книги из ГПНТБ / Турбулентное смешение газовых струй

242 Турбулентные закрученные струи [гл. IV

личной плотности и скорости при их истечении из двухкомпонентной форсунки.

2. В опытах использовалась форсунка, схема кото рой близка к однокомпонентной форсунке, изображенной на рис. 4.1. Двухкомпонентная форсунка имела два ци­ линдрических соосных канала диаметром 9,5 и 19 мм.

Толщина кромки центрального канала составляла 1 мм. Газ, подводимый к центральному каналу, закру­ чивался, проходя через тангенциальные отверстия в пилонах, расположенных между стенками каналов фор­ сунки. Центральный канал представлял собой центробеж­ ную форсунку с геометрической характеристикой Л ~ 2 [96]. Закрученная струя, распространявшаяся из цент­ рального канала, имела интенсивность начальной зак­ рутки w0 ~ 1,6. Здесь w0 = wm/u0, где и0 — средне­ расходная скорость истечения через центральный канал, wm — максимальное значение вращательной компоненты скорости на его срезе.

Центробежная форсунка удобнее шнековых или ло­ паточных завихрителей, потому что истекающая из нее струя свободна от влияния загромождений, создавае­ мых лопатками, и все особенности течения в ней (рас­ ширение струи, образование обратного тока и т. п.) обус­ ловлены только сообщаемой потоку закруткой.

Форсунка устанавливалась в открытом пространстве.

Вее центральный канал подавались газы различной плотности р0: гелий, воздух, углекислый газ и фреон-12.

Внаружный канал подавался воздух (плотность рх). Режим истечения устанавливался по расходу газов, из­ мерявшемуся при помощи мерных диафрагм с точностью

±5 % . По этим расходам определялись среднерасход­ ные скорости истечения: и0 — для центрального и их — для наружного каналов. В опытах варьировались два

основных параметра истечения: т = щ/щ и п — рх/р0. В большинстве опытов значение и0составляло 5 ч- 10 м/сек; в опытах с гелием — и 0 = 10 - г - 40 м/сек.

Геометрические характеристики течения определя­ лись по профилям концентрации и длине зоны обратного тока. Методика этих измерений описана в § 2 настоящей главы. Картина течения при использовании газов раз­ личной плотности визуализировалась с помощью при­ бора Тендера.

§ 3] Распространение двухкомпонентной закрученной струи 243

3. Наличие на оси струи зоны возвратного течения относительной протяженностью I ~ 4 -г- 8 (здесь и в дальнейшем все линейные размеры отнесены к радиусу центрального канала R) приводит к появлению «провала» в профиле концентрации на оси струи. Для примера на

Рис. 4.36. Характерная ширина затопленной закрученной струи при wo ж 1,6.

рис. 4.36 в условном масштабе показан профиль объем­ ной концентрации х фреона-12 в воздухе при т = 0 в сечении, отстоящем от среза форсунки на х° ~ 0,5. По профилю концентрации газового компонента, вытекаю­

х т в данном поперечном сечении и угол рассеивания струи

Г-образным пневмометрическим насадком по расстоя­ нию до точки, в которой фиксировалась нулевая про­ дольная скорость на оси струи.

Шлирен-фотографии картины течения при истечении из центрального канала фреона-12 и гелия (т = 0) для близких значений числа Рейнольдса истечения приведены

висят от относительной плотности п), в отличие от незакрученной затопленной турбулентной струи, расши рение которой на начальном участке сильно зависит от параметра п [100, 101] (см. также гл. I). Таким образом,

Рис. 4.38. Значения относительной ширины закрученной струи и относительного угла распиливания К* при различных соотноше­ ниях скоростных напоров потоков на срезе форсунки.

следует ожидать, что изменение геометрии сильно зак­ рученной струи при наличии спутного потока связано в первую очередь с силовым взаимодействием струи и потока. Параметром такого взаимодействия является отношение скоростных напоров потоков. По этому пара­

щегося в окрестности оси струи вблизи среза форсунки, зависит от отношения плотностей п. Так, в опытах для

Из этих опытов следует, что для длины зоны обрат­ ных токов вне форсунки при т = О приближенно вы­ полняется следующая зависимость:

наружном канале. При этом использовалась двухкомпо­ нентная шнековая форсунка с углами установки шнеков 0! = 30°, 0 2 = 30° и 0 2 = 0 соответственно для цент­ рального и наружного канала, с последующим двукрат­ ным поджатием по площади для обоих каналов. Опыты проводились при п = 0,24 и т ~ 1 , 2 .

Закручивание наружного потока в ту же сторону, что и внутреннего, приводит к уменьшению их взаим­ ного смешения (уменьшается характерная разность ско-^ ростей). С другой стороны, наружный и центральный

§ 3] Распространение" двухкомпопентной закрученной струи 247

потоки образуют коаксиальную струю, которая тем ин­ тенсивнее смешивается с окружающей средой, чем больше суммарная закрутка потоков. Указанные эффекты объяс­ няют результаты опытов, представленных на рис. 4.40,

Рис. 4.40. Затухание объемной концентрации фреона-12 в двухкомпонентной струе с закруткой по обоим или одному

каналам.

где изображено изменение максимальной объемной кон­

интенсивнее затухает концентрация в случае более вы­

ных позволяет представить в общих чертах характерные особенности распространения закрученной струи в ох­ ватывающем ее потоке иной плотности и скорости. Пос­ кольку удается получить обобщение данных о структуре струи, выражая их через соответствующие опорные зна­ чения при т = 0, можно ожидать, что такие зависимо­ сти справедливы для форсунок несколько иной конструк­ ции и с другой интенсивностью закрутки.

В качестве опорных используются обобщенные зави­ симости рис. 4.38 и 4.39, в которых влияние конструк­ тивных параметров выражено через характерные значе­ ния ширины струи Ьа, угла расширения К 0 и длины зоны

ной интенсивности закрутки могут быть определены по данным предыдущего параграфа.

Можно также ожидать, что указанные зависимости удовлетворительно описывают геометрию закрученной струи в безграничном спутном потоке иной скорости и плотности. Это связано с тем, что рассматриваемые ха­ рактеристики течения относятся прежде всего к области течения в непосредственной близости от форсунки.

При описании струйного течения наряду с геометри­ ческими характеристиками течения требуются данные о

Рис. 4.41. Зависимость максимального зпачения массовой концен­ трации компонента, вытекающего из центрального канала от рас­ ходного комплекса тпх° (и>0 = 1,6).

распределении характерных газодинамических пара­ метров вдоль по потоку [1]. На основании результатов измерений можно определить зависимость максимальной концентрации компонента, вытекающего через централь­

закруток приведены в предыдущем параграфе. В случае двухкомпонентной струи (т =j= 0) удается получить удов­

§ 4] Расчет неавтомодельного течения в закрученной струе 249

способы обработки результатов измерений показали, что обобщение закономерностей ст = / (х°) при тп > 0,5 достигается при использовании расходного комплекса тпх° (рис. 4.41). Использование в данном случае пара­ метра тп, в то время как расширение струи в основном определяется значением комплекса тп1'*, связано с от­ сутствием подобия профилей газодинамических пара­ метров, и, следовательно, их существенной перестройкой на рассматриваемом участке течения.

Результаты измерений при mn<i 0,5 показывают, что закономерность изменения максимальной концент­ рации вдоль струи ст (х) практически не зависит от па­ раметра т, т. е. справедливы данные для т = 0. Учет влияния параметра п на характеристики затопленной

§ 4. Расчет неавтомодельного течения

взакрученной струе

1.Результаты экспериментальных исследований, из ложенные в §§ 1—3 настоящей главы, показывают, что закрученные струи близки по своим свойствам к обычным турбулентным струям. Для их расчета [1, 9] использу­ ются уравнения движения в приближении пограничного слоя.

Данные §§ 1 и 2 показывают также, что для закру­ ченной струи соотношения, полученные в рамках теории пограничного слоя, как правило, выполняются с дос­ таточной точностью.

Течение в закрученной струе имеет сложный неавто­ модельный характер, в связи с чем представляется есте­

ственным использовать для расчета численные методы ин­ тегрирования уравнений движения, аналогичные тем, которые использованы в работах [58, 67] для описания неавтомодельного течения в обычных струях. Ниже из­ лагаются результаты расчетов течения в сильно закру­ ченной струе за зоной обратных токов.

Если пренебречь влиянием пульсаций скорости на изменение давления, то уравнения движения для осесим­ метричного несжимаемого турбулентного течения в приб­ лижении пограничного слоя и с учетом соотношения