Струя - форма течения жидкости, при к-рой жидкость (газ) течёт в окружающем пространстве, заполненном
жидкостью (газом) с отличающимися от струи параметрами (скоростью, температурой, плотностью,
составом и т. п.). В приближённой
модели течения идеальной жидкости граница струи является поверхностью тангенциального
разрыва и вещество струи не смешивается с веществом окружающего пространства. В
реальных течениях ввиду неустойчивости тангенциального разрыва между струями и окружающим
её внеш. пространством возникает слой вязкого перемешивания, в к-ром все рассмотренные
параметры течения изменяются непрерывно от соответствующих струй до соответствующих
внеш. пространству. Струйные течения чрезвычайно распространены и разнообразны
(это и струя, вытекающая из сопла ракетного двигателя, эжектора, форсунки и др.,
и струйное течение в атмосфере); их классифицируют по наиб. существ. признакам.
Большое практич. значение имеют струи, вытекающие из сопла или отверстия в стенке сосуда. В зависимости от формы поперечного сечения отверстия (сопла) могут быть круглые, квадратные, плоские струи, а в зависимости от направления скорости течения на срезе сопла различают осевые, веерные и закрученные струи.
В соответствии с характеристиками
веществ рассматривают струи капельной жидкости, газа, плазмы. В особый класс выделяются
двухфазные струи, напр. газовые, содержащие жидкие или твёрдые частицы, или
струи жидкости, заполненные пузырьками газа. Для чтруи сжимаемых газов существенным является
отношение скорости газа uc на срезе сопла к скорости распространения
звуковых волн а, т. е. Маха число: M=uc/a. В
зависимости от значения М различают чтруи дозвуковые (М<1) и сверхзвуковые
(М> 1). Аналогичная классификация в зависимости от числа М проводится
и для скорости среды, в к-рую вытекает струя.
В зависимости от направления
скорости течения газа (жидкости) в окружающей среде различают струи, вытекающие
в спутный (направленный в ту же сторону), встречный и сносящий потоки
(напр., струи жидкости, вытекающая из трубы в реку и направленная соответственно по течению,
против течения и под углом к скорости течения реки). Если состав жидкости (газа)
в струе и окружающей её неподвижной среде идентичен, струя наз. затопленной
(напр., струя воздуха, вытекающая в неподвижную атмосферу). Струя наз. свободной,
если она вытекает в среду, не имеющую ограничивающих поверхностей, полуограниченной,
если она течёт вдоль плоской стенки, стеснённой, если вытекает в среду, ограниченную твёрдыми стенками
(напр., струя, вытекающая в трубу большего диаметра, чем диаметр сопла).
В соответствии с физ. особенностями
веществ струи и внеш. среды различают струи смешивающиеся (струя газа,
вытекающая в воздух)
и несмешивающиеся (струя воды, вытекающая в атмосферу). Поверхность несмешивающейся
струи неустойчива, и на нек-ром расстоянии от среза сопла струя распадается на
капли. Дальнобойность такой струи - расстояние, на котором она сохраняется монолитной,- зависит
от физ. свойств её вещества, кинётич. энергии и уровня начальных возмущений
в сопле.
В случае, когда вещество струи способно смешиваться с веществом внеш. среды, на её поверхности образуется
область вязкого перемешивания - струйный пограничный слой. В зависимости от
режима течения в этом слое различают струи ламинарные и турбулентные.
Так, струя, вытекающая из сопла реактивного двигателя летящего самолёта,- пример турбулентной
сверхзвуковой струи, вытекающей в спутный поток, к-рый в зависимости от скорости
полёта самолёта может быть дозвуковым или сверхзвуковым.
В дозвуковой турбулентной струе статич. давление в любой точке струи почти постоянно и близко к давлению в окружающем пространстве. Такие струи, называемые изобарическими, широко распространены. На срезе сопла спут-ной изобарич. струи (сечение аа, рис. 1) скорость течения uc отличается от скорости спутного потока ua. На границе струи и внеш. потока образуется слой вязкого перемешивания В, состоящий из газа струи и смешивающегося с ней газа внеш. среды. Расход газа в струе, ограниченной размером b, по мере удаления от среза сопла монотонно увеличивается за счёт подсасываемого из внеш. пространства газа, но суммарное количество движения, определённое по избыточной скорости, остаётся неизменным.
Рис. 1. Спутная изобарическая
струя газа: bс - полуширина или радиус
сопла; b - полуширина или радиус струи; a-угол наклона внутренней
границы начального участка; q - угол расширения внешней
границы струи.
В нач. участке С. при х<хн
расширяющийся слой перемешивания ещё не достигает оси течения; скорость
uc вблизи оси постоянна и равна скорости на срезе сопла. В
переходном участке С. (хн<х<хн
+ хп)вязкое перемешивание распространяется на весь объём
С., скорость течения на оси уменьшается, но профили скоростей ещё продолжают
изменяться. В осн. участке С. (х>хн + хп)скорость течения на оси уменьшается, профили относит, скорости Du/Dum=f(y/b)становятся неизменными (автомодельными; см. Автомодельное течение ()Du
= uy - ua, Dum= um-ua- избыточные скорости в рассматриваемой точке течения на расстоянии у от
оси С. и на оси). Аналогично профилю скорости ведут себя профили избыточных
температуры и концентрации в осн. участке С.; все они связаны зависимостью:
где DT=T-Tа,
DТт=Тт-Та, 
-соответствующие значения избыточных температуры Т и концентрации 
,
Рr - Прандтля число ,для осесимметричных газовых С. Pr = 0,75-0,8.
Углы расширения границ слоя перемешивания С. a и q различны для полей скорости,
температуры и концентрации. Для турбулентных С. сжимаемого газа углы a и q тем больше,
чем больше отличается от 1 спутность потока m = ua/uc, чем меньше число Мс на срезе сопла и чем меньше отношение
полной энтальпии На течения внеш. газа к полной энтальпии
Нс газа С.: 
=На/Нс. Кроме того, толщина С. в осн. участке (как и толщина пограничного слоя в
начальном), т. е. углы q и a, существенно увеличиваются при увеличении ср. значения
турбулентности потока 
, где 
- ср. величина
поперечной пульсации скорости, а 
-ср.
величина скорости в С. Таким образом, течение в изоба-рич. турбулентной спутной
С. в осн. определяется безразмерными числами Маха М, Прандтля Pr,
спутности течения m, относит. энтальпии H- и турбулентности
течения 
Схема течения в изобарической,
т. н. р а с ч ё т н о й, с в е р х з в у к о в о й спутной С. такая же, как
для дозвуковой (рис. 1). Скорость течения на оси изобарич. С. постоянна в пределах
начального (изоэнтропического) участка течения х<=хн, а в дальнейшем монотонно изменяется, стремясь к значению скорости в окружающем
пространстве. В осн. участке затопленной С. х>хн+хп
скорость на оси изменяется по закону 
для осесимметричных С. и по закону 
для плоских (
=х/bс - безразмерное расстояние от среза сопла). Независимо от формы поперечного
сечения С. на срезе сопла, начиная с нек-рого расстояния 
,
в осн. участке С. становится круглой.
В случае, когда давление
рс в сверхзвуковой С. на срезе сопла отличается от давления
ра в окружающей атмосфере (pс
pа)> С. наз. н е р а с ч ё т н о й и к числу параметров, характеризующих
течение в С., добавляется нерасчётность истечения п=рс/ра, определяющая картину ударных волн в С. и во внеш. пространстве. Примером
такого течения является С., вытекающая из сопла вертикально стартующей ракеты.
Для неё условие n=1 будет иметь место только в одной точке траектории.
Осесимметричная нерасчётная С. (рис. 2), вышедшая из сечения а - а сопла
расширяется в веере волн разрежения, к-рые отражаются от границы С. в форме
волн сжатия, огибающей к-рых является "висячая" ударная волна 1. Осесимметричная волна 1 отражается вблизи оси в области 3, причём
в зависимости от режима течения, определяемого нерасчётностью п и отношением
чисел Мс/Ма , отражение может быть простым или
"маховским", когда вблизи оси течения имеет место прямая ударная
волна, за к-рой скорость газа становится дозвуковой. Отражённые ударные волны
2 пересекают внеш. границу течения, при этом возникают ударные волны
4 во внеш. сверхзвуковом потоке и отражённая волна внутри С. (на рис.
2 не показана). Начальный
газодинамич. участок С. хнг от среза сопла до сечения, в к-ром
отражённая ударная волна пересекает границу С., наз. первой "бочкой".
Вязкий слой перемешивания В, постепенно нарастая, достигает оси течения
на расстоянии xнв, к-рое наз. нач. участком вязкого течения.
Далее следуют участки переходного хп и осн. xo
течений, в к-рых условия течения близки к соответствующим течению в осн. участке
изобарич. С. В спутном потоке, обтекающем нач. участок С., возникает ударная
волна 5 и давление на внеш. поверхности первой "бочки" становится
монотонно убывающим.
Рис. 2. Сверхзвуковая
нерасчётная струя в сверхзвуковом спутном
потоке.
В реальной нерасчётной
С. (рис. 3) в результате отражения ударных волн наблюдается неск. "бочек",
к-рые заполняют всю длину невязкого течения вблизи оси С. на участке xнв,
а иногда выходят за её пределы. В большинстве расчётных методик обычно рассматривают
только первую "бочку", поскольку она содержит наиб. интенсивные
ударные волны, а дальнейшее течение считают изобарическим. Своеобразная картина
течения возникает при истечении сверхзвуковой С. большой нерасчётности в сверхзвуковой
встречный поток (рис. 4 и 5). Рассматривая движение относительно сопла, из к-рого
вытекает С., можно выделить 3 характерные области: область 1, в к-рой
газ вытекает из сопла, с числом Мс при давлении рс, В этой области расположена система ударных волн - УВ (рис. 4), близкая по
форме к системе волн, наблюдающейся в сверхзвуковой затопленной С. большой нерасчётности
п. Область 2 встречного потока, в к--ром перед головной ударной
волной (ГУВ) число Маха - Ма и статич. давление-ра. Область 3, к-рую приближённо можно рассматривать как застойную с
числом М3~0 и давлением p3
ра- Вблизи границ течения в С. и областях внеш. пространства 2 и 3 образуется слой вязкого перемешивания В. Обтекание внеш. газом области
течения в С. аналогично картине обтекания сверхзвуковым потоком затупленного
тела. Течение в области точки 4 близко к течению вблизи критич. точки
затупленного тела.
Рис. 3. Теневая фотография
осесимметричной сверхзвуковой
нерасчётной затопленной струи: 1-висячая ударная
волна; 2- отражённые ударные волны; 3 - область отражения
ударных волн.
Рис. .4. Схема течения
в сверхзвуковой струе, вытекающей во встречный поток: 1 - область течения
газа, выходящего из сопла; 2-область встречного потока; 3 - область
застойного течения; 4 - "критическая" точка; В- область
вязкого перемешивания.
Рис. 5. Теневая фотография
сверхзвуковой струи, вытекающей
во встречный поток.
Информация о распределении
скорости, температуры, концентрации компонентов в сечениях С., расположенных на
'выбранном расстоянии от среза сопла, необходима для определения силовых и тепловых
нагрузок на стартовые сооружения и элементы конструкций ракетных и самолётных
комплексов, на лопатки газовых турбин и др. Та же информация необходима для
расчёта излучения С. в широком диапазоне длин эл--магн. волн; Существенно также
акустич. поле, возникающее в области распространения С., т. к. турбулентная
С. генерирует и акустич. волны. Акустич. мощность, излучаемая С. реактивного
двигателя, составляет ок. 1% от общей мощности двигателя; она пропорциональна
восьмой степени скорости потока у среза
сопла. Уровень шума достигает 150-165 дБ, а спектр частот охватывает более 7
октав.
Разработано большое кол-во полуэмпирич. и численных методов расчёта течения в газовых С., использующих ЭВМ и дающих возможность рассчитать турбулентные и ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые, в т. ч. нерасчётные, С. с учётом двухфазности, хим. реакций в слое смешения, неравновесности течения и др. Однако поставленная задача не является решённой окончательно. Даже самые совершенные расчётные методы используют для получения решения эмпирич. законы турбулентного перемешивания, скорости хим. реакций, интенсивности излучений, полученные в условиях, не позволяющих считать эти законы универсальными.
М. Я. Юделович
|
|
 |
