Струминні витікання

Коли газ або рідина витікає з отвору в навколишнє середови­ще, утворюється струмінь. Закономірність його поширення залежить від того, чи існує на межі струменю і навколишнього середовища пи­тома поверхнева енергія. Якщо швидкість витікання струменю менша за швидкість звуку в його речовині, то такий струмінь називається дозвуковим, якщо перевищує її – надзвуковим, а якщо вони збігають­ся – звуковим. Останні два види струменю притаманні переважно газам, бо для рідини вони досягаються і при тиску витікання,які у звичайній техніці майже не використовуються.

Швидкість звуку в речовині

де: - адіабатична стала,для багатоатомних газів, , для двоатомних , а для одноатомних ; 8319 – коефі­цієнт; – молекулярна маса речовини; – температура речовини, К.

Найчастіше для газів, що використовуються в сталеплавильному виробництві, .

Дозвуковий струмінь може бути ламінарним або турбулентним. Межею цих двох режимів о відповідне значення критерію Рейнольдса:

де: – початкова швидкість струменю; – діаметр отвору, через який витікає струмінь; – густина і динамічна в’язкість речо­вини струменю.

Звичайно критичною межею є . У сталепла­вильному виробництві найчастіше використовуються турбулентні стру­мені.

Струмінь, що витікає в нерухоме середовище, називається зато­пленим.

Характеристикою дозвукового затопленого струменю є швидкість потоку по йогo осі:

де: – коефіцієнт, ; – відстань від отвору.

Якщо густина речовини струменю та навколишнього середо­вища різняться внаслідок різного їх складу або температури, то струмінь називають неізотермічним, а ступінь різниці характери­зується параметром неізотермічності . При збільшенні швидкість струменю зменшується.

Якщо навколишнє середовище рухається, то поширення струменю залежить від співвідношення напрямів руху струменю і середовища: супровідний, поперечний і зустрічний. Порівняно із затопленим струме­нем у цих випадках його швидкість відповідно підтримується довше, вісь струменя скривлюється, швидкість спадне скоріше.

Якщо струмінь витікає в середовище, яке є простором, обмеже­ним стінками, то останні впливають на поширення струменю і тим іс­тотніше, чим менше співвідношення розмірів простору й отвору.

Зі збільшенням тиску газу перед соплом до критичного значен­ня, що для двоатомних газів становить приблизно 0,19 МПа, швидкість витікання струменю досягає звукової, яка визначається виразом /1.37/. Якщо сопло має циліндричну форму або підтиснене, тобто звужується на виході, при подальшому зростанні тиску швидкість залишається звуко­вою. У разі використання сопла Лаваля, коли тиск перевищує надкритичне значення, швидкість стає надзвуковою і визначається рівнянням:

де: – тиск відповідно на виході із сопла і початковий.

Тиск на виході із сопла залежить від співвідношення площ на виході із сопла та в критичному його перерізі і може дорівнювати, перевищувати або бути меншим за атмосферний тиск. Відповідно надзву­ковий струмінь називають розрахунковим, недорозширеним або пере розширеним.

Звуковий і надзвуковий струмені поширюються на більшу від­стань, ніж дозвуковий: відповідно в 2-3 і 5-10 разів залежно від тиску перед отвором. Для створення надзвукових струменів використо­вується сопло Лаваля.

Струмінь рідини в газі завдяки питомій поверхневій енергії поширюється за іншими законами.

При малій швидкості витікання на виході з отвору створюється крапля. У разі підвищення цієї швидкості створюється струмінь постій­ної довжини, який розпадається на окремі краплі. При подальшому під­вищенні швидкості струмінь вигинається по кривій, що за формою нага­дує синусоїду, деякий час зберігає свою суцільність, а потім розпада­ється на окремі фрагменти. При великих швидкостях струмінь, витікаю­чи з отвору, на незначній відстані від останнього розпадається на окремі краплі тим меншого розміру, чим вищі тиск рідини і швидкість витікання.

У сталеплавильному виробництві при розливанні сталі найчастіше зустрічаються другий і третій типи струменю, а четвертий - при зго­рянні рідких палив.

Струмінь газу, що втікає в рідину, дещо подібний до струменя рідини в газі завдяки питомій поверхневій енергії.

При низькій швидкості газу, що витікає з отвору, зануреного в рідину, на виході з нього створюється бульбашка газу, яка зі стали» частотою відривається від отвору. У разі підвищення швидкості ця буль­башка витягується в напрямі течії газу, а відривається від постійно існуючого газового струменя в рідині. Перший режим називається бульбашковим, а другий – струминним. У сталеплавильному виробництві най­частіше зустрічається останній.