Затопленная турбулентная струя

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.