Распространение изотермической турбулентной струи

Основы теории турбулентных струй

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ

Лекция 15. Цель лекции: изучить физико-математическое описание турбулентных струй. Дать основные принципы подачи и удаления воздуха.

Струя газа называется свободной, если она не ограничена твердыми стенками и распространяется в среде тех же физических свойств. Струя, распространяющаяся в потоке, называется затопленной, и если температура струи отличается от температуры среды, то она называется неизотермической, если не отличается, то – изотермической.

Если из сопла (рисунок 12.1) диаметром d вытекает струя со скоростью больше критической в среду той же температуры при равномерном поле скоростей в выходном сечении сопла, то на поверхности раздела струи со средой возникают вихри, беспорядочно движущиеся вдоль и поперек потока. Между струей и средой происходит обмен конечными массами газа, чем осуществляется поперечный перенос количества движения. Газ из прилегающих слоев окружающей среды увлекается в струю, а самой струи – затормаживается; масса струи и ее ширина увеличиваются, а скорость у границ падает. По мере удаления от сопла это возмущение распространяется на все большее количество слоев окружающего газа. С другой стороны, в струю все глубже проникают частицы окружающего газа, пока не достигают оси струи (точка С). Дальнейшее смешение струи с газом из окружающей среды происходит по всему сечению струи и сопровождается увеличением ее ширины и падением скорости на оси.

Рисунок 12.1

Область смешивания вещества струи с газом из окружающей среды называется турбулентным пограничным слоем или зоной смешения струи. С внешней стороны пограничный слой соприкасается с окружающим газом, образуя границу струи по поверхности, во всех точках которой компонента скорости, параллельная оси затопленной струи, равна нулю, а на границе спутной струи – скорости спутного потока. С внутренней стороны пограничный слой граничит с невозмущенным потенциальным ядром постоянных скоростей струи АВС, в котором скорость равна скорости истечения из сопла.

Сечение струи в точке С, в котором оканчивается невозмущенное ядро, называется переходным; участок до него – начальным, а после него – основным. Точку О пересечения внешних границ струи называют полюсом.

Продольная скорость в потенциальном ядре Uо остается постоянной, в связи с постоянным статическим давлением, а поперечная составляющая V₁ =0.

Перестройка кинематической структуры струи происходит на переходном участке, длину которого принимают равной нулю.

В турбулентной струе поперечные составляющие скорости малы по сравнению с продольной и ими в инженерных расчетах пренебрегают.

На начальном участке в невозмущенном ядре скорость постоянна и равна скорости на выходе из сопла, а в пограничном слое скорость падает от этой величины до нуля на границе затопленной струи или до скорости окружающей среды в спутном потоке.