Свободные струи. Общие сведения
Струи движутся по инерции под влиянием начальной скорости, созданной давлением или силой тяжести.
Струя, не ограниченная твердыми стенками, называется свободной. Другими словами, струя жидкости – это поток, живые сечения которого не ограничены твердыми стенками.
Свободные струи бывают затопленными и незатопленными.
Струю считают затопленной, если она распространяется в пространстве, занятом такой же жидкостью. Например, струя воды, выходящая из отверстия в стенке резервуара при истечении «под уровень», или струя воздуха, выходящая из отверстия замкнутого резервуара в атмосферу в условиях одной и той же плотности воздуха. В противном случае струю считают незатопленной (например, струя воды при истечении из резервуара в атмосферу, когда эта струя находится в свободном полете).
К незатопленным свободным струям относятся пожарные и фонтанные струи, а также струи, получаемые при помощи дождевальных аппаратов и гидромониторов, и т.п.
|
|
Режим течения струй может быть ламинарным и турбулентным. Чаще всего приходится встречаться с турбулентными струями.
В настоящее время теория свободных струй и методы из практического применения составляют обширный раздел гидравлики. В СССР этот вопрос наиболее подробно исследовался в ЦАГИ (работы Г.Н. Абрамовича и др.).
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что струя жидкости, выходящая из насадка (при плавном очертании входа в него), постепенно расширяется в виде конуса и благодаря вязкости увлекает в движение окружающую её жидкость. Вместе с тем между струей и жидкостью внешнего пространства происходит обмен масс (вследствие наличия пульсационных скоростей, поперечных по отношению к поверхности раздела). В процессе этого обмена струя захватывает несколько большую массу, так что в направлении движения струи ее масса несколько увеличивается.
Структура струи.
Рис.4
Сечение струи, совпадающее с выходным сечением насадка или трубы, называется начальным сечением струи (рис.4). В этом сечении скорости во всех его точках равны между собой. На протяжении длины (на так называемом начальном участке) осевая скорость постоянная по величине и равна скорости в выходном сечении. Далее осевая скорость постепенно уменьшается. Участок струи, на котором осевая скорость , называется основным, а сечение струи, отделяющее начальный участок от основного, – переходным. В области авс во всех точках струи скорости жидкости равны между собой и равны . Эта область называется ядром струи.
Опытами установлено, что ядро с боков ограничено практически прямыми линиями. Эти прямые отделяют ядро от окружающего его турбулентного пограничного слоя, в пределах которого скорости изменяются. Внешние границы турбулентного пограничного слоя считают очерченными прямыми линиями. Точка О пересечения этих прямых называется полюсом струи.
|
|
Исследования показали, что при равномерном распределении скоростей в начальном сечении гидродинамическое давление в струе почти равно давлению в окружающей среде (жидкости).
Если на одном и том же чертеже в одном и том же масштабе построить эпюры скоростей для ряда поперечных сечений основного участка, то получим картину, показанную на рис.5.
Рис.5
Для всех эпюр скоростей характерно следующее: если вместо абсолютных принять относительные скорости, например, отношение скорости в произвольной точке 1, находящейся на расстоянии от оси струи (рис.6) к скорости, равной половине осевой, т.е. к скорости , в точке, расположенной на расстоянии от оси, то эпюры скоростей во всех поперечных сечениях струи будут тождественны.
Алгебраически это будет выглядеть так: функция координаты одна и та же для всех поперечных сечений струи, т.е.
,
что указывает на некоторое подобие между собой всех эпюр скоростей.