книги из ГПНТБ / Турбулентное смешение газовых струй

ческих параметров в различных сечениях закрученной струи (без обратных токов) и учет искривления границ струи позволяют правильно анализировать рассматри­ ваемый вид течения с помощью интегральных условий сохранения. При этом с удовлетворительной точностью выполняется и условие сохранения потока избыточного импульса, рассчитанного по продольной скорости. Дей­ ствительно, в этом случае аи = а ь, что удовлетво­ рительно согласуется с данными рис. 4.5 и 4.7.

Между тем необходимо отметить, что строгое подо­ бие профилей газодинамических параметров при нали­ чии закрутки, влияющей на течение, в обычных усло­ виях не реализуется [97]. Об этом говорит, например, условие сохранения избыточного импульса, требующее одинаковых закономерностей изменения для U и W при

поток момента количества движения не постоянен или равен нулю. Тем не менее при анализе течения с удов­ летворительной для практики точностью может быть ис­ пользовано предположение о приближенном подобии про­ филей газодинамических параметров, а условие сохра­ нения избыточного импульса без учета вращательной скорости выполняется с достаточной точностью. При этом

§ 2] Затопленная воздушная струя при высокой закрутке 211

необходимо учитывать, что закрутка струи прежде всего сказывается на интенсивности расширения ее границ.

На рис. 4.8 показано изменение характерной ширины г/с° в зависимости от координаты х° для закрученной и незакрученной турбулентных фреоновых струй. Вначале, когда закрутка еще достаточно велика, расширение зак­ рученной струи происходит значительно интенсивнее, чем струи незакрученной. На расстояниях же, соответ­ ствующих х° > 10, интенсивность нарастания толщины закрученной струи всего в полтора раза больше, чем у обычной струи. Этот результат находится в соответствии с данными работы [75], где такое же увеличение интен­ сивности расширения струи наблюдалось для случая небольшой начальной закрутки (Ф0 ж 0,3). Можно, повидимому, сделать вывод о том, что интенсивность рас­ ширения струи определяется местным значением закрутки.

§ 2. Затопленная воздушная струя при высокой интенсивности закрутки

1. В предыдущем параграфе анализировались зако­ номерности распространения закрученной струи за зоной обратного тока-, которая возникает в окрестности оси струи вблизи среза форсуночного устройства при доста­ точной исходной закрутке [73—77]. Вследствие при­ соединения к струе дополнительной массы из окружаю­ щей среды интенсивность вращательного движения в ней постепенно ослабляется и обратное течение на не­ котором удалении от форсуночного устройства исчезает. В настоящем параграфе рассматриваются закономерности распространения закрученной струи в той ее части, где имеется обратный ток; характерным параметром такого течения является интенсивность закрутки [77].

2. В опытах исследовалось течение за четырьмя цент­ робежными форсунками с цилиндрической камерой за­ вихрения длиной 30 и диаметром 18 мм при значениях геометрической характеристики А — 0,75; 2,5; 4,5; 6 [96]. Форсунки имели по двенадцать отверстий для подачи воздуха, оси которых были направлены по хор­ дам внутреннего сечения таким образом, что плечо по­ дачи составляло соответственно 1; 3,3; 6 и 8 мм. Нес­ колько опытов было посвящено исследованию влияния

212 Турбулентные закрученные струи [гл. IV

на течение конструктивных параметров форсунки. Для это­ го были использованы форсунки с другими относительными

опытов значение и0 составляло 10 м/сек. В некоторых опытах скорость истечения изменялась в 3—4 раза с целью изменения в широких пределах числа Рейнольдса. Однако влияние этого критерия оказалось незначитель­ ным, не выходившим за пределы точности измерений.

Измерение компонент вектора скорости осуществля­ лось с помощью двух термоанемометров с постоянной температурой нити (Х-образным датчиком с двумя ни­ тями из вольфрамовой проволоки диаметром 20 мк, длиной 4 мм). Измерение спектров пульсаций скорости показало, что частотный диапазон использовавшейся ап­ паратуры был достаточен для определения интенсивности пульсаций скорости.

В опытах определялось распределение концентрации примеси в струе, для чего в воздух, вытекающий из фор­ сунки, добавлялось до 15—20 процентов (по массе) фреона-12. Пневмометрические измерения проводились только на оси струи с помощью Т-образного насадка и датчиком статического давления, выполненным в виде трубки диаметром 1,5 мм, длиной 150 мм, что позволило располагать державку насадка вне зоны возвратного течения.

Исследование жидкостных центробежных форсунок показывает, что при анализе течения необходимо наряду с значением параметра А учитывать расходную харак­ теристику форсунки, которая может быть определена с помощью эмпирических закономерностей [96]. Опыты показывают, что и в газовой центробежной форсунке ее геометрическая характеристика А также не определяет в полной мере возникающего течения. Например, при од­ них и тех же значениях геометрической характеристики А длина зоны обратного течения у форсунок с разными относительными размерами может различаться в полторадва раза.

§ 2] Затопленная воздушная струя при высокой закрутке 213

Значительно лучшее согласование результатов изме­ рения длины зоны обратного течения для разных фор­ сунок (например, с различными плечами закручивания) достигается при построении зависимости длины зоны об­ ратного тока от разрежения, измеряемого на оси струи

Рис. 4.9. Относительная длина зоны обратных токов для форсу­ нок с различной геометрической характеристикой; п — плечо закручивания.

в плоскости среза форсунки Д Р 0. На рис. 4.9, а изобра­ жена зависимость длины зоны обратного тока 1° от гео­ метрической характеристики форсунки А , на рис. 4.9, б — от параметра (ДР0)1!. Здесь и в дальнейшем все ли­ нейные размеры отнесены к радиусу выходного сечения форсунки, перепады давления к скоростному напору, вычисленному по среднерасходной скорости истечения и0.

Сопоставление результатов измерения вращательной компоненты скорости w на срезе форсунки с данными измерений статического давления показало, что имеет место связь максимального значения вращательной сос­ тавляющей скорости w0 с разрежением АР 0:

V ЬР0 = l,38w0.

Здесь и в дальнейшем в этом параграфе все значения скорости отнесены к средней по расходу скорости исте­ чения и0.

На рис. 4.10 приведены результаты исследований че­ тырех форсунок, использовавшихся в основных опытах.

Отметим, что результаты исследования форсунок различной конструкции (споджагием,сшнековымзавихрителемит.п)., показывают, что соотношение между максимальным значе­ нием вращательной составляющей скорости и разреже­ нием на оси в плоскости выходного сечения форсунки

практически не зависит от ее конструкции. Это утверждение, по-види­ мому, справедливо в тех случаях, когда распре­ деление газодинамиче­ ских параметров на сре­ зе форсунки является близким для разных форсунок.

Анализ данных, представленных на рис. 4.9 и 4.10, показывает, что возвратное течение в струе возникает скач­

ком при интенсификации закрутки, когда максималь­ ное значение вращательной составляющей скорости на выходе из форсунки превысит значение среднерасходной скорости истечения (w0 > 1). При этом начальная про­ тяженность зоны обратного тока /° ~ 4 и далее нарас­ тает пропорционально увеличению интенсивности началь­ ной закрутки w0 в соответствии с соотношением

1° ~ 4w0.

Подробное исследование такого течения проводилось

чение начальной закрутки вызывает и более интенсивное расширение струи. Это приводит к определенным затруд­ нениям при исследовании сильно закрученных потоков течения (w0 > 2,5), так как струя начинает прилипать к элементам конструкции установки. Если в плоскости среза форсунки имеется экран (истечение из стенки), то при w0 > 2 -г- 2,3 струя может прилипнуть к нему, вследствие чего возникает пристеночное течение. Этот эффект упоминается в работе [75].

§ 2] Затопленная воздушная струя при высокой закрутке 215

3. На рис. 4.11 представлено распределение продол ной и вращательной составляющих скорости в различ­ ных сечениях закрученной струи на участке возвратного течения при w0 = 1,8. По этим и аналогичным резуль­ татам измерений можно составить общее представление о структуре осредненного течения, для чего определяются

Рис. 4.11. Распределение продольной и вращательной компонент скорости в поперечных сечениях закрученной струи при w0 = 1,8

(и0 - - и/и0, w° = w/u0).

координаты точек, где газодинамические параметры имеют некоторые характерные значения. Сюда относятся коор­

динаты границы зоны обратного тока у°0, которые опреде­ ляются из условия равенства нулю продольной состав­ ляющей скорости и, координаты ушп, где продольная составляющая скорости достигает максимума ит, коор­ динаты «полуширины» зоны смешения у°и, где и = 0,5ит, координаты у т, где достигает максимума модуль вектора скорости, и координаты у ит, где максимальна вращатель­ ная составляющая скорости w = wm. Для иллюстрации на рис. 4.12 приведены результаты определения этих параметров в струе при w0 = 1,8.

Аналогичные данные были получены и при других значениях закрутки. Их анализ показывает, что в той части струи, в которой имеется возвратное течение вдоль ее оси, максимум вращательной составляющей скорости

§ 2] Затопленная воздушная струя при высокой закрутке 217

чения связаны с координатой уит зависимостями, спра­ ведливыми при разных значениях закрутки.

На рис. 4.15 в качестве примера приведены получен­ ные в опытах профили концентрации в двух поперечных

Уши

Рис. 4.14. Положение максимума продольной скорости в закру­ ченных струях с разной начальной интенсивностью закрутки.

сечениях струи при wa = 2,15 и показано, как по про­ филям концентрации определяются геометрические ха­ рактеристики струи: координата максимума концентра ции ст, уст и характерная полуширина струи ус, кото­ рая находится из условия с = 0,5 ст. Величина Ас ха­ рактеризует провал в профиле концентрации на оси струи, вызванный переносом смеси возвратным течением.

На рис. 4.16 дано сопоставление геометрических ха­ рактеристик струи, определенных по скорости и концент­ рации при w0 = 2,15. Аналогичные данные были получе­ ны и при других значениях исходной интенсивности зак­ рутки. Они показывают, что существует определенная связь между характерными координатами профилей скорости и концентрации.

Значение координаты уст, где концентрация примеси имеет максимальное значение ст, связано с характерными

§ 2] Затопленная воздушная струя при высокой закрутке 219

координатами профиля скорости простой зависимостью

Уст Ут Уит•

На рис. 4.17 представлены опытные значения угла наклона вектора скорости в радиальной плоскости ф = arctg v/u по координате т)и = у/ут для струи с исходной закруткой w0 = 1,8. По величине угла ф и

Рис. 4.17. Зависимость угла наклона ф° вектора скорости в радиаль­ ной плоскости от координаты г]и = у/Ут в сечении х = 0,9 для струи при XV0 = 1,8.

продольной компоненте скорости и можно судить о зна­

линией, все же имеет место, и представленные соот­ ношения для величин ут и v/u являются приближенными. Положение максимума концентрации всегда на 5—7% ближе к оси струи, чем положение максимума скорости, а рекомендованное выше равенство^- уст = уитявляется приближенным.

Совокупность изложенных результатов говорит о том, что данные о положении максимума продольной скорости