книги / Турбулентное смешение газовых струй

необходимо учитывать, что закрутка струи прежде всего сказывается на интенсивности расширения ее границ.

На рис. 4.8 показано изменение характерной ширины

Ус » зависимости от координаты х° для закрученной и незакрученной турбулептных фреоновых струй. Вначале, когда закрутка еще достаточно велика, расширение зак­ рученной струи происходит значительно интенсивнее, чем струи незакрученной. На расстояниях же, соответ­ ствующих х° > 10, интенсивность нарастания толщины закручеипой струи всего в полтора раза больше, чем у обычной струи. Этот результат находится в соответствии с данными работы [75], где такое же увеличение интен­ сивности расширения струи наблюдалось для случая небольшой начальной закрутки (Ф0 æ 0,3). Можно, повидимому, сделать вывод о том, что интенсивность рас­ ширенияструиопределяетсяместным значением закрутки.

§ 2. Затопленная воздушная струя при высокой интенсивности закрутки

1. В предыдущем параграфе анализировались зако­ номерности распространения закрученной струи за зоной обратного тока, которая возникает в окрестности оси струи вблизи среза форсуночного устройства при доста­ точной исходной закрутке [73—77]. Вследствие при­ соединения к струе дополнительной массы из окружаю­ щей среды интенсивность вращательного движения в ней постепенно ослабляется и обратное течение па не­ котором удалении от форсуночного устройства исчезает. В настоящем параграфе рассматриваются закономерности распространения закрученной струи в той ее части, где имеется обратный ток; характерным параметром такого течения является интенсивность закрутки [77].

2. В опытах исследовалось течение за четырьмя цент­ робежными форсунками с цилиндрической камерой за­ вихрения длиной 30 и диаметром 18 дел при значениях геомётрической характеристики А = 0,75; 2,5; 4,5; б [96]. Форсунки имели по двенадцать отверстий для подачи воздуха, оси которых были направлены по хор­ дам внутреннего сечения таким образом, что плечо по­ дачи составляло соответственно 1; 3,3; 6 и 8 мм. Нес­ колько опытов было посвящено исследованию влияния

на течение конструктивныхпараметровфорсунки. Для это­ го былииспользованы форсункисдругимиотносительными размерами камеры завихрения и плеча подачи газа, при­ чем длина камеры варьировалась в пределах 20-=-40мм, а ее диаметр в пределах 8—18 мм.

Средняяпорасходускоростьистеченияийопределялась с точностью ± 3 % по перепаду давления на специально протарированной мерной диафрагме. Б большинстве опытов значение и0 составляло 10 м/сек. В некоторых опытах скорость истечения изменялась в 3—4 раза с целью изменения в широких пределах числа Рейнольдса. Однако влияние этого критерия оказалось незначитель­ ным, не выходившим за пределы точности измерений.

Измерение компонент вектора скорости осуществля­ лось с помощью двух термоанемометров с постоянной температурой нити (Х-образным датчиком с двумя ни­ тями из вольфрамовой проволоки диаметром 20 мк, длиной 4 мм). Измерение спектров пульсаций скорости показало, что частотный диапазон использовавшейся ап­ паратуры был достаточен для определения интенсивности пульсаций скорости.

Б опытах определялось распределение концентрации примеси в струе, для чего в воздух, вытекающий из фор­ сунки, добавлялось до 15—20 процентов (по массе) фреона-12. Пневмометрические измерения проводились только на оси струи с помощью Т-образного насадка и датчиком статического давления, выполненным в виде трубки диаметром 1,5 мм, длиной 150 мм, что позволило

располагать державку насадка вне зоны возвратного течения.

Исследование жидкостных центробежных форсунок показывает, что при анализе течения необходимо наряду с значением параметра А учитывать расходную харак­ теристику форсунки, которая может быть определена с помощью эмпирических закономерностей [96]. Опыты показывают, что и в газовой центробежной форсунке ее геометрическая характеристика А также не определяет в полной мере возникающего течения. Например, при од­ них и тех же значениях геометрической характеристики А длина зоны обратного течения у форсунок с разными относительными размерами может различаться в полторадва раза.

Значительно лучшее согласование результатов изме­ рения длины зоны обратного течения для разных фор­ сунок (например, с различными плечами закручивания) достигается при построении зависимости длины зоны об­ ратного тока от разрежения, измеряемого на оси струи

о ^

*

•о

О-Ь°<0,7 &-Л>0,7

2 а) if А

Рис. 4.9, Относительная длина зоны обратных токов для форсу­ нок с различной геометрической характеристикой; п —плечо закручивания.

в плоскости среза форсунки АР0. Иа рис. 4.9, а изобра­ жена зависимость длины зоны обратного тока 1° от гео­ метрической характеристики форсункиА, на рис. 4.9,6— от параметра (ЛРо)1-*. Здесь и в дальнейшем все ли­ нейные размеры отнесены к радиусу выходного сечения форсунки, перепады давления к скоростному напору, вычисленномупо среднерасходнойскоростиистечения и0.

Сопоставление результатов измерения вращательной компоненты скорости w на срезе форсунки с данными измерений статического давления показало, что имеет место связь максимального значения вращательной сос­ тавляющей скорости wQс разрежением ДР0:

/^ = 1 ,3 8 ^ .

Здесь и в дальнейшем в этом параграфе все значения скорости отнесены к средней по расходу скорости исте­ чения uQ.

На рис. 4.10 приведены результаты исследований че­ тырех форсунок, использовавшихся в основных опытах.

Отметим, чторезультаты исследования форсунок различной конструкции(споджагием,сшнековымзавихрителемит.п).,

показывают, что соотношение между максимальным значе­ нием вращательной составляющей скорости и разреже­ нием па осп в плоскости выходного сечения форсупки практически не зависит

M h				от ее конструкции. Это
				утверждение,		по-види­
14				мому, справедливов тех
		о		случаях, когда распре­
				деление	газодинамиче­
12				скихпараметров на сре­
				зе форсунки		является
tof				близким	для	разных
	2	4	A	форсунок.
b						данных,
Рис. 4.10. Соотношения между вели­				Анализ
				представленных па рис.
чинами разрежения		и закрутки	на	4.9 и 4.10, показывает,
срезе различных форсунок.
				что возвратное течение

в струе возникает скач­ ком при интенсификации закрутки, когда максималь­ ное значение вращательной составляющей скорости на выходе из форсунки превысит значение среднерасходной скорости истечения (ш0 > 1). При этом начальная про­ тяженность зоны обратного тока 1° æ 4 и далее нарас­ тает пропорционально увеличению интенсивности началь­ ной закрутки w0 в соответствии с соотношением

Г ~ Aw0.

Подробное исследование такого течения проводилось при четырех значениях w0: 1,1; 1,8; 2,15 и 2,5. При этом длина зоны обратного тока изменялась от значения Г ~ 4,5, близкого к минимальному, до Г ~ 12. Увели­ чение начальной закрутки вызывает и более интенсивное расширение струи. Это приводит к определенным затруд­ нениям при исследовании сильно закрученных потоков течения (w0 >2,5), так как струя начинает прилипать к элементам конструкции установки. Если в плоскости среза форсунки имеется экран (истечение из стенки), то при w0 > 2 -г- 2,3 струя может прилипнуть к нему, вследствие чего возникает пристеночное течение. Этот эффект упоминается в работе [75J.

располагается вне его, но ближе к оси, чем максимум продольной составляющей скорости. Опыты показыва­ ющие. 4.13), что в достаточно широком диапазоне

Рис. 4.12. Значение характерных ширин у° дляструи при wo = 1,8.

	_Х	_о.. Î.	,	•
—х—+--•“		+		+
шв 1,1 1,82,15 2J
X о	• +
0,5\—:--------	U--------------------------		10
О	5

Рис. 4.13. Отношение характерных ширин уwmlУит D разных сечениях закрученных струй при наличии обратного тока.

изменения закрутки от w0 —1,1 доw0 = 2,5справедливо соотношение

Уют = 0,77 уит.

Положение максимума продольной компоненты ско­ рости уит зависит, однако, от начальной интенсивности закрутки Wqj как это показано на рис. 4.14. Опыты по­ казали, что и другие геометрические характеристики те­

Рис. 4.15. Профили концентрации примеси с в закрученной струе при Wq = 2,15. Масштаб но оси ординат условный.

Рис. 4.16. Значения характерных ширин профилей концентрации и скорости для струи при w0 = 2,15.

координатами профиля скорости простой зависимостью Уст ~ Ут ~ Уит•

На рис. 4.17 представлены опытные значения угла наклона вектора скорости в радиальной плоскости ф = arctg vfu по координате т|„ = yjym для струи с исходной закруткой w0 = 1,8. По величине угла “ф и

Рис. 4.17. Зависимость угла наклонаг|>° вектора скорости в радиаль­ ной плоскости от координаты iiu = у/ут в сечении х° = 0,9 для струи при ш0=1,8.

продольной компоненте скорости и можно судить о зна­ чении радиальной компоненты скорости v. Там, гденаб­ людается максимальноезначениевеличины и (ци = '^.дос­ тигает экстремума и величина и.

Результаты измерений показывают, что при у = ут vju^ dymJdx, т. е. основноепоступательноедвижение в струе происходит вдоль липни у —ут.

Некоторое протекание жидкости в направлении оси струи сквозь поверхность вращения, образованную этой линией, все же имеет место, и представленные соот­ ношения для величинут и и/и являются приближенными. Положение максимума концентрации всегда на 5—7% ближе к оси струи, чем положение максимума скорости, а рекомендованное выше равенство!] уст = уит является приближенным.

Совокупность изложенных результатов говорит о том, что данные о положении максимума продольнойскорости