струи. На этой схеме штрихпунктириой линией обо­ значена ось сопла и струи, у х и т/г обознача­ ют внутреннюю и на­ ружную границы зоны смешения, ширина ко­ торой Ъ монотонно ра­ стет вниз по потоку.

Ось х — продольная ко­ ордината — совпадает с линией, продолжающей

границах газодинамических параметров потока. Для это­ го производится построение экспериментально получен­ ных профилей скорости, температуры и концентрации в различных сечениях слоя смешения при разных значе­ ниях параметров т и п , затем определяется взаимное рас­ положение профилей и устанавливается влияние трех параметров: расстояния от кромки сопла, значений т и п на вид каждого профиля и их взаимное расположение.

Следует сразу оговориться, что проследить по резуль­ татам измерений за влиянием каждого из перечисленных факторов не удается как из-за ограниченных возмож­ ностей экспериментов, так и из-за неточности измерений, обусловленной причинами, описанными в предыдущем па­ раграфе. Наиболее отчетливые результаты относятся к влиянию относительной плотности п на вид профилей и их взаимное расположение.

В пределах начального участка при фиксированных значениях указанных параметров вид профилей и их взаимное расположение не изменяются. На рис. 1.5 в качестве примера приведены первичные результаты