книги / Турбулентное смешение газовых струй

струи (рис. 1.12), которая существенно зависит от плотно­ стей потоков при всех значениях параметра тл.

Необходимо отметить, чтопредставленныеданные о гео­ метрических характеристиках зоны смешения носят в пер­ вую очередь качественный характер и на количественную точность могут претендовать только в том случае, если

Рис. 1.14. Зависимость коэффициента нарастания толщины зоны

смешения b от относительной плотности вещества окружающей среды п.

учесть влияние условий истечения (пограничные слои, число Рейнольдса, начальные характеристики турбулент­ ности), а также условность выбранных границ зоны

смешения и, следовательно, профилей соответствующих параметров.

Можно предположить, что при наличии на срезе сопла невозмущенных потоков без пограничных слоев при ра­ венстве их скоростей (т = 1) смешение не происходит. В этом случае, по-видимому, обращаются в пуль харак­ терная ширина зоны смешения Ъ° и интенсивность ее на­

растания Ь, а протяженность певозмущепного ядра Ь° становится неограниченной (все это с точностью до эф­ фектов молекулярного смешепия и аналогичного турбу­ лентного диффузионного переноса). Сопоставление дан­ ных по интенсивности нарастания зоны смешения

Ъ= уг —у2 для различных сопел (рис. 1.11) показы­ вает, что отклонение от этой гипотетической картинытече­ ния при т —1, имевшее место в опытах, в основном свя­ зано с наличием значительных пограничных слоев на

срезе соплового устройства; чем больше относительная толщина пограничного слоя, тем больше проявляется его влияние в начальном участке струп. Турбулентность исходного течения, как правило, в меньшей степени ска­ зывается на характеристиках струи, за исключением тех случаев, когда предпринимаются специальные меры для получения высокой турбулизации исходных потоков.

Более детально влияние условий истечения на харак­ теристики струи рассматривается в гл. III. Здесь отметим лишь, что полученные в опытах данные по интенсивности нарастания ширины зоны смешения и протяженности «невозмущеиного» ядра струи при отклонении параметра т от нулевого значения носят в основном качественный характер и обуславливаются конструктивными особен­ ностями использованных сопловых устройств.

В таких условиях наиболее объективной характери­ стикой, определявшейся в опытах, можно считать взаим­ ное расположение профилей, которое видно из таблицы 1.2 и рис. 1.9 (на котором все профили изображены в виде зависимостей от тепловой координаты £т). Ширина тепло­ вой зоны смешения в соответствии с рис. 1.10 можетбыть найдена с помощью соотношений из таблицы 1.3.

Таблица 1.3

п 0,27 1,25 5,5-7-8,2

ь°/ь*т 2,12 2,1 2,3

Для иллюстрации на рис. 1.15 изображена зависи­ мость относительной ширины тепловой зоны смешения Ът = bTUR, определенной по координатам точек, в кото­ рых АТ° = 0,8 и АТ° = 0,2 от продольной координаты х° = xIR. Эти данные использовались при построении зависимостей рис. 1.13 (с учетом коэффициентов, приве­ денныхв таблице 1.3). Рис. 1.15 показывает, что предполо­ жение о прямолинейности грапнц зоны смешения выпол­ няется достаточно хорошо. Но нужно отметить, что в опы­ тах наблюдалось и некоторое искривление границ, свя­ занное, по-видимому, с наличием пограничных слоев в начальном сечении, а также с тем, что в конце начального

2 Г, Н, Абрамович и др.

Рис. 1.15. Изменение характерной толщины тепловой зоны сме­ шения bj, по длине струи газа, распространяющейся в воздухе при Jп = var: а) п = 0,27; б) п = 1,3; в) п = 5,5 8,2.

участка сказывается осесимметричность течения. Были проведены аналогичные исследования течения при сме­ шении двух плоскопараллельных потоков, вытекав­ ших из прямоугольных сопловых устройств размером 100 х 50 мм и разделенных стенкой с тонкой выходной кромкой. Ввиду того, что при этом не удалось осущест­ вить достаточно хороших условий истечения, которые ха­ рактеризуются тонким пограничным слоем, низкой интен­ сивностью пульсаций скорости, достаточной равномер­ ностью распределения скорости па выходе, результаты

âu°,x.AT°

111

Ч ] к

%ЬжО*

О 0,1 0.2 0.3 0$ 0.5 0,6 0,7 0.8 0,9 ÿ

Рис. '1.16. Взаимное расположение профилей относительных избыточных параметров (плоская модель), п = 0,27.

измерений не дали возможности проследить за влиянием параметров т и п в достаточно широких пределах. Было отмечено только качественное соответствие изменения гео­ метрических характеристик при варьировании отношения

скоростей и плотностей: уменьшение Ь при стремлении т

к единице и увеличение Ь сростом п при т < 1. Измерен­ ные распределения параметров в поперечных сечениях плоской зоны смешения обладают теми же свойствами, что и в случае начального участка осесимметричной

с прямоугольными соплами тепловые пограничные слои быливесьма велики, относительные избыточныепараметры изображены в виде зависимости от координаты, опреде­ лявшейся по профилю объемной концентрации. Хотя

разброс экспериментальных точек велик, получено удов­ летворительное соответствие с данными рис. 1.9 и 1.10 для осесимметричных потоков.

Такое совпадение является естественным, если вспом­ нить, что существенного различия между условиями истечения в случае осесимметричного и плоского течения не было; методика обработки измерений базировалась на том, что плоский слой смешения реализуется в обоих случаях течения при не очень больших удалениях от сопла.

§ 3. Экспериментальное исследование переходного

иосновного участков турбулентных струй

1.Как уже указывалось в § 2, в турбулентной струе имеется три различных участка, называемых обычно на­ чальным, переходным и основным. Начальный участок состоит из невозмущенного по осредненным параметрам ядра, заключенного в случае осесимметричного течения

вкольцевую зону смешения с расходящимися границами. Пересечение внутренних границ этой зоны с осью струи соответствует концу начального участка и началу пере­ ходного, в котором течение испытывает некоторую пере­ стройку, за ним следует основной участок струи. В пере­ ходном и основном участках происходит интенсивное

в случае пф 1, непрерывное изменение взаимного рас­ положения профилей. Совместное исследование законо­ мерностей распространения струй в начальном и основ­ ном участках позволяет установить более или менее полную картину течения. В описываемых здесь опытах специальных исследований особенностей течения при пе­ реходе отначального участка к основномуне проводилось. Поэтомув дальнейшем всю область струи, расположенную за начальнымучастком, мы будем для простоты называть основным.

В опытах использовалась модель с сопловыми устрой­ ствами, описанными в предыдущем параграфе. В боль­ шинстве случаев изучалась струя, вытекавшая из сопла диаметром 20 м , в части опытов использовалось сопло диаметром 50 мм. При моделировании течения струи в не­

возмущенном спутном потоке использовалась цилиндри­ ческая рабочая камера с внутренним диаметром 150 мм, стыковавшаяся с наружным соплом модели. Исключение составляли лишь опыты с затопленными струями (т = 0) и некоторые специальные опыты, при которых цилиндри­ ческая камера не использовалась и осуществлялось исте­ чение в атмосферу.

j 2. Описание результатов измерения осредненных па­ раметров потока в основном участке осесимметричной струи можно свести, как это было сделано для начального участка, к построению профилей относительных избыточ­ ных значений скорости Ди°, температуры АТ° и объемной концентрации к° по безразмерному радиусу (относитель­ ная избыточная величина параметра А определяется как ДЛ° = (А —А2) / (Лтч—А2), где индекс m относится к оси струи); к определению законов изменения характер­ ного линейного масштаба и характерного масштаба рас­ сматриваемого газодинамического параметра (например,

Awm== (ит — —и2)) с расстоянием и к выяв­ лению влияния основных режимных параметров m и п на этизакономерности. При обработке результатов измере­ ний используются две координаты: продольная х, отсчи­ тываемая от среза сопла, и поперечная у, отсчитываемая от оси струи. Обычно эти координаты даются в безразмер­ ном виде1: х° = x/R и т/° = y/R, где R —радиус централь­ ного сопла.

Измерения в газовомпотоке осуществлялисьс помощью подвижной системы датчиков давления, температуры и концентрации в фиксированных сечениях струп. Для примера результаты некоторых из этих измерений во фреоновой, воздушной и гелиевой струях, распростра­ няющихся в воздухе, изображены на рис. 1.17. По осп абсцисс отложена поперечная координата у лш, по осп ординат измеренные величины температуры t° С, скорост­ ного напора Р0 кПм3 и объемной концентрациик. Указан­ ные на рисунке номера опытов соответствуют режимным параметрам, представленным в таблице 1.4. Эта таблица дает представление об объеме проведенных исследований основного участка струи.

Обработка результатов измерений показала, что эк­ спериментальные профили Лгг°, АТ°, к° носят типичный струйный характер, имеют точку перегиба в срединной

Рис. 1.17. Профили полного давления, температуры и объемной концентрации в поперечных сечениях струи, а) Опыт 3, х = 340 мм\ Ф) опыт 9, х = 700 мм; в) опыт 11, х = 40 мм.

части и с увеличением расстояния от сопла становятся все шире, указывая на рост толщины струи. Вблизи гра­ ниц струп, где значения избыточных параметров стремят­ ся к нулю, профили становятся очень пологими, а это обстоятельство затрудняет определение границ струи, которые устанавливались так же, как и для начального участка, из условия, что зпачепие параметра па самом крайнем профиле отличается от пулевого не более чем на 0,01.

" При анализе опытных данных для начального участка струи было отмечено, что при обработке в так называемых

собственных координатах профили типа AAi оказы­ ваются практически не зависящимиот обоих определяю­ щих параметров течения т и п (чего не наблюдается при построении этих профилей по обобщенной координате ц). Более того, профили различных газодинамических параметров приобработкевтакойформевесьма слабо отли­ чаются друг от друга и приближенно могут быть описаны единой зависимостью. Так же как и для начального участ­ ка, была предпринята попытка проследить за влиянием параметров т и п на взаимное расположение профилей

восновном участке. Для этого профили изображались

ввиде зависимостей относительных избыточных парамет­

в данном сечении). Взаимное положение профилей харак­ теризуется коэффициентами растяжения puT = yJyT и

Рхт = yJyr> Выявить раздельное влияние параметров /и, пух°у а также mt и щ —отношений текущего значения скоростииплотностинаружного потока к скорости и плот­ ности на оси —в принципе, определяющих вид профилей в собственных координатах, пе удалось. Причиной этого может быть как недостаточная точность измерений, так и практическая невозможность постановки опытов, при ко­ торых варьировался бы лишь один из указанных пяти параметров. На рис. 1.18 изображены зависимости отно­ сительных избыточных величии скорости, объемной кон­ центрации и температуры от собственных координат, полученные в результате обработки измерений за преде­ лами начального участка по всем опытам, указанным