Гидравлические струи. 
Основы гидравлики

Виды струйных течений

Поток жидкости (газа), нс ограниченный твердыми стенками, называется свободной струей. Струи могут распространяться в газовой и жидкой среде. В зависимости от влияния среды струи разделяют на затопленные и незатопленные.

Свободная струя называется затопленной, если она распространяется в среде с теми же физико-механическими свойствами, что и сама струя.

Соответственно незатопленная струя распространяется в другой среде. Это жидкие струи в газе, струи газа в жидкости, струи жидкости в жидкости, не смешивающейся с ними.

Различают струи по форме поперечного сечения — осесимметричные (например, круглые) или плоские.

На практике чаще всего встречаются турбулентные струи.

Затопленные струи бывают не только свободными, но и ограниченными_у если их движение происходит в пределах твердой границы.

Свободные затопленные струи

Струя образуется при выходе из трубы, отверстия или насадка. При движении затопленной струи между ней и средой происходит постоянный массообмен и объем струи непрерывно растет. Струя, вытекающая в такую же жидкость, что и жидкость струи, постепенно расширяется и па определенном расстоянии рассеивается. Взаимодействие с неподвижной средой ведет к торможению частиц струи на ее внешни границах, а в дальнейшем и в самой струе. Движение затопленной струи происходит при одинаковом давлении во все ее точках, равном давлению окружающей среды.

Рассмотрим структуру затопленной свободной струи, вытекающей из насадка (рис. 10.1) диаметром с1 (радиусо Го) или щели, создающей плоскую струю толщиной 2Ь₀.

Рис. 10.1. Схема движения свободной затопленной турбулентной струи

На выходе из насадка (начальное сечение 1—1) эпюра скорости прямоугольная и скорость истечения во всех точка струи щ. Далее от сечения 1—1 до сечения 3—3 в предела треугольника abc скорости течении будут также соответствовать значению щ. Этот участок течения в струе называется начальным (его длина L), область течения в пределах треугольника abc называют ядром струи, а сечение 3—3 —В переходным сечением.

На граничных линиях струи ОМ и ОМ' продольные скорости равны нулю. Граничные линии струи пересекаются на оси в точке О, которая называется полюсом струи.

Область течения правее сечения 3—3 называют основным участком струи. На основном участке скорость движения частиц жидкости на оси струи непрерывно убывает от сечения к сечению от значения щ до нуля.

Угол расширения струи, а — это угол между граничной линией струи ОМ и осью струи ОХ.

Распределение скоростей в сечениях свободной затопленной струи имеет некоторые характерные особенности.

Если построить линии равных скоростей (изогахи), выраженных в относительных величинах —, то они образуют систему линий, напоминающих факел (рис. 10.2).

i* «и

Изотахи относительных скоростей-, где и_тах — ско ттах рость на оси струи, образуют пучок прямых (рис. 10.3).

Эпюра скорости в любом сечении основного участка струи имеет вид, показанный на рис. 10.4.

Экспериментальные исследования показали, что если построить для различных сечений основного участка гра-, — и

фики распределения относительных скоростейгде.

и — скорость в любой точке сечения; w_max — максимальная.

Рис. 10.2. Линии равных

Рис. 10.3. Линии равных

" и

относительных скоростей-

^шах.

" и

относительных скоростей —

Рис. 10.4. Эпюра скорости на основном участке свободной затопленной струи

скорость на оси потока, в зависимости от относительной ко-У

ординаты —, где у — координата точки сечения, в которой.

#0,5.

скорость равна и, а г/о, 5 ^— координата точки сечения, в которой и = —то такие графики будут тождественны (рис. 10.5).

Нужно отметить, что большой вклад в исследования струйных течений внес Т. Н. Абрамович. В соответствии с его исследованиями основные параметры для круглой и плоской струй можно определить по формулам, представленны в табл. 10.1. Все формулы в этой таблице даются в зависимости от коэффициента турбулентной структуры а струи.

Рис. 10.5. График распределения относительных скоростей на основном участке плоской струи

Таблица 10.1

Расчетные соотношения для свободной затопленной турбулентной струи.

Примечание, х — расстояние от начального до расчетного сечения.

Для малой интенсивности турбулентности на выходе из отверстия а = 0,066-^0,08, за решетками, специально турбули-зирующими поток на выходе, а = 0,27, для плоских струй а = 0,09-Ю, 12.

Затопленные струи наблюдаются и используются в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, воздушных завесах теплого воздуха, отделяющих помещение от холодного воздуха, в гидротехнике при сбросе или подаче воды под уровень и др.