Исследование свободной изометрической осесимметричной струи, вытекающей из цилиндрического патрубка

Лабораторная работа № 5

1.Цель и задачи работы.

Цель работы: научиться определять параметры и закономерности истечения свободных изометрических струй, вытекающих из цилиндрического патрубка.

Задачи работы: найти длину начального участка; определить границы струи; построить эпюры измеренных скоростей в поперечных сечениях начального и основного участков; определить значения расхода в этих сечениях; рассчитать дальнобойность струи для конкретных параметров ограничивающего пространства, сравнить экспериментальные результаты параметров струи с расчетными значениями;.

2.Общая характеристика приточных струй.

В технике вентиляции, кондиционирования и воздушного отопления приточный воздух подается турбулентными струями. Турбулентный характер пульсаций и потоков воздуха в пределах границ струи приводит к тому, что при движении струи часть ее выбрасывается за пределы первоначальных границ, перемешивается с пограничными слоями окружающего неподвижного воздуха, передает им часть своей энергии и вовлекает их в общее поступательное движение. В результате происходит непрерывное увеличение общей массы струи при непрерывном уменьшении ее скорости.

Различают струи изотермические, температура которых равна температуре окружающей среды, и неизотермические, температура которых выше или ниже чем температура воздуха окружающего пространства.

В зависимости от наличия ограждающих плоскостей или влияния соседних струй различают струи свободные и стесненные.

Свободные или осесимметричные струи образуются при выходе воздушного потока из воздуховода в неограниченное пространство, например, в камеру большого сечения. В зависимости от формы поперечного сечения свободные струи могут быть круглыми или плоскими.

Стесненные струи испытывают тормозящее влияние обратных, индуцированных основной струей потоков, которая деформирует форму приточной струи в пространстве.

3. Основные характеристики турбулентных свободных струй

В зависимости от формы начального сечения струи различают круглые и плоские свободные струи. Круглая струя образуется при истечения из отверстия, имеющего форму круга или близкую к нему.

Плоская струя образуется при истечении из щелевидного отверстия.

На рис.1 показана схема свободной осесимметричной струи.

Внутри трубы на оси ее находится полюс начального участка струи1.

Внешней границей свободной струи будут линии, проведенные из полюса через внешние кромки трубы (под границей струи понимается геометрическое место точек, в которых проекции скорости движения воздуха на ось струи равны нулю). Экспериментально установить границы струи можно лишь приблизительно, так как при измерении малых скоростей движения воздуха возможна большая погрешность. Можно оперировать условной границей струи, координаты которой определяются выражением

(1)

где: Y_0.5 – расстояние от оси струи до точки, в которой значение скорости равно половине величины осевой скорости в данном поперечном сечении.

В свободной струе выделяют начальный участок, в пределах которого сохраняются максимальные начальные параметры на оси струи Uн.уч =U0 =const, и основной участок, в котором значения параметров ниже начальных. Длину начального участка можно определить по формулам:

для круглой струи ;	(3)
для плоской струи	(4)

где D₀ – диаметр выходного отверстия круглого сопла, м; В₀ – ширина щелевидного отверстия сопла, м; tg a - половина полного угла раскрытия струи.

Прямолинейные образующие границы струи 2 (рис.1) с точкой пересечения в полюсе струи 1 составляют с осью некоторый угол a_нач, называемый углом ее бокового раскрытия.

Углы раскрытия струи на начальном и основном участках могут быть различны, причем на основном участке этот угол имеет постоянное для струй всех видов значение a _осн = 12°30” (tg a =0.22)

Таким образом, на основном участке струя с круглым первоначальным сечением принимает форму усеченного конуса с углом при вершине 0, равным 25°.

На начальном участке движения струи, в ее центральной части выделяют ядро струи 3 (АВС), в границах которого осевая скорость струи остается постоянной и равной скорости истечения U₀. Сечение 2 проходящее через точку С называют переходным. Далее, на основном участке осевая скорость потока уменьшается с ростом расстояния от начального сечения АВ.

Рис.1. схема свободной изометрической осесимметричной струи:

1-полюс начального участка струи; 2- границы струи; 3- ядро струи

В пространство между ядром струи 3 и прямолинейными образующими границы струи 2, притекают объемы воздуха с периферии, которые увлекаются потоком ядра постоянной массы. Объем присоединенных масс увеличивается в направлении движения воздушного потока. Присоединенные массы воздуха играют большую роль в массообмене между струей и окружающей средой. Они являются «посредниками» обмена между чистом воздухом ядра и загрязненным воздухом окружающего пространства.

На структуру струи оказывает влияние начальная турбулентность. Чем турбулентнее поток при выходе из насадка, тем интенсивнее протекает его перемешивание с окружающим воздухом, тем больше угол раскрытия струи, короче длина начального участка, активнее снижается скорость на основном участке и уменьшается дальнобойность струи.

Начальная турбулентность струи характеризуется коэффициентом А_н. Значения коэффициента А_н, зависящие от конструкции насадка приведены в таб.1.

Таблица 1

Значения коэффициента начальной турбулентности струи, вытекающих

из различных насадков.

Конструкция насадка	Ан
Цилиндрический насадок с поджатием	0,07
То же, без поджатия	0,08
Щелевой насадок с поджатием (плоская струя)	0,09
То же, без поджатия	0,12
Квадратный насадок	0,09-0,1
Прямоугольный насадок с направляющими лопатками на выходе	0,17-0,2

Длина начального участка l ₀ для осесимметричных струй определяется по формуле:

(5)

где D_o- диаметр выходного отверстия. Для прямоугольных насадков с площадью сечения F_o и с соотношением сторон не более 1:3, в расчетах можно пользоваться значением эквивалентного диаметра D_0.экв.

(6)

Значение безразмерной осевой скорости в произвольном сечении на основном участке рассчитывается по формуле:

(5)

где: U_x - текущее значение осевой скорости в сечении на основном участке; U_o - скорость струи в начальном сечении; х - расстояние от начального сечения, м.

Относительный диаметр струи определяется выражениями:

на начальном участке	(8)
на основном участке	(9)

Относительный расход воздуха в произвольном сечении струи Q_х, м³/с, рассчитывается по формулам:

на начальном участке	(10)
на основном участке	(11)

Из выражений (3)...(11) видно, что параметрами струи, определяющими ее строение, являются величины А_н и D₀. Другими словами, структура струи определяется конструкцией и размером насадка.

3. Методика исследования параметров свободной осесимметричной струи, вытекающей из цилиндрического патрубка.

1. По формуле (5) рассчитать длину начального участка струи l ₀;

2. С помощью линейки и мела провести на полу проекцию оси струи, обозначить ориентировочную длину начального участка;

3. Измерить скорость U₀ на оси струи в сечении О-О, Для измерения U₀ установить крыльчатый анемометр на штативе так, чтобы ось анемометра строго совпадала с осью струи. Результаты измерения занести в табл.3;

4. Путем дополнительных измерений уточнить длину начального участка, для чего необходимо с помощью анемометра определить точку на оси струи, где осевая скорость начинает убывать. Начертить на полу границы ядра струи. Результаты измерений занести в табл.3;

5. Определить границы струи. Для этого установить анемометр на расстоянии Х,=0.5...0.8 м от начального сечения АВ (среза патрубка). Отметить мелом на стойке штатива исходное положение кронштейна с анемометром. Затем, поднимая кронштейн, найти положение, в котором вращение крыльчатки анемометра прекращается. Измерить расстояние Υ между исходным (на оси струи) и конечным положениями кронштейна штатива. Отложить на проекции струи найденную величину Υ по нормали от оси струи в данном сечении и провести проекции границы струи, как показано на рис.2.

6. Определить средние скорости в трех сечениях, в пределах начального (сечение X₁) и основного (сечения Х₂, Х₃) участков струи (см. рис.2). Для измерения скорости необходимо установить штатив с анемометром в выбранном сечении. Измерить скорости V_i в измеряемом сечении струи в точках с шагом 0.1 м. Для этого анемометр устанавливают на различных уровнях путем перемещения кронштейна по стойке штатива вверх от оси до границы струи с шагом 0.1 м. Перед измерениями отметить мелом на стойке штатива положения кронштейна с указанным шагом, начиная от начального положения (ось крыльчатки анемометра расположена на уровне оси струи). Результаты измерений занести в табл.2.

Рис.2. Схема определения ориентировочных границ струи

9. Используя результаты измерений скоростей движения воздуха рассчитать значения расхода воздуха в выбранных сечениях. Для круглой осесимметричной струи значение расхода определяется выражением

(12)

где ∆r - шаг измерения по радиусу струи (∆r = 0.1 м);

V_cpi - среднее арифметическое значение скоростей потока в точках измерения r_i-1 и r_i, V_cpi = (V_i-1 + V_i)/2;;

R_cpi - среднее арифметическое значение радиусов точек измерения r_i-1 и r_i, r_cpi = (r_i-1+ r_i)/2;

- индекс точки измерения, i = 1,…, n.

Результаты вычислений занести в табл.3

10. По формулам (7…11) определить осевые скоростиU_i, диаметры струи D_i, и расходы Q_i в сечениях 1-1, 2-2, 3-3. Результаты вычислений занести в табл.3;

11. Построить эпюры скоростей воздуха для исследуемых сечений. Пример построения эпюры скоростей см. на рис.1.

4. Содержание отчета

Отчет должен содержать название и цель работы, результаты расчетов и экспериментальных исследований параметров струи в виде таблиц и схем.

Таблица 2

Результаты исследования поля скоростей в сечениях струи

Координаты измерительного сечения (№ сечения, расстояние от начального сеч. X, м)	Скорости в измерительном сечении, Ui, м/с
Расстояние от оси струи, ∆r, м
0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
Сечение 1-1
Сечение 2-2
Сечение 3-3

Таблица 3

Параметры струи	Начальный участок	Основной участок
Сечение 0-0	Сечение 1-1	Сечение 2-2	Сечение 3-3
Эксперимент расчёт	Эксперимент расчёт	Эксперимент расчёт
Осевая скорость, м/с
Диаметр струи, м
Расход в сечении, м3/с

5. Контрольные вопросы

5.1. Как определяются границы свободной струи?;

5.2.Охарактеризуйте элементы структуры струи: ядро постоянных скоростей, ядро постоянной массы, пограничный слой, присоединённые массы;

5.3.В чём заключается главное различие между начальным и основными участками струи?;

5.4.Какие параметры определяют строение свободной струи?;

5.5. От каких параметров зависит дальнобойность струи?.

6. Библиографический список

1. Справочник проектировщика. Вентиляция и кондицирование воздуха. Часть 2/ Под редакцией И.Г.Староверова.- М.: Стройиздат, 1969.-536с.

2. Торговников Б.М., Табачников В.Е., Ефанов Е.М. Проектирование промышленной вентиляции – М,: Высшая школа, 1991. – 271с.

3. Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчёт содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Справочник. – М.: Химия, 1991.- 368 с.