Понятия о свободных струях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Восточно-казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева

Факультет информационных технологий и энергетики

РЕФЕРАТ на тему:

"Понятия о свободных струях"

Г. Усть-Каменогорск

2006 г.

Понятия о свободных струях

Свободной струей жидкости называется поток, не ограниченный твёрдыми стенками. Различают затопленные и незатопленные свободные струи.

Затопленной свободной струей жидкости называется струя, окружённая жидкостью. Примером затопленной струи может являться водяная струя, выпускаемая в воду, например для взмучивания отложившихся наносов и т.п.

Незатопленной свободной струей жидкости называется струя, окруженная газом, в частности воздушной средой. К незатопленным свободным струям относятся водяные струи, выпускаемые в воздушное пространство: пожарные, фонтанные струи, получаемые при помощи дождевальных аппаратов и гидромониторов, и т. п.

Свободные струи могут быть ламинарными и турбулентными. В практике чаще приходится иметь дело с турбулентными струями (затопленными и незатопленными). Ниже, не излагая имеющейся теории сводных турбулентных струй, приведём только некоторые общие сведения из этой области, а также поясним наиболее важные расчетные зависимости, относящиеся к затопленным турбулентным струям.

1. Затопленная свободная турбулентная струя

Струя, попадая в массу окружающей её жидкости, постепенно расширяется и, в конечном счете, рассеивается в жидкости. Рассматривая такую струю, мы должны различать её границу, т.е. поверхность раздела, отделяющую саму струю от окружающей её жидкости.

В связи с наличием поперечных по отношению к поверхности раздела пульсационных скоростей будет происходить постоянный обмен частицами жидкости между струей и окружающей её средой. Сама среда, окружающая струю, должна рассматриваться как водоворотная (вальцовая, циркуляционная) область с постепенно затухающими - по мере удаления от струи - отдельными водоворотами. Такую водоворотную зону, разумеется, можно себе представить соответствующими линиями тока, относящимися к осредненному потоку. Напомним, что осредненное движение жидкости в водоворотных областях, как было указано, обусловливается поперечной диффузией механической энергии.

Структура затопленной свободной струи

Начало струи совпадает с выходным сечением трубы или насадка. Это выходное сечение называют здесь начальным сечением струи. На протяжении от начального сечения до так называемого переходного сечения имеется ядро струи, или ядро постоянных скоростей. Во всех точках этой области скорости можно считать одинаковыми. Как показывает опыт, ядро ограничено с боков практически прямыми линиями. Эти прямые линии отделяют ядро от окружающего его, так называемого турбулентного струйного пограничного слоя, в пределах которого скорости изменяются.

В переходном сечении, где заканчивается "размыв" ядра постоянных скоростей, обе части струйного пограничного слоя сливаются. Если до переходного сечения скорость по оси струи постоянна, то, начиная от. переходного сечения, эта скорость вдоль оси потока падает.

Участок струи между выходным и переходным сечениями называется начальным участком струи. Остальная часть струи называется основным участком.

Считают, что внешние границы струйного турбулентного пограничного слоя очерчены прямыми линиями, проходящими через кромки насадка. Точка 0 пересечения этих прямых называется полюсом струи.

Соответствующие исследования показали, что размеры эпюр осредненных скоростей, построенных для плоских живых сечений струи, связаны между собой относительно простыми зависимостями. Эти же исследования привели также к выводу, что в случае равномерной эпюры скоростей в выходном сечении гидродинамическое давление в струе практически равно давлению в окружающей среде.

Практический интерес представляют следующие величины, определяющие изучаемую струю: расстояние х₀, дающее положение полюса струи; длина х_н начального участка; угол б, равный половине угла расхождения прямолинейных лучей, ограничивающих струю; радиус R_гр или полувысота д_гр струи на заданном расстоянии х от выходной кромки отверстия и, наконец, скорость на оси основного участка струи u_макс .

Все эти величины для круглых и плоских струй могут быть найдены по формулам, полученным Г.Н. Абрамовичем.

2. Незатопленные свободные турбулентные струи

Ограничимся рассмотрением водяной струи круглого поперечного сечения в воздушном пространстве.

Соответствующие исследования показывают, что в общем случае струя может быть разбита на три характерные части: компактную, частично раздробленную и распылённую.

В пределах компактной части еще сохраняется цилиндрическая форма струи, причем сплошное движения жидкости оказывается не нарушенным.

В пределах частично раздробленной части струи сплошной поток нарушается, причем струя постепенно расширяется.

Наконец, в пределах распыленной части струи происходит окончательный распад потока на отдельные капли.

Разрушение компактной струи на протяжении второго и третьего ее участков объясняется аэрацией струи. Аэрация же обусловливается турбулентным обменом через границу струи между воздушной и водной средами.

В практике предъявляют различные требования к струям разного назначения. Например, пожарная струя должна иметь большие радиусы действия и ударную силу. Струя, применяемая для размыва грунта, должна иметь сильно развитую компактную часть. Наоборот, струи дождевых аппаратов иногда должны иметь достаточно развитую распыленную часть. Распыление струи достигается устройством специальных насадок. С целью получения наиболее развитой компактной части применяют также особые насадки.