Текст:Николай Кириленко:Струйное истечение
Струя – форма течения среды (жидкости, газа, плазмы), при которой истекающая среда течёт в окружающей среде (газе, жидкости, плазме) с отличающимися от струи параметрами (скоростью, температурой, плотностью и т.п.).
Автор: Николай Яковлевич Кириленко
Введение[править | править код]
Схема струйного течения (СТ) с образованием в жидкости свободных поверхностей тангенциальных разрывов была предложена Г. Гельмгольцем (1868 г.). В 1869 г. Г. Кирхгоф решил первые задачи плоских потенциальных СТ несжимаемой жидкости, в частности, истечение струи из отверстия в стенке и обтекание пластинки под углом атаки с отрывом потока от её кромок и образованием «застойной» (отрывной) области, давление в которой равно давлению в набегающем потоке (на «бесконечности»). Результаты позволяют определить форму струи и коэффициент её сжатия. Струйное обтекание пластинки по схеме Кирхгофа, в отличие от сплошного обтекания, при котором тело в потенциальном, потоке не испытывает сопротивления дает силу, действующую по нормали к пластинке, и соответственно силу сопротивления.
Чаплыгину С.А. принадлежит обобщение теории плоских СТ на случай потенциальных дозвуковых течений газа.
Известны также решения более общих задач теории струй: нестационарного обтекания, течений тяжёлой и капиллярной жидкостей и другие. Осесимметричные и пространственные СТ не имеют конечных аналитических решений и изучаются в линейном приближении или численно.
Струйное истечение[править | править код]
Струйные течения разнообразны и широко распространены в природе и технике. Струйные течения сильно отличаются как по структуре движения, так и величине параметров, их определяющих.
По степени воздействия окружающего пространства на характер движения струи различают:
- струи свободные;
- полуограниченные или настильные, движущиеся вдоль ограничивающей пространство плоскости;
- ограниченные (стеснённые), вытекающие в пространство конечных размеров, соизмеримых с начальными размерами струи.
Свободная струя – струя, распространяющаяся в безграничной среде; не ограниченная твёрдыми стенками, Струя при этом может истекать в неподвижную среду, а так же в поток.
В данном случае различают:
- спутную струю, истекающую в поток, направление скорости которого совпадает с направлением струи;
- струю в сносящем потоке, если скорость потока направлена под углом к оси струи;
- струю во встречном потоке, когда векторы продольной скорости струи и скорости потока направлены навстречу друг другу.
Статическое давление в разных точках дозвуковой струи изменяется несущественно и приблизительно равно давлению окружающего пространства, т.е. свободную струю можно считать изобарической.
Струи могут распространяться в разных средах. В зависимости от влияния среды струи (по плотности вещества струи и среды) разделяют:
- незатопленные свободные;
- затопленные свободные;
- несвободные затопленные.
Струя называется затопленной, если она распространяется в среде с теми же физическими свойствами, что и у неё самой. Соответственно незатопленная струя распространяется в другой среде. Это жидкие струи в газе, струи газа в жидкости, струи жидкости в жидкости, не смешивающейся с ними.
По виду энергии, расходуемой на образование струи, различают:
- приточные (механические) струи, создаваемые вентилятором, компрессором, эжектором и т.п.;
- конвективные струи, образующиеся вследствие нагревания или охлаждения воздуха вблизи горячих или холодных поверхностей различных тел.
Струи различают также по форме начального сечения:
- если сечение круглое, то струя называется осесимметричной;
- если сечение имеет вид бесконечно длинной полосы постоянной высоты, то она называется плоскопараллельной или плоской.
Температуры струи и окружающей среды могут быть одинаковыми или различными. В соответствии с этим различают струи изотермические и неизотермические.
В зависимости от режима истечения струи могут быть:
- ламинарными (течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций);
- турбулентными (форма течения, при которой его элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущейся среды).
При турбулентном движении наряду с осевым движением существует и поперечное движение частиц. При этом частицы попадают за пределы струи и переносят в граничащие со струей массы неподвижной среды своё количество движения, увлекают (эжектируют) эти массы, придавая им определённую скорость.
На место ушедших из струи частиц в неё попадают частицы из окружающей среды, которые подтормаживают граничные слои струи. Следствием этого обмена импульсами между струей и неподвижной средой появляется возрастание массы струи и убывание скорости у её границ. Подторможенные частицы струи вместе с увлечёнными частицами окружающей среды образуют турбулентный пограничный слой, толщина которого по мере удаления от выходного отверстия непрерывно возрастает, соприкасаясь с внешней стороны с неподвижной средой, а с внутренней стороны – с ядром постоянной скорости, пограничный слой приобретает переменный профиль скоростей.
Ядро постоянной скорости по мере удаления от выходного отверстия и утолщения пограничного слоя сужается, пока полностью не исчезнет. После этого пограничный слой уже заполняет всё сечение струи, включая и ось потока. Поэтому дальнейшее размывание струи сопровождается возрастанием её ширины и при этом падает скорость на оси. Сечение струи, в котором завершается размыв ядра постоянной скорости и на оси которого обе половины пограничного слоя смыкаются, называется переходным сечением. Участок струи, расположенный между выходным отверстием и переходным сечением, в котором скорость на оси остается неизменной и равной начальной скорости, называется начальным. Участок, следующий за переходным сечением, в котором скорость на оси постепенно уменьшается и затухает, называется основным. Границы струи, как внешняя граница, так и граница ядра постоянной скорости, прямолинейны.
Струи, имеющие сравнительно небольшой угол естественного турбулентного расширения (примерно 25°), называют прямоточными. В прямоточных струях векторы скорости при истечении параллельны между собой. Струи, имеющие искусственно увеличенный угол расширения по сравнению с прямоточными струями, называют рассеянными. В рассеянных струях векторы скорости при истечении расходятся. Разновидностью рассеянных струй являются полые, конические, веерные и неполные веерные струи. К рассеянным струям можно отнести закрученные струи, которым при помощи специального закручивающего устройства придаётся вращательное движение, В таких струях в начальном сечении наряду с аксиальной и радиальной имеется тангенциальная (вращательная) составляющая скорости.
По характеру изменения давления истечения во времени струи:
- стационарные;
- нестационарные;
- пульсирующие.
По степени распыливания (расширения) вещества струи:
- компактные;
- рядовые;
- распыленные.
По газовому состоянию вещества струи и среды: однофазные, двухфазные, многофазные.
По скорости истечения различают дозвуковые и сверхзвуковые струи. В дозвуковых струях во всех точках течения скорость газа меньше местной скорости звука. В сверхзвуковых струях имеются области, где скорость течения газа превышает местную скорость звука. Последние могут быть изобарическими и неизобарическими. Для изобарических сверхзвуковых струй характерно постоянство давления во всем поле течения, в неизобарических струях давление может существенно изменяться как по длине струи, так и поперёк течения. Сверхзвуковые струи характеризуются наличием ударно-волновой структуры. Важную роль в механизме турбулентного смешения играют продольные вихревые структуры, которые образуются из малых возмущений за счет газодинамических неустойчивостей течения.
Основные характеристики струй: вязкость, турбулентность, эжекционная способность, пульсации давления (при взаимодействии струй друг с другом, с окружающей средой, преградами, полостями, в зонах отрыва пограничного слоя), импульсность, закрученность, дисперсионность.
Основными параметрами струи являются осевая скорость, диаметр для круглых сечений или ширина для плоских струй, расход воздуха и средняя скорость. Основные параметры струи зависят от коэффициента турбулентности, характеризующего интенсивность перемешивания и зависящего от конструкции насадка, из которого вытекает струя. Чем больше коэффициент турбулентности, тем интенсивнее перемешивание и больше угол расширения струи.
Струйные течения широко применяются в системах вентиляции, воздушных завес, в газогорелочных устройствах, двигателях, турбинах, в струйной пневмоавтоматике, распылительной технике, средствах гидромеханизации, эжекторах, инжекторах, струйных аппаратах, при струйной обработке материалов, струйном разрушении материалов, грунта, горных пород, абразивоструйной очистке и т.д. Струи кислорода широко применяются в сталеплавильных процессах.
Струйные течения ветра – сильный воздушный поток с горизонтальной осью в верхней тропосфере или нижней стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра. Струйные течения различной интенсивности и повторяемости наблюдаются практически над всеми районами земного шара. По широтным зонам и высоте расположения оси отличают следующие виды струйных течений: полярные, внетропические, субтропические, экваториальные и стратосферные. Каждому из них присущи свои характерные особенности, отличающие их друг от друга.
Управление струйным истечением[править | править код]
См. Управление струйным истечением в объектах техники.
Научные основы[править | править код]
В теории физического вакуума все движения сводятся к вращению, которое может быть связано как с угловыми, так и с временными параметрами, и взаимодействию с физическим вакуумом, происходит кручение физического вакуума.
Изменение энтропии необходимо рассматривать в непрерывной связи с взаимодействием материи с естественнонаучной основой мироздания –физическим вакуумом, средой, в которой отражаются энергетические процессы, проходящие в материальных телах, тем самым автоматически термодинамическая система переводится из закрытой системы в открытую систему.
Источники[править | править код]
См. Теория турбулентных струй / Под ред. Г.Н. Абрамовича. – М.: Наука, 1984.
Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. Интегральные методы расчёта. – М.: Машиностроение, 1969.
Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. – М.: Наука, 1965.
Талиев В.Н. Приточные и конвективные струи: Конспект лекций. – М. : МТИ, 1977.
Гинзбург И.П. Аэрогазодинамика. – М.: Высшая школа, 1966.
Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения. – Новосибирск: Наука, 1984.
Сизов А.М. Газодинамика и теплообмен струй в металлургических процессах. – М.: Металлургия, 1987.
Сверхзвуковые неизобарические струи / В.С. Авдуевский, З.А. Ашратов, А.В. Иванов, У.Г. Пирумов. – М.: Машиностроение, 1985.
Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые струи плазмы. – Л.: Машиностроение, 1985.
Запрягаев В.И., Усков В.Н., Гапонов С.А., Маслов А.А., Глазнев В.Н. Струйные и нестационарные течения в газовой динамике. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2000.
Зазимко В.А. Теоретические основы расчёта до- и сверхзвуковых струйных течений с учётом физико-химических превращений. – СПб.: БГТУ, 2006.
Пирогов Л.К., Кириленко Н.Я. Анализ обратного течения в донной области четырёхсопловой компоновки. – Л.: ЛМИ, 1971.
Усков В.Н. Ударные волны и их взаимодействие. – Л.: ЛМИ, 1980.
Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Газодинамика сопел и струй реактивных двигателей. – Казань: КВВКИУ, 1991.
Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Взаимодействие струй реактивных двигателей с преградами и отражателями. – Казань: КВВКИУ, 1991.
Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Акустика газовых струй. – Казань: КВВКИУ, 1992.
Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Воздействие струй ракетных двигателей на элементы стартовых устройств. – Казань: КВВКИУ, 1993.
Ельцин С.Н., Кириленко Н.Я. Ядерные двигатели летательных аппаратов. – Л.: ЛМИ, 1969.
Афанасьев Е.В., Балобан В.И., Бобышев С.В., Добросердов И.Л. Структурно-элементное моделирование газодинамических процессов при старте ракет. – СПб.: БГТУ, 2004.
Добросердов И.Л., Кириленко Н.Я. К вопросу расчёта параметров растекания потока между параллельными пластинами // Динамика машин и конструкций. – Челябинск: ЧПИ, 1978.
Добросердов И.Л., Кириленко Н.Я., Пилкин Е.И. и др. К определению поперечных нагрузок на насадок при истечении из него турбулентного потока // Динамика машин и конструкций. – Челябинск: ЧПИ, 1985.
Кириленко Н.Я. Метод расчёта динамических нагрузок при истечении турбулентного потока с искривлённой вогнутой поверхности // Динамика машин и конструкций. – Челябинск: ЧПИ, 1988.
Кириленко Н.Я. Управление истечением турбулентного потока // Динамика машин и рабочих процессов. – Челябинск: ЧПИ, 1993.
Кириленко Н.Я., Ерёмкин А.И. Струйные газогидродинамические устройства. – Пенза, ПГАСА, 1998.
Кириленко Н.Я., Ерёмкин А.И. Элементы и устройства струйных систем. – Пенза, ПГАСА, 1998.
Кириленко Н.Я. Моделирование на ЭВМ газодинамических процессов истечения. – Коломна: КВАКУ, 1995.
Кириленко Н.Я. Физические основы поиска и анализа технических решений струйных устройств. – Коломна: КВАКУ, 1995.
Кириленко Н.Я. Управление физическими процессами истечения. – Коломна: МВАКИУ, 1998.
Кириленко Н.Я. Управление физическими процессами истечения. Ч. 2. – Коломна: ВАУ, 2000.
Кириленко Н.Я. Управление струйным истечением в объектах техники.
Кириленко Н.Я. Синтез и управление струйным истечением в объектах техники.
Кириленко Н.Я. Концепция эжекции.
Кириленко Н.Я. Вихревая концепция.
Кириленко Н.Я. Поля кручения.
Кириленко Н.Я. Поляризация физического вакуума.
Кириленко Н.Я. Варп-волны физического вакуума.
Шипов Г.И. Теория физического вакуума: Теория, эксперименты и технологии. – М.: Наука, 1996.