5 Исследование аэродинамики свободной и полуограниченной струи

5.1. Цель работы

1. Исследовать основные параметры свободной струи: длину начального участка, угол раскрытия, распределение скоростей по сечению струи.

2. Исследовать основные параметры полуограниченной струи: углы раскрытия по длине струи, угол растекания, распределение скоростей по высоте и ширине струи.

5.2. Основные теоретические положения.

Струя называется свободной и затопленной, если она не ограничена твердыми поверхностями и распространяется в неподвижной среде, имеющей те же физические свойства, что и вещество струи. Струя называется ограниченной, если она распространяется вблизи твердых поверхностей, которые оказывают влияние на характер течения. Струя может распространяться вдоль поверхности, параллельно ее оси (полуограниченная струя); атаковать поверхность под углом, развиваться в пространстве, ограниченном твердыми стенками со всех сторон.

На рисунке 5.1 приведена схема распространения свободной затопленной струи.

Рисунок 5.1. - Схема и характеристики свободной затопленной турбулентной струи.

Струя имеет форму конуса, расширяющегося в направлении течения. При турбулентном режиме (Re > 10000) наблюдается процесс молярного переноса количества движения и других субстанций. Этот процесс обусловлен пульсационным характером турбулентного движения. В результате массообмена на границе струи с неподвижной средой последняя присоединяется к струе, ускоряется и одновременно затормаживает массу начального газа.

Участок струи L_нач от среза сопла, на котором скорость на оси струи остается неизменной (w_max=w₀=соnst) , называется начальным. За начальным участком следует основной длиной L_осн (w_max<w₀).

В струе выделяют конус первичного газа в пределах начального участка и ядро постоянной массы с углом раскрытия 2,5- 2,8°. Угол раскрытия свободной турбулентной струи составляет 18 - 26° (меньший угол соответствует струям со слабо развитой турбулентностью).

На рисунке 5.2 приведена схема полуограниченной струи, которая распространяется вдоль плоской поверхности, расположенной горизонтально. Вследствие того, что присоединение окружающей среды в струю частично ограниченно, эпюра скоростей в вертикальной плоскости становится несимметричной. Полуограниченная струя распространяется под меньшим углом в вертикальном и горизонтальном осевых сечениях (/2 и _раскр.), чем свободная струя. Непосредственно у поверхности струя растекается в результате тормозящего действия поверхности под углом большим, чем угол раскрытия свободной струи. Полуограниченная струя «стелется» вдоль поверхности, становится настильной.

Рисунок 5.2. - Схема распространения полуограниченной струи

5.4 Описание установки

Лабораторная установка (рисунок 5.3) включает вентилятор 1, трубопровод 2 с выходным соплом 3, укрепленным на штативе, пневмотрубку 4 с координатником 5, микроманометр 6, ЛАТР 6и термометр.

Рисунок 5.3 - Схема лабораторной установки для исследования аэродинамики струй :

Трубопровод с соплом, который следует устанавливать строго горизонтально, может быть расположен на различной высоте. Если сопло установить на высоте не менее 150 мм, то струя в пределах стола будет свободной. Полуограниченную струю исследовать при установке сопла в крайнем нижнем положении.

5.5 Порядок проведения работы

1. Исследование аэродинамики свободной струи:

- определить статическое давление струи. Установить пневмотрубку на срезе сопла строго по оси. Включить вентилятор. Определить величину статического давления и занести ее в журнал наблюдений.

- определить длину начального участка. Установить пневмотрубку на срезе сопла строго по оси. Включить вентилятор. Измерить скорости на оси потока через 20 мм по длине струи. Вблизи ожидаемого переходного сечения (l/d = 4 - 5) измерения производить через 10 мм. Построить график w_m = f(l), найти длину начального участка в калибрах  = L_нач./d; определить угол раскрытия. В конце начального участка струи определить границу струи (w=0), используя координатник. По полученным значениям Х и У рассчитать угол раскрытия;

- распределение скорости по сечению струи определить при удалении пневмотрубки от сопла (Х = 150 - 200 мм) в горизонтальном осевом сечении (измерения производить через 10 мм по разные стороны от оси сопла). В этом же сечении исследовать профиль скоростей в вертикальном осевом сечении (измерения через 10 мм) для сравнения с профилем скоростей полуограниченной струи. Построить эпюры скоростей по экспериментальным данным и по формулам Г.Н. Абрамовича;

- измерить температуру струи и барометрическое давление в начале и конце эксперимента.

2. Исследование аэродинамики полуограниченной струи:

- измерить скорости и построить профили скоростей в трех сечениях струи на расстоянии Х= 100 - 120 мм от сопла (участок свободной струи), на расстоянии 200- 250 и ~350 мм (участок полуограниченной струи). В первом сечении исследовать профиль скоростей в вертикально-осевом сечении; во втором и третьем сечениях - исследовать профиль скоростей в вертикально-осевом сечении и границы струи (w = 0) в горизонтально- осевом сечении и в непосредственной близости от поверхности стола;

- построить эпюры скоростей в вертикальном направлении в трех исследованных сечениях;

- рассчитать углы раскрытия и растекания струи. Вычертить контуры струи по экспериментальным данным;

- сравнить (совместить на одном графике) профили скоростей в свободной и ограниченной струях в сечении на расстоянии Х = 350 мм.

Таблица 5.1 - Определение длины начального участка

Х, мм	pдин, мм вод.ст.		w, м/с
0
20
40
...
...
...
Температура в струе, оС:
в начале опыта		в конце опыта
Барометрическое давление В, мм рт. ст.
Статическое давление струи на срезе сопла Рст, мм. в.ст.
Границы свободной струи исследуются на расстоянии Х, мм
скорость w = 0 наблюдается на расстоянии:
в горизонтальном сечении, мм:
Y1		Y2
в вертикальном сечении, мм:
Y1		Y2

Таблица 5.2 - Исследование профиля скоростей в свободной струе

В горизонтальном направлении				В вертикальном направлении
Y, мм	Рдин		w, м/с	Y, мм	Рдин		w, м/с
Влево от оси				Вверх от оси
40				40
30				30
20				20
10				10
0				0
Вправо от оси				Вниз от оси
10				10
20				20
30				30
40				40

Таблица 5.3 - Профиль скоростей в полуограниченной струе

Сечение 1 (Х= мм)				Сечение 2 (Х= мм)				Сечение 3 (Х= мм)
Y, мм	Рдин		w, м/с	Y, мм	Рдин		w, м/с	Y, мм	Рдин		w, м/с
Вверх от оси				Вверх от оси				Вверх от оси
50				50				40
40				40				30
30				30				20
20				20				10
10				10				5
5				5				0
0				0
Вниз от оси				Вниз от оси				Вниз от оси
5				5				5
10				10				10
15				15				15
20				20				20
25				25				25
40				35				30
45				40				35
50				45
Границы полуограниченной струи:
в сечении 2:
в вертикальном направлении (вверх от оси) Y1, мм
в горизонтальном направлении (влево от оси) Y2, мм
в горизонтальном направлении (вправо от оси) Y3, мм
в горизонтальном направлении вблизи от поверхности (влево от оси) Y4, мм
в горизонтальном направлении вблизи от поверхности (вправо от оси) Y5, мм
в сечении 3:
в вертикальном направлении (вверх от оси) Y1, мм
в горизонтальном направлении (влево от оси) Y2, мм
в горизонтальном направлении (вправо от оси) Y3, мм
в горизонтальном направлении вблизи от поверхности (влево от оси) Y4, мм
в горизонтальном направлении вблизи от поверхности (вправо от оси) Y5, мм

5.6 Обработка экспериментальных данных

1. Расчет скорости по динамическому давлению производится по формуле Дарси-Вейсбаха:

В этой формуле выделить часть, которая может считаться постоянной для неизменных условии эксперимента:

.

где  - плотность воздуха;

t - средняя за время опыта температура струи;

В - барометрическое давление, кПа;

Р_ст - избыточное статическое давление в струе.

Тогда:

2. Расчет угла раскрытия струи ведется по измеренным величинам Х и R,

где Х - расстояние между двумя сечениями струи;

R - расстояние от оси до границы струи (радиус), для свободной струи:

R = (Y₁+Y₂+Y₃+Y₄)/4;

для полуограниченной струи:

в вертикальном направлении R=Y₁;

в горизонтальном направлении R=(Y₂+Y₃)/2;

у поверхности R=(Y₄+Y₅)/2

Тангенс половины угла раскрытия:

где г₁ и г₂ - радиус струи в сечениях 1 и 2 находящихся на расстоянии X.

3. Построение эпюр скоростей и контуров в струи выполнить на миллиметровой бумаге в масштабе 1:2.

4. Расчет скоростей по формуле Г.Н. Абрамовича:

где R - радиус струи в этом сечении;

W_m - скорость на оси струи;

W_у - скорость в точке на расстоянии Y от оси;

Y - расстояние от оси до данной точки сечения.

5.7 Указания к составлению отчета.

Отчет должен содержать краткие теоретические положения; описание и схему установки; журнал наблюдений; расчеты скоростей (в соответствующих графах журнала наблюдений); график изменения осевой скорости по длине струи и расчет длины начального участка «В» в калибрах; расчет угла раскрытия свободной струи; расчет углов раскрытия полуограниченной струи в вертикальном и горизонтальном направлениях и угла растекания по поверхности; контуры полуограниченной струи; эпюры скоростей в трех сечениях полуограниченной струи в вертикальном направлении; контуры полуограниченной струи в вертикально- продольном сечении в плане; совместное изображение эпюр скоростей в сечении Х - 200 мм для свободной и полуограниченной струи, выводы по полученным результатам.