Затопленные свободные турбулентные струи

Струя жидкости, вытекающая из насадка в жидкую среду одинаковой плотности, постепенно расширяясь, за какое-то время рассеивается в жидкости. Струя имеет, как показали опыты, поверхность раздела, т.е. внешнюю границу, которая отделяет окружающую жидкость от струи. Скорости истечения из насадка достаточно большие, поэтому струя является турбулентной струей, в которой имеет место пульсация скоростей и давлений. За счет поперечных пульсационных скоростей по отношению к границе и струе осуществляется интенсивный обмен частицами между окружающей жидкостью и непосредственно струей. В результате этого происходит обмен количеством движения, струя, расширяясь, увлекает за собой частицы жидкости из окружающей среды, увеличивая свою массу, при этом скорость ее уменьшается. Слой жидкости, в котором происходит перемешивание основной массы струи и окружающей ее неподвижной массы, называется турбулентным слоем (рис. 6.17).

Затопленные свободные турбулентные струи - №1 - открытая онлайн библиотека

Рис. 6.17. Схема свободной турбулентной струи: 1 - полюс струи; 2 - насадок;

3 - ядро струи; 4 - пограничный турбулентный слой

Точка пересечения внешней границы О, очерченной прямыми линиями, называется полюсом струи. Полюс струи (точка О) находится на расстоянии Затопленные свободные турбулентные струи - №2 - открытая онлайн библиотека от плоскости входного отверстия насадка.

Согласно исследованиям Г. Абрамовича для круглой трубы полюс струи

Затопленные свободные турбулентные струи - №3 - открытая онлайн библиотека , (6.57)

где Затопленные свободные турбулентные струи - №4 - открытая онлайн библиотека - радиус насадка; Затопленные свободные турбулентные струи - №5 - открытая онлайн библиотека - коэффициент структуры турбулентной струи.

Для круглой струи принимается Затопленные свободные турбулентные струи - №6 - открытая онлайн библиотека .

За выходным сечением насадка, т.е. начальным сечением струи, располагается ее начальный участок с ядром струи. Ядро струи в пределах этого участка постепенно сужается. В ядре струи скорости во всех точках по длине постоянны и можно считать, что они будут равны скорости истечения из насадка Затопленные свободные турбулентные струи - №7 - открытая онлайн библиотека .

Длина начального участка Затопленные свободные турбулентные струи - №8 - открытая онлайн библиотека , по данным Г. Абрамовича, для круглой струи

Затопленные свободные турбулентные струи - №9 - открытая онлайн библиотека . (6.58)

На конце ядра струи находится переходное сечение, за которым начинается основной участок турбулентной струи. По мере увеличения поперечного сечения струи скорость при приближении к границам струи уменьшается, а на границе скорость Затопленные свободные турбулентные струи - №10 - открытая онлайн библиотека .

Расширение зависит от интенсивности турбулентности и формы струи. Согласно опытным данным тангенс угла, равного половине угла расширения, для круглой струи

Затопленные свободные турбулентные струи - №11 - открытая онлайн библиотека . (6.59)

Скорость на оси основного участка струи, по Г. Абрамовичу,

Затопленные свободные турбулентные струи - №12 - открытая онлайн библиотека , (6.60)

где х - расстояние от выходного отверстия насадка до рассматриваемого сечения струи.

Расход на основном участке круглой струи можно определить по формуле

Затопленные свободные турбулентные струи - №13 - открытая онлайн библиотека , (6.61)

где Затопленные свободные турбулентные струи - №14 - открытая онлайн библиотека - расход истечения из насадка, Затопленные свободные турбулентные струи - №15 - открытая онлайн библиотека .