Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СТРУЯ

СТРУЯ

СТРУЯ - форма течения жидкости, при к-рой жидкость (газ) течёт в окружающем пространстве, заполненном жидкостью (газом) с отличающимися от С. параметрами (скоростью, темп-рой, плотностью, составом и т. п.). В приближённой модели течения идеальной жидкости граница С. является поверхностью тангенциального разрыва и вещество С. не смешивается с веществом окружающего пространства. В реальных течениях ввиду неустойчивости тангенциального разрыва между С. и окружающим её внеш. пространством возникает слой вязкого перемешивания, в к-ром все рассмотренные параметры течения изменяются непрерывно от соответствующих С. до соответствующих внеш. пространству. Струйные течения чрезвычайно распространены и разнообразны (это и С., вытекающая из сопла ракетного двигателя, эжектора, форсунки и др., и струйное течение в атмосфере); их классифицируют по наиб. существ. признакам.

Большое практич. значение имеют С., вытекающие из сопла или отверстия в стенке сосуда. В зависимости от формы поперечного сечения отверстия (сопла) могут быть круглые, квадратные, плоские С., а в зависимости от направления скорости течения на срезе сопла различают осевые, веерные и закрученные С.

В соответствии с характеристиками веществ рассматривают С. капельной жидкости, газа, плазмы. В особый класс выделяются двухфазные С., напр. газовые, содержащие жидкие или твёрдые частицы, или С. жидкости, заполненные пузырьками газа. Для С. сжимаемых газов существенным является отношение скорости газа u_c на срезе сопла к скорости распространения звуковых волн а, т. е. Маха число: M=u_c/a. В зависимости от значения М различают С. дозвуковые ( М<1) и сверхзвуковые ( М>1). Аналогичная классификация в зависимости от числа М проводится и для скорости среды, в к-рую вытекает С.

В зависимости от направления скорости течения газа (жидкости) в окружающей среде различают С., вытекающие в спутный (направленный в ту же сторону), встречный и сносящий потоки (напр., С. жидкости, вытекающая из трубы в реку и направленная соответственно по течению, против течения и под углом к скорости течения реки). Если состав жидкости (газа) в С. и окружающей её неподвижной среде идентичен, С. наз. з а т о п л е н н о й (напр., С. воздуха, вытекающая в неподвижную атмосферу). С. наз. свободной, если она вытекает в среду, не имеющую ограничивающих поверхностей, п о л у о г р а н и ч е н н о й, если она течёт вдоль плоской стенки, с т е с н ё н н о й, если вытекает в среду, ограниченную твёрдыми стенками (напр., С., вытекающая в трубу большего диаметра, чем диаметр сопла).

В соответствии с физ. особенностями веществ С. и внеш. среды различают С. смешивающиеся (С. газа, вытекающая в воздух) и несмешивающиеся (С. воды, вытекающая в атмосферу). Поверхность несмешивающейся С. неустойчива, и на нек-ром расстоянии от среза сопла С. распадается на капли. Дальнобойность такой С.- расстояние, на к-ром она сохраняется монолитной,- зависит от физ. свойств её вещества, кинётич. энергии и уровня начальных возмущений в сопле.

В случае, когда вещество С. способно смешиваться с веществом внеш. среды, на её поверхности образуется область вязкого перемешивания - струйный пограничный слой. В зависимости от режима течения в этом слое различают С. ламинарные и турбулентные. Так, С., вытекающая из сопла реактивного двигателя летящего самолёта,- пример турбулентной сверхзвуковой С., вытекающей в спутный поток, к-рый в зависимости от скорости полёта самолёта может быть дозвуковым или сверхзвуковым.

В д о з в у к о в о й турбулентной С. статич. давление в любой точке С. почти постоянно и близко к давлению в окружающем пространстве. Такие С., называемые и з о б а р ич е с к и м и, широко распространены. На срезе сопла спут-ной изобарич. С. (сечение аа, рис. 1) скорость течения u_c отличается от скорости спутного потока u_a. На границе С. и внеш. потока образуется слой вязкого перемешивания В, состоящий из газа С. и смешивающегося с ней газа внеш. среды. Расход газа в С., ограниченной размером b, по мере удаления от среза сопла монотонно увеличивается за счёт подсасываемого из внеш. пространства газа, но суммарное количество движения, определённое по избыточной скорости, остаётся неизменным.

Рис. 1. Спутная изобарическая струя газа: b _с - полуширина или радиус сопла; b - полуширина или радиус струи; a-угол наклона внутренней границы начального участка; q - угол расширения внешней границы струи.

В нач. участке С. при х<х _н. расширяющийся слой перемешивания ещё не достигает оси течения; скорость u_c вблизи оси постоянна и равна скорости на срезе сопла. В переходном участке С. ( х _н<х<х _н + х _п )вязкое перемешивание распространяется на весь объём С., скорость течения на оси уменьшается, но профили скоростей ещё продолжают изменяться. В осн. участке С. ( х>х _н + х _п )скорость течения на оси уменьшается, профили относит, скорости Du/Du_m=f(y/b )становятся неизменными (автомодельными; см. Автомодельное течение) (Du =u_y -u_a,Du_m=u_m-u_a- избыточные скорости в рассматриваемой точке течения на расстоянии у от оси С. и на оси). Аналогично профилю скорости ведут себя профили избыточных темп-ры и концентрации в осн. участке С.; все они связаны зависимостью:

где DT=T-T _а, D Т _т=Т _т -Т _а, -соответствующие значения избыточных темп-ры Т и концентрации , Рr - Прандтля число, для осесимметричных газовых С. Pr = 0,75-0,8. Углы расширения границ слоя перемешивания С. a и q различны для полей скорости, темп-ры и концентрации. Для турбулентных С. сжимаемого газа углы a и q тем больше, чем больше отличается от 1 спутность потока m =u_a/u_c, чем меньше число М _с на срезе сопла и чем меньше отношение полной энтальпии Н _а течения внеш. газа к полной энтальпии Н _с газа С.: =Н _а/Н _с. Кроме того, толщина С. в осн. участке (как и толщина пограничного слоя в начальном), т. е. углы q и a, существенно увеличиваются при увеличении ср. значения турбулентности потока , где - ср. величина поперечной пульсации скорости, а -ср. величина скорости в С. Таким образом, течение в изоба-рич. турбулентной спутной С. в осн. определяется безразмерными числами Маха М, Прандтля Pr, спутности течения m, относит. энтальпии H^- и турбулентности течения

Схема течения в изобарической, т. н. р а с ч ё т н о й, с в е р х з в у к о в о й спутной С. такая же, как для дозвуковой (рис. 1). Скорость течения на оси изобарич. С. постоянна в пределах начального (изоэнтропического) участка течения х<=х _н, а в дальнейшем монотонно изменяется, стремясь к значению скорости в окружающем пространстве. В осн. участке затопленной С. х>х _н+х _п. скорость на оси изменяется по закону для осесимметричных С. и по закону для плоских (=х/b _с - безразмерное расстояние от среза сопла). Независимо от формы поперечного сечения С. на срезе сопла, начиная с нек-рого расстояния , в осн. участке С. становится круглой.

В случае, когда давление р _с в сверхзвуковой С. на срезе сопла отличается от давления р _а в окружающей атмосфере (p _сp _а)> С. наз. н е р а с ч ё т н о й и к числу параметров, характеризующих течение в С., добавляется нерасчётность истечения п=р _с/р _а, определяющая картину ударных волн в С. и во внеш. пространстве. Примером такого течения является С., вытекающая из сопла вертикально стартующей ракеты. Для неё условие n=1 будет иметь место только в одной точке траектории. Осесимметричная нерасчётная С. (рис. 2), вышедшая из сечения а - а сопла расширяется в веере волн разрежения, к-рые отражаются от границы С. в форме волн сжатия, огибающей к-рых является "висячая" ударная волна 1. Осесимметричная волна 1 отражается вблизи оси в области 3, причём в зависимости от режима течения, определяемого нерасчётностью п и отношением чисел М _с/М _а , отражение может быть простым или "маховским", когда вблизи оси течения имеет место прямая ударная волна, за к-рой скорость газа становится дозвуковой. Отражённые ударные волны 2 пересекают внеш. границу течения, при этом возникают ударные волны 4 во внеш. сверхзвуковом потоке и отражённая волна внутри С. (на рис. 2 не показана). Начальный газодинамич. участок С. х _нг от среза сопла до сечения, в к-ром отражённая ударная волна пересекает границу С., наз. первой "бочкой". Вязкий слой перемешивания В, постепенно нарастая, достигает оси течения на расстоянии x _нв, к-рое наз. нач. участком вязкого течения. Далее следуют участки переходного х _п и осн. x_o течений, в к-рых условия течения близки к соответствующим течению в осн. участке изобарич. С. В спутном потоке, обтекающем нач. участок С., возникает ударная волна 5 и давление на внеш. поверхности первой "бочки" становится монотонно убывающим.

Рис. 2. Сверхзвуковая нерасчётная струя в сверхзвуковом спутном потоке.

В реальной нерасчётной С. (рис. 3) в результате отражения ударных волн наблюдается неск. "бочек", к-рые заполняют всю длину невязкого течения вблизи оси С. на участке x _нв, а иногда выходят за её пределы. В большинстве расчётных методик обычно рассматривают только первую "бочку", поскольку она содержит наиб. интенсивные ударные волны, а дальнейшее течение считают изобарическим. Своеобразная картина течения возникает при истечении сверхзвуковой С. большой нерасчётности в сверхзвуковой встречный поток (рис. 4 и 5). Рассматривая движение относительно сопла, из к-рого вытекает С., можно выделить 3 характерные области: область 1, в к-рой газ вытекает из сопла, с числом М _с при давлении р _с, В этой области расположена система ударных волн - УВ (рис. 4), близкая по форме к системе волн, наблюдающейся в сверхзвуковой затопленной С. большой нерасчётности п. Область 2 встречного потока, в к.-ром перед головной ударной волной (ГУВ) число Маха - М _а и статич. давление- р _а. Область 3, к-рую приближённо можно рассматривать как застойную с числом М₃~0 и давлением p₃ р _а- Вблизи границ течения в С. и областях внеш. пространства 2 и 3 образуется слой вязкого перемешивания В. Обтекание внеш. газом области течения в С. аналогично картине обтекания сверхзвуковым потоком затупленного тела. Течение в области точки 4 близко к течению вблизи критич. точки затупленного тела.

Рис. 3. Теневая фотография осесимметричной сверхзву ковой нерасчётной затопленной струи: 1- висячая удар ная волна; 2- отражённые ударные волны; 3 - область отражения ударных волн.

Рис. .4. Схема течения в сверхзвуковой струе, вытекающей во встречный поток: 1 - область течения газа, выходящего из сопла; 2 -область встречного потока; 3 - область застойного течения; 4- "критическая" точка; В- область вязкого перемешивания.

Рис. 5. Теневая фотография сверхзвуковой струи, вы текающей во встречный поток.

Информация о распределении скорости, темп-ры, концентрации компонентов в сечениях С., расположенных на 'выбранном расстоянии от среза сопла, необходима для определения силовых и тепловых нагрузок на стартовые сооружения и элементы конструкций ракетных и самолётных комплексов, на лопатки газовых турбин и др. Та же информация необходима для расчёта излучения С. в широком диапазоне длин эл.-магн. волн; Существенно также акустич. поле, возникающее в области распространения С., т. к. турбулентная С. генерирует и акустич. волны. Акустич. мощность, излучаемая С. реактивного двигателя, составляет ок. 1% от общей мощности двигателя; она пропорциональна восьмой степени скорости потока у среза сопла. Уровень шума достигает 150-165 дБ, а спектр частот охватывает более 7 октав.

Разработано большое кол-во полуэмпирич. и численных методов расчёта течения в газовых С., использующих ЭВМ и дающих возможность рассчитать турбулентные и ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые, в т. ч. нерасчётные, С. с учётом двухфазности, хим. реакций в слое смешения, неравновесности течения и др. Однако поставленная задача не является решённой окончательно. Даже самые совершенные расчётные методы используют для получения решения эмпирич. законы турбулентного перемешивания, скорости хим. реакций, интенсивности излучений, полученные в условиях, не позволяющих считать эти законы универсальными.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика, 4 изд., М., 1988; Теория турбулентных струй, 2 изд., М., 1984; Кар-пман И. М., Истечение недорасширенной струи во встречный сверхзвуковой и дозвуковой поток, "Изв. АН СССР, МЖГ", 1977, № 1, с. 89; Сверхзвуковые неизобарические струи газа, М., 1985; Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй, М., 1989.

М. Я. Юделович.