6.6. Свободные струи жидкости

Свободными струями жидкости называют поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками. Свободные струи могут быть незатопленными или затопленными.

Затопленной свободной струей называется струя, вытекающая в жидкость той же плотности или очень близкой, что и сама струя.

К незатопленным струям относят струи жидкости, попадающие в среду другой жидкости с существенно меньшей плотностью или в газовую среду.

Затопленные свободные турбулентные струи

Струя жидкости, вытекающая из насадка в жидкую среду одинаковой плотности, постепенно расширяясь, за какое-то время рассеивается в жидкости. Струя имеет, как показали опыты, поверхность раздела, т.е. внешнюю границу, которая отделяет окружающую жидкость от струи. Скорости истечения из насадка достаточно большие, поэтому струя является турбулентной струей, в которой имеет место пульсация скоростей и давлений. За счет поперечных пульсационных скоростей по отношению к границе и струе осуществляется интенсивный обмен частицами между окружающей жидкостью и непосредственно струей. В результате этого происходит обмен количеством движения, струя, расширяясь, увлекает за собой частицы жидкости из окружающей среды, увеличивая свою массу, при этом скорость ее уменьшается. Слой жидкости, в котором происходит перемешивание основной массы струи и окружающей ее неподвижной массы, называется турбулентным слоем (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Схема свободной турбулентной струи: 1 - полюс струи; 2 - насадок;

3 - ядро струи; 4 - пограничный турбулентный слой

Точка пересечения внешней границы О, очерченной прямыми линиями, называется полюсом струи. Полюс струи (точка О) находится на расстоянии от плоскости входного отверстия насадка.

Согласно исследованиям Г. Абрамовича для круглой трубы полюс струи

, (6.57)

где - радиус насадка; - коэффициент структуры турбулентной струи.

Для круглой струи принимается .

За выходным сечением насадка, т.е. начальным сечением струи, располагается ее начальный участок с ядром струи. Ядро струи в пределах этого участка постепенно сужается. В ядре струи скорости во всех точках по длине постоянны и можно считать, что они будут равны скорости истечения из насадка .

Длина начального участка , по данным Г. Абрамовича, для круглой струи

. (6.58)

На конце ядра струи находится переходное сечение, за которым начинается основной участок турбулентной струи. По мере увеличения поперечного сечения струи скорость при приближении к границам струи уменьшается, а на границе скорость .

Расширение зависит от интенсивности турбулентности и формы струи. Согласно опытным данным тангенс угла, равного половине угла расширения, для круглой струи

. (6.59)

Скорость на оси основного участка струи, по Г. Абрамовичу,

, (6.60)

где х - расстояние от выходного отверстия насадка до рассматриваемого сечения струи.

Расход на основном участке круглой струи можно определить по формуле

, (6.61)

где - расход истечения из насадка, .

Незатопленные свободные струи

Скорость истечения из насадка в газовую среду, как правило, достаточно большая, а направление струи может быть наклонным или ненаклонным. Опыты показали, что незатопленная струя разделяется на три структурные части: компактную, раздробленную и распыленную.

Компактная часть возникает на сравнительно большой длине от выходного отверстия насадка. В этой части сохраняется близкая к цилиндрической форма струи при сохранении сплошности потока. Затем струя начинает расширяться и насыщаться воздухом (газом), и в результате происходит ее дробление на отдельные части. Этот участок относится к раздробленной части струи. Распыленная часть струи образуется в результате распада на отдельные крупные частицы, т.е. капли (рис. 6.18). В зависимости от предназначения использования струи в инженерных целях струи подразделяются: на гидромониторные, пожарные, дождевальные, фонтанные. В каждом из этих случаев предъявляются свои особенные требования.

Рис. 6.18. Структурные части незатопленной струи:

1 - компактная часть; 2 - раздробленная часть; 3 - распыленная часть

Гидромониторные струи предназначаются для разрушения массива грунта, гидроотбоя угля, разрыхления осадков сточных вод и т.д. Для формирования струи воды и управления ею служат гидромониторы. Гидромониторная струя должна иметь компактную часть предельно возможной длины при создании максимального динамического воздействия на грунт или какую-то другую поверхность. Ствол гидромонитора, его форма, шероховатость поверхности должны обеспечить понижение интенсивности турбулентности потока воды на выходе из его выходного отверстия (рис. 6.19).

Длина компактного участка, обеспечивающая разработку грунтов, может быть вычислена по эмпирической формуле

. (⁶-⁶²)

где - угол наклона оси ствола гидромонитора к горизонту, град; - диаметр выходного отверстия ствола, мм; Н - напор воды на выходе из гидромонитора, м.

Рис. 6.19. Гидромониторная струя: 1 - ствол; 2 - компактная часть струи

Граничные условия применения формулы:

; мм;м.

Пожарные струи должны обеспечить достаточно большой радиус действия при пожаротушении со значительно большим динамическим давлением на их конце. Пожарные струи подразделяют на вертикальные и наклонные.

На рис. 6.20 показана схема вертикальной струи. Струя вытекает из насадка диаметром при напоре на выходе Н. Высота вертикальной струи , компактная часть струи имеет высоту , при этом .

Потери напора на преодоление сопротивлений при движении струи в воздухе

. (6.63)

Согласно проведенным исследованиям потери напора можно выразить следующей зависимостью:

, (6.64)

где - коэффициент сопротивления.

При истечении жидкости из насадка скорость на выходе

.

Рис. 6.20. Вертикальная струя

Подставив в (6.64), получим

. (6.65)

Тогда высота струи

. (6.66)

Обозначим .

. (6.67)

Коэффициент может определяться по следующей эмпирической формуле при коэффициенте скорости:

. (6.68)

При наклоне насадка к горизонту конец струи будет описывать некоторую кривую, радиус которой будет увеличиваться с уменьшением угла наклона (рис. 6.21).

Рис. 6.21. Радиус действия струи: R_к - радиус компактной части; R_р - радиус распыления

Радиус действия компактной части R_к струи при различных углах наклона практически не изменится, можно принять R_кН_к.