Элементы теории свободных струй. Воздушные тепловые завесы.

Свободная струя- поток жидкости, не ограниченной твердыми стенками.

Свободные струи:

1)затопленная- если она распространяется в пространстве, занятом жидкостью( капельной или газообразной), однородной с данной ( например струя воды, выходящая из отверстия резервуара при истечении «под уровень», или струя воздуха, выходящая из отверстия замкнутого резервуара в атмосферу в условиях одной и той же плотности воздуха).

2)незатопленная –( например, струя воды при истечении из резервуара в атмосферу, когда эта струя находится в свободном полете).

В прошлом в связи с запросами водопроводной техники( уже в 18 веке при устройстве дворцовых фонтанов в Версале, Петергофе) исследовалась задача о высоте подъема свободной незатопленной струи h и дальности ее полета l в зависимости от угла наклона струи к горизонту в начальном ее сечении (рис.1), а в связи с запросами турбостроения- вопрос о динамическом воздействии струи на обтекаемые ею пластинки.

рис.1

Развитие современной техники потребовало более глубокого изучения этой области гидродинамики. В настоящее время теория свободных струй и методы их практического приложения составляют обширный раздел гидравлики.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что струя, выходящая из отверстия с насадком в условиях плавного очертания входа в насадок и при условии, что давление на выходе из него не превышает «критического» ( в случае истечения газа), постепенно расширяется в виде конуса и благодаря вязкости увлекает в движение окружающую ее жидкость. Вместе с тем между струей и жидкостью внешнего пространства происходит обмен масс, причем в процессе этого обмена струя захватывает все большую массу, так что в направлении движения струи ее масса несколько увеличивается.

Структура струи

По исследованиям Г.Н.Абрамовича движение жидкости, образующей струю, можно характеризовать следующим образом.(рис.2)

В выходном сечении а-б скорости потоков потока во всех точках сечения равны между собой. На протяжении длины L ( на так называемом начальном участке) осевая скорость постоянна по величине и равна скорости выходного сечения V .В некотором промежуточном сечении n начального участка эпюра скоростей имеет вид ,указанный на рис.2 Далее осевая скорость постепенно уменьшается. Участок струи L’,на котором осевая скорость V <V , называют основным, а сечение струи, отделяющее начальный участок от основного, переходным. В области треугольника абс во всех точках струи скорости жидкости равны между собой и равны V ; эта область образует так называемое ядро струи. На граничных линиях ON и ON’ продольные скорости равны нулю; эти линии пересекаются на оси в точке О, называемой «полюсом».

Изотахи- линии, проведенные через концы векторов, обозначающих равные скорости (линии равных скоростей).

Если в пределах струи между указанными граничными линиями ON и ON’ построить изотахи то они образуют систему линий, напоминающих собой пламя свечи или газовой горелки. Эту систему, построенную в относительных координатах ( как U/V - отношение абсолютной скорости к скорости в выходном отверстии), называют факелом, а теорию поля в этой области – теорией факела.

Эпюра абсолютных скоростей в каком- либо поперечном сечении основного участка струи шириной В, полученное опытным путем: рис.3

Если бы на одном и том же чертеже в одном и том же масштабе построить эпюры скоростей для ряда поперечных сечений основного участка, то получим следующую картину: рис.4