книги / Турбулентное смешение газовых струй
..pdfнеобходимо 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