книги / Турбулентное смешение газовых струй

Эмпирическая формула, устанавливающая связь меж­ ду максимальным значением вращательной составляющей скорости wmи разрежением на оси струи АРа, имеет вид

У Ж =К (х°)тт.

Величина К изменяется по х° от 1,38 насрезе фор­

сунки до К ж Yk æ 1,25 при х° > 5. Эта формула хо­ рошо согласуется с соотношением (4.8).

§ 3. Особенности распространения двухкомпонентной закручепной струи

1. Закручивание потоков широко используется в то­ почных устройствах и камерах сгорания с целью ин­ тенсификации процесса горения.

В камеру сгорания или топку подаются два компо­ нента: горючее и окислитель. Они могут подаваться в виде смеси или раздельно. Распространенным приемом при раздельной подаче компонентов является примене­ ние специальных двухкомпонентных форсунок. Обычно это форсунки с коаксиальной подачей, которые состоят из центрального и наружного каналов. Поток, вытекаю­ щий из таких форсунок, образует составную струю, сос­ тоящую из центральной и, охватывающей ее, наружной струй. Закономерности распространения центральной струи вблизи форсунки в этом случае аналогичны зако­ номерностям распространения струи в спутном потоке.

Большее распространение имеют форсунки с закрут­ кой в центральном канале. Истечение из такой форсунки в определенной мере соответствует распространению зак­ рученной струи в спутном потоке.

Закономерности распространения двухкомпонентной закрученной струи зависят от большого числа различных условий (конструктивных особенностей форсунки, ин­ тенсивности закрутки) и параметров потоков (их плот­ ности и скорости). Исследование распространения зак­ рученной струи в спутномпотоке позволило бы получить только качественные представления об указанном тече­ нии. В связи с этим представляется целесообразным определить основные особенности распространения за­ крученной струи, сформированной двумя потоками раз-9

9 Г. Н. Абрамович и др.

личной плотности и скорости] при их истечении из двухкомпонентной форсунки.

2. В опытах использовалась форсунка, схема кото­ рой близка к однокомпопентной 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 А ~ 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, образованиеобратного 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 р2). Режим истечения устанавливался по расходу газов, из­ мерявшемуся при помощи мерных диафрагм с точностью ±5%. По этим расходам определялись среднерасходные скорости истечения: и0 —для центрального и их — для наружного каналов. В опытах варьировались два

основных параметра истечения: т = uju0 и п = pi/p0-

Вбольшинствеопытовзначениеи0 составляло5-г-10м/сек;

вопытах с гелием —и0 = 10 -н 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. Наличие на оси струи зоны возвратного течения с относительной протяженностью I ~ 4 ч- 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 приАwo » 1,6.

рис. 4.36 в условном масштабе показан профиль объем­ ной концентрации к фреона-12 в воздухе при т = 0 в сечении, отстоящем от среза форсунки на х° ~ 0,5. По профилю концентрации газового компонента, вытекаю­ щего из центрального канала, определялось расстояние L = 2уст между максимумами объемной концентрации кт в данном поперечномсечениии уголрассеиванияструи а = arctg К, где К = dL/dx. Половинарасстояния меж­ дуточками, гден = 0,5 кт, принималась за характерную толщину струи Ь.

Протяженность зоны обратного тока определялась Т-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 (m = 0) для близких значенийчисла Рейнольдсаистечения приведены

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

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

каналам.

где изображено изменение максимальной объемной кон­ центрации фреона-12кт вдоль струи. При х° < 4, ког­ да зависимость хт (х°) определяется смешением цент­ ральной струи с наружной, падение хт происходит бо­ лее интенсивно при 02 = 0. При больших значениях х° интенсивнее затухает концентрация в случае более вы­ сокой суммарной закрутки (02 = 30°). Этот эффект при х° ;> 12 сказывается не только на интенсивности паде­

ния концентрации ]Лст, но и на величине последней.

6. Совокупность изложенныхэкспериментальных дан­ 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 b0f угла расширения К0 и длины зоны

обратных токов lQпри т = 0. Эти параметры для раз­ 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

измерений можно определить зависимость максимальной концентрации компонента, вытекающего через централь­ ный канал, от продольной координаты.

закруток приведены в предыдущем параграфе. В случае двухкомпонентной струи (т =f= 0) удаетсяполучить удов­ летворительное обобщение данных об уменьшении массо­ вой концентрации ст вдоль оси струи при т = var и п = var для двухкомпонентной форсунки. Различные