авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 10 |

«А.Ю. АНДРЮШКИН ФОРМИРОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ СВЕРХЗВУКОВЫМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РАСПЫЛЕНИЕМ Министерство образования и науки Российской Федерации ...»

-- [ Страница 3 ] --

Г – газ;

Ж – жидкость 5. По способу подачи жидкости в факел распыла.

5.1. Подача жидкости самотеком – истечение жидкости под соб ственным весом.

5.2. Подача жидкости под давлением – вытеснительная система по дачи жидкости.

5.3. Импульсная подача жидкости – жидкость подается периодически.

5.4. Подача жидкости эжекцией – поток газа создает область с низ ким давлением, в которую устремляется жидкость.

6. По форме поперечного сечения канала подачи жидкости (рис. 3.6):

круглая (рис. 3.6, а), эллиптическая (рис. 3.6, б), треугольная (рис. 3.6, в), квадратная (рис. 3.6, г), ромбическая (рис. 3.6, д), в виде многогранника, например, пять граней (рис. 3.6, е), в виде замкнутой фигуры, состоящей из выпуклых кривых (рис. 3.6, ж), в виде замкнутой фигуры, состоящей из вогнутых кривых (рис. 3.6, к), щель (рис. 3.6, л), замкнутая щель, например, кольцевая (рис. 3.6, м).

а) б) в) г) д) е) ж) к) л) м) Рис. 3.6. Формы поперечного сечения канала подачи жидкости: а – круглая;

б – эллиптическая;

в – треугольная;

г – квадратная;

д – ромбическая;

е – в виде мно гогранника;

ж – в виде фигуры, состоящей из выпуклых кривых;

к – в виде фигу ры, состоящей из вогнутых кривых;

л – щель;

м – замкнутая щель (кольцевая) 7. По форме продольного сечения канала подачи жидкости (рис. 3.7):

цилиндрическая (рис. 3.7, а), коническая (рис. 3.7, б), коноидальная (рис. 3.7, в), комбинированная (рис. 3.7, г).

а) б) в) г) Ж Ж Ж Ж Рис. 3.7. Формы продольного сечения канала подачи жидкости: а – цилиндриче ская;

б – коническая;

в – коноидальная;

г – комбинированная 8. По конструктивному оформлению сопел подачи газа (рис. 3.8).

8.1. Цилиндрическое сопло (число Маха М 1) (рис. 3.8, а).

8.2. Коническое сужающееся сопло (М 1) (рис. 3.8, б).

8.3. Сопло Лаваля (М 1) (рис. 3.8, в).

8.4. Коническое расширяющееся сопло (М 1) (рис. 3.8, г).

а) б) в) г) Рис. 3.8. Сопла подачи газа: а – цилиндрическое сопло;

б – коническое сужающееся сопло;

в – сопло Лаваля;

г – коническое расширяющееся сопло 8.5. Щелевое сопло: прямое (рис. 3.9, а), угловое (рис. 3.9, б), серпо видное (рис. 3.9, в), кольцевое (рис. 3.9, г), в виде произвольно изогнутой кривой (рис. 3.9, д). В поперечном сечении щелевое сопло имеет форму сечения, как и сопла на рис. 3.8, а-г.

а) б) в) г) д) Рис. 3.9. Щелевые сопла: а – прямое;

б – угловое;

в – серповидное;

г – кольцевое;

д – в виде произвольно изогнутой кривой 9. По конструктивно-технологическому элементу, повышающему эффективность диспергирования жидкости.

9.1. Элементы для разделения потока жидкости на отдельные струи и пленки.

9.2. Элементы для столкновения струй и пленок потока жидкости.

9.3. Отражающие элементы (отражатели или обтекатели), о которые разбивается поток жидкости или растекается по нему в виде пленки.

9.4. Элементы для закручивания потока жидкости вокруг оси распы лителя.

9.5. Вращающиеся элементы, для распределения поток жидкости в потоке газа.

9.6. Элементы для повышения температуры потока жидкости.

9.7. Элементы, генерирующие акустические колебания в потоке жид кости.

9.7.1. Элементы, генерирующие ультразвуковые колебания в потоке жидкости.

9.8. Элементы, создающие пульсации в потоке жидкости.

9.9. Электризация потока жидкости.

9.10. Насыщение потока жидкости газом.

9.11. Элементы, воздействующие на факел распыла.

Сочетание различных признаков обуславливает большое разнообра зие способов СГМР. Опираясь на общие признаки, можно выбрать наиболее подходящий для проектируемого технологического процесса способ и соответствующую ему схему узла распыления.

3.3. Основные положения СГР жидкостей Дисперсность капель зависит от параметров потоков жидкости и га за, а так же от конструктивно-технологической организации узла распы ления. К таким основным параметрам можно отнести:

Uж;

Uг – скорость потоков жидкости и газа, м/с;

Ж;

Г – плотность жидкости и газа, кг/м3;

– поверхностное натяжение на границе «газ-жидкость», Н/м;

ж, г – динамическая вязкость жидкости и газа, Па·с;

dкж;

dкг – диаметры каналов подачи жидкости и газа, м.

В факеле распыления создается высокая турбулентность, вследствие чего капли жидкости перемешиваются. В потоке газа можно одновременно распылять нескольких жидкостей, что позволяет формировать многокомпо нентные смеси. Задавая технологические режимы диспергирования, можно изменять свойства смеси в желаемом направлении, а также формировать смесь с заранее заданными свойствами [2-5, 45, 62, 66, 79, 112, 115, 119].

Получение смесей СГР из вязких компонентов смеси предполагает предварительную их подготовку к распылению. Эта подготовка заключа ется в снижении вязкости компонентов для придания им текучести. В зависимости от природы компонентов приготавливают композиции (рас творы, расплавы, суспензии, эмульсии), обладающие необходимой теку честью. Подготовленные к распылению жидкие компоненты и компози ции струями и/или пленками подают в высокоскоростной поток газа, где происходит их распад на капли. Композиция имеет необходимые техно логические свойства для эффективного диспергирования в потоке газа и транспортировки по трубопроводам.

Из емкости композицию откачивают насосом и с расходом Qж по тру бопроводу подают к распылителю. Подача перекачиваемой композиции в высокоскоростной поток газа может осуществляться одной струей или спреерно, то есть через систему каналов, распределенных определенным образом в распылителе. Поток композиции разбивается на несколько авто номных струй, впрыскиваемых в разные зоны потока газа. Таким образом, i-ю струю j-й композиции подают в поток газа с расходом [73, 132, 189]:

Qij=Uij·Fij, (3.1) где Uij – скорость впрыска i-й струи j-й композиции, м/с;

Fij – поперечное сечение i-го канала, по которому подают j-ю композицию, м2.

Тогда расход j-й композиции через все i-е каналы [73, 132, 189]:

n кан Qj U ij F ij, (3.2) i где nкан – число каналов, шт.

Отсюда при проектировании ГОС при заданной Uij рассчитывают кон структивно-геометрические параметры узла распыления. Теория для расче та оптимальных параметров распылителя и выбора рациональных режимов диспергирования находится в состоянии разработки. В связи с этим делают ся попытки, использовать основные теоретические положения гидравлики и газовой динамики, проанализировать процесс диспергирования и, хотя бы приближенно, рассчитать основные параметры факела распыления.

При диспергировании композиции (жидкости) происходит ее пере ход из состояния сплошной среды в раздробленное капельное состояние, которое характеризуется концентрацией композиции zжj в факеле распы ления[73, 189]:

zжj = Qжj/Qг. (3.3) 3 где Qжj – расход j-й композиции, м /с;

Qг – расход газа, м /с.

Силовое воздействие потока газа на струю жидкости характеризует ся ее кинетической энергией. Из практики известно, что устойчивое рас пыление низковязкой жидкости наступает при соотношении кинетиче ской энергии потока газа и потока жидкости больше двух [73, 132, 189]:

г U г (3.4) 2, ж U c где г, ж – плотность газа и жидкости соответственно, кг/м3;

Uг, Uс – скорость потока газа и струи жидкости, м/с.

Например, при распылении воды (ж = 1000 кг/м3) воздухом (г = 1,205 кг/м3) соотношение скорости воздушного потока и скорости струи воды:

Uг (3.5) 2 ж 57,6.

г Uc Из неравенства следует, что скорость истечения воздуха должна превышать скорость струи воды, по крайней мере, в 60 раз. Дальнейшее дробление капель происходит под воздействием аэродинамических сил.

При диспергировании вязких жидкостей скорость потока газа для по лучения устойчивого факела распыления должна быть значительно выше, чем при дроблении низковязких жидкостей. Чем выше вязкость жидкости, тем сложнее организовать устойчивый факел распыления. Основываясь на опытных данных можно предложить условие, учитывающие вязкость жид кости и газа, при котором вязкая жидкость распыляется устойчиво:

г г U г 0,5 (3.6) 1.

0, U c ж ж Сравним условия (3.4) и (3.6) при распылении воды, учтя вязкость воды и воздуха. При распылении воды (ж=1000кг/м3;

ж=0,001Па·с) воз духом (г=1,205кг/м3;

г=1,75·10-5Па·с) соотношение скорости воздушно го потока и скорости струи воды с учетом вязкости:

0, ж ж Uг (3.7) 79,2.

0, г г Uc Учет вязкости воды приводит к необходимости увеличения скоро сти газового потока для получения устойчивого факела распыла.

Найдем соотношение Uг/Uс для вязкой жидкости, например, для смолы ДЭГ-1 (ж=1115кг/м3;

ж=0,07Па·с), распыляемой воздухом (г=1,205кг/м3;

г=1,75·10-5Па·с):

0, U г ж ж 242. (3.8) 0, г г Uc Также найдем соотношение скоростей потоков жидкости и газа для связующего на основе эпоксидной смолы (ж=1150кг/м3;

ж=0,1Па·с), распыляемого воздухом (г=1,205кг/м3;

г=1,75·10-5Па·с):

0, ж ж Uг (3.9) 268,6.

0, г г Uc Из соотношений (3.8) и (3.9) видно, что для формирования устойчи вого факела распыления при диспергировании вязких жидкостей необхо димо применение околозвуковых и сверхзвуковых газовых потоков.

При адиабатном установившемся течении газа увеличение кинетиче ской энергии происходит за счет уменьшения его энтальпии, а, следова тельно, и внутренней энергии. Увеличение скорости газа происходит при уменьшении его давления и температуры (рис. 3.10) [131, 132, 137, 149, 151, 158, 171, 176].

p г, Uг, Тг Uа То pо Uг Uзв=Uкр Tг p кр Та pг pа x pо pа pн М=1 Fкр dа 2а М1 Uзв p кр dкр М1 Uа Fа Lс Рис. 3.10. Схема сверхзвукового сопла Отношение давлений кр при достижении звуковой (критической) скорости истечения определяется по формуле [131, 132, 137, 186]:

pкр 2 1 (3.10), кр pо где pо – полное давление газа в трубопроводе подачи газа (ресивере), Па;

ркр – критическое давление, при котором достигается звуковая скорость газа, Па;

– показатель адиабаты.

Для одноатомных газов =1,66, кр=0,490;

для двухатомных газов =1,40;

кр=0,528;

для трехатомных газов =1,30, кр=0,546. Скорость истечения газа из сверхзвукового сопла можно определить по формуле [131, 132, 137, 186]:

pн, 2 (3.11) -1 R T о 1 p Uа о где pн – статическое давление окружающей среды, Па;

То - температура газа в трубопроводе, К;

R – газовая постоянная, Дж/(кг·К);

Uа – ско рость истечения газа в выходном сечении сопла, м/с.

Скорость истечения газа при критическом отношении давлений кр, то есть скорость звука Uзв (м/с), находят из выражения [131, 132, 137, 186]:

p (3.12) U зв 2 R Tо 2 о, 1 1 о где о – плотность газа в трубопроводе подачи (ресивере), кг/м3.

Массовый расход газа Gг (кг/с) определяют по формуле [131, 132, 137]:

pн pн (3.13) p, G г F кр 1 о о ро pо где Fкр – критическое (минимальное) сечение сопла, м2.

При скорости истечения равной скорости звука Uг=Uзв, массовый расход газа максимален Gг max (кг/с), его определяют по формуле [131, 132, 137, 186]:

2 1 (3.14) G гmax F кр 1 p о о.

Расчет сверхзвукового сопла при заданном секундном расходе газа сводится к определению диаметра критического сечения сопла dкр (м) (так как оно определяет секундный расход газа), диаметра выходного сечения сопла dа, а так же длины сверхзвуковой части сопла Lc (рис. 3.10).

Формула для расчета критического сечения сопла Fкр (м2) имеет вид [131, 132, 137, 186]:

Gг. (3.15) F кр 1/ U зв кр Для воздуха параметры в критическом сечении сопла (давление ркр;

плотность воздуха кр;

температура Ткр) можно определить по формулам [131, 132, 137, 186]:

ркр=0,528·ро;

кр=0,634·о;

Ткр=0,833·То. (3.16) Площадь сопла Fx (м ) в поперечном сечении с координатой х (м) (рис. 3.10) можно определить по формуле [131, 132, 137, 186]:

1 2 2 2, (3.17) F x F кр 1 0, px px p p о о где px – давление газа в поперечном сечении сопла с координатой х, Па;

Fх – площадь сопла в поперечном сечении с координатой х, м2.

Также площадь сопла Fx (м2) в поперечном сечении с координатой х можно определить по формуле [131, 132, 137, 186]:

2 1 2 М x 2 (3.18) F x F кр 1, М x 1 где Мx – число Маха в поперечном сечении сопла с координатой х.

Если принять, что расход газа через любое поперечное сечение соп ла одинаков (Gг=const), то площадь сопла в поперечном сечении с коор динатой х можно определить из формулы (3.13) [131, 132, 137, 186]:

Gг Fx, (3.19) px px p 1 о о ро pо Длина сверхзвуковой части сопла Lc (м) определяется по формуле [137]:

d а d кр, (3.20) Lc 2 tg а где а – угол полураствора сопла, град.

При расчетах с учетом сопротивления протеканию газа действитель ная скорость истечения газа будет меньше расчетной вследствие трения струи о стенки сопла, что учитывается коэффициентом скорости с;

кро ме того, сечение струи на выходе может быть меньше выходного сечения сопла, что учитывается коэффициентом сужения струи с. Исходя из это го, действительный объемный расход газа Qг (м3/с) можно найти по фор муле [137]:

Qг cc F а U а F а U а, (3.21) с где с – коэффициентом скорости струи;

с – коэффициентом сжатия струи;

с – коэффициент расхода;

Fа – площадь выходного сечения сопла, м2.

Массовый расход газа Gг (кг/с) связан с объемным расходом Qг (м3/с) [132]:

G г Q г г. (3.22) Объемный расход жидкости [131, 132, 137, 186]:

2 ( p ж pн ) (3.23) Q ж F кж, ж где Fкж – площадь поперечного сечения канала подачи жидкости, м2;

pж – давление в магистрали подачи жидкости, Па.

Итак, струя жидкости, подаваемая в сверхзвуковой поток газа, рас падается на первичные капли. Затем крупные первичные капли, взаимо действуя со скачками уплотнения газодинамического факела, распадают ся на более мелкие вторичные капли, что позволяет получать на выходе ГОС капли определенного размера [177, 184, 186, 187, 189, 198-200].

В процессе диспергирования композиций образуются капли разных размеров и состава. Размер вторичных капель зависит от свойств компо нентов, составляющих их, и от схемы, по которой прошло разрушение первичной капли. Макромолекулы полимера являются наиболее крупны ми частицами, которые могут вместе с молекулами других компонентов композиции, образовывать вторичные капли. В состав макромолекулы полимера может входить от нескольких десятков до нескольких тысяч молекул мономера. Размеры большинства капель, в состав которых вхо дят макромолекулы полимера, составляют 10-4…10-5м. Капли могут со стоять из молекул, имеющих маленькую молекулярную массу и неболь шие размеры, например, растворителя. Размеры этих капель составляют от 10-5 до 10-7м.

Для определения диаметра капель существует ряд формул.

1. Среднеарифметический диаметр капель dк.ар (м) [66, 83, 91-96]:

N nкi d кi (3.24) i d к.ар, Nк где nкi – число капель диаметра dкi;

Nк=nкi – число всех капель.

При таком осреднении удельное содержание капель определяется их относительным количеством. Капли высокой дисперсности составляют лишь малую часть общей массы распыленной жидкости, а это значит, что такое осреднение не учитывает распределение массы жидкости по каплям.

2. Среднемассовый диаметр капель dк.масс (м) [66, 83, 91-96]:

Gк g d кi кi, (3.25) i d к.масс Gк где gкi – вес капель диаметра dкi, кг;

Gк=gкi – вес всех капель, кг.

3. Средний диаметр капель, являющийся отношением объема капли к ее поверхности dк.s (м) [66, 83, 91-96]:

Nк nкi d кi (3.26).

i d к.s Nк nкi d кi i 4. Объемный средний диаметр капель dк.V (м) [66, 83, 91-96]:

Nк nкi d кi (3.27) i 1.

d к.V Nк nкi i 5. Поверхностный средний диаметр капель dк.F (м) [66, 83, 91-96]:

Nк nкi d кi (3.28) i 1.

d к. F Nк nкi i 6. Медианный диаметр капель dк.мед (м) делит объем всех капель на две равные части, размеры которых больше или меньше dк.мед [66, 83, 91-96]:

m N к nкi d 3i nкi d 3i. (3.29) к к i 1 i m Выбор того или иного способа определения среднего диаметра ка пель зависит от тех целей, для которых осуществляется распыление жид кости.

Для создания эффективной ГОС, проектирования оборудования и устройств необходимо установить зависимости, связывающие между со бой свойства компонентов смеси, газа и конструктивным исполнением этой системы, описать процессы, протекающие в ней. К таким процессам относятся: распад потока жидкости на капли в газовом потоке (каплеоб разование) и дальнейшее дробление и перемешивание капель в факеле распыления.

Подсистема подготовки и подачи газа в факел распыления оказывает решающие влияние на выходные параметры ГОС. С технологической точки зрения выгодна многоструйная подача газа в факел распыления, так как это дает широкие возможности по управлению выходными тех нологическими параметрами ГОС. Организуя взаимодействие струй определенным образом, можно изменять конфигурация зоны орошения, интенсивность орошения поверхности, дисперсность капель, дальнобой ность факела распыления и другие выходные технологические параметры [203-205, 227, 228, 231, 237-242].

Далее рассмотрим различные случаи истечения из узла распыления сверхзвуковых струй газа и их взаимодействие между собой и с прегра дой. Изучение структуры факела распыления, образованного при взаимо действии нескольких сверхзвуковых струй связано с рядом трудностей.

Поэтому часто исследуют структуру, полученную при взаимодействии сверхзвуковых струй, истекающих не из узла распыления, а из много соплового блока, при этом жидкость не распыляют. Отсутствие распы ленной жидкости позволяет отчетливо наблюдать структуру газовых струй [249-251, 255, 273, 275, 277, 278, 282, 286].

3.4. Одиночная сверхзвуковая струя Картина течения в сверхзвуковой одиночной струе изучена в насто ящее время достаточно подробно, имеются теоретические и эксперимен тальные работы [2-5, 115, 131, 137, 186, 228, 273], которые позволяют определить параметры и построить структуру струи при различных ре жимах течения.

Характер течения в одиночной струе зависит от ряда параметров, основными из которых являются: форма сопла, давление газа перед соплом (в магистрали) рo давление в окружающей среде (в рабочей поло сти технологического аппарата) рн, вид газа. Струя образуется всегда в том случае, когда давление пред соплом больше давления окружающей среды рн. Если ввести параметр Nр=pо/pн, то истечение из сопла происхо дит при N р 1. При некотором значении Nр=Nр* (для воздуха Nр*=1,89) скорость газа в критическом (наименьшем) сечении сопла достигнет местной скорости звука. При NрNр* течение в струе является дозвуко вым, если NрNр* струя превращается в сверхзвуковой поток со свой ственной только ему системой скачков уплотнения (ударных волн) и об ластей разрежения. Скачки уплотнения создают «бочкообразную» струк туру потока. Число «бочек» зависит от параметра Nр и числа Маха Ма = Uа/Uзв.

Процессы, сопровождающие истечение сверхзвуковой струи, сложны и многообразны. Течение в струе носит пространственный и ярко выра женный нестационарный характер. Окружающая среда, куда происходит истечение струи, вовлекается в движение, образуются эжекционные тече ния, вихревые области, области сжатия и разрежения, звуковые волны. В самой сверхзвуковой струе возникают также взаимодействующие между собой скачки уплотнения, зоны перемешивания, вихревые течения. Окру жающая среда оказывает струе сопротивление, в результате чего струя из гибается, закручивается, колеблется. При истечении струи возникает шум, что является подтверждением нестационарных процессов.

Вязкость и теплопроводность газа обусловливают взаимодействие струи с внешней средой. Процесс перемешивания с газом окружающей среды начинается сразу же при выходе сверхзвуковой струи из сопла в тонком слое. По мере удаления от среза сопла толщина этого слоя растет, зона перемешивания распространяется внутрь струи, на некотором рассто янии граница зоны перемешивания достигает оси струи. Следствием пере мешивания двух сред является движение окружающей среды к поверхно сти струи – эжекция. Характер эжекционного течения зависит от кон струкции узла распыления, из которого истекает сверхзвуковая струя и который эжекционный поток омывает. Структура течения в струе опреде ляется формой сопла, из которого происходит истечение, в частности, ко гда газ истекает из сопла Лаваля, течение в струе зависит от угла полурас твора сопла а.

Описание течения в сверхзвуковой струе при учете всех указанных факторов весьма проблематично, поэтому принимают ряд допущений. В ряде случаев отбрасывают вязкостные эффекты, процессы переноса теп ла, массы, течение считают стационарным.

При истечении сверхзвуковой струи в неподвижную среду с давле нием рн различают в зависимости от давления на срезе сопла ра три ре жима: режим недорасширения (рарн);

расчетный режим (рн=pа);

режим перерасширения (р а рн). Соответственно различают недорасширенные, расчетные и перерасширенные струи. Отношение ра/рн=nр называют сте пенью нерасчетности или просто нерасчетностью. С величиной Nр нерас четность nр связана соотношением nр=Nр(Mа), где (Mа) – газодинами ческая функция: Ma 1 0,5Ma 1.

В случае пр1 (режим перерасширения) существует предельное зна чение нерасчетности nр*. Если nрnр*, то струя, истекающая в окружаю щую среду, отрывается от стенки сопла.

Сверхзвуковую струю можно разбить на три участка (рис. 3.11):

начальный, переходной и основной. Наиболее сложные процессы, трудно поддающиеся изучению, происходят на начальном и переходном участ ках струи 0ххо. При режиме недорасширения при nр2 считают, что конец первой «бочки» является окончанием начального участка. При nр2 начальный участок включает в себя несколько «бочек». Переходный участок разделяется на две части: первый переходный, в котором сохра няется ядро постоянной скорости (осевая скорость постоянная);

второй переходный, у которого ядра постоянной скорости нет, осевая скорость возрастает по направлению струи и максимальная скорость по сечению не находится на оси струи.

1 2 pн pо pа 0 x а Срез сопла 1-ый 2-ой А В Б xo Рис. 3.11. Схема одиночной сверхзвуковой струи, истекающей в неподвижную среду: 1 – ядро истекающего потока;

2 – пограничный слой;

3 – граница струи;

4 – профили коаксиальных скоростей;

А, Б, В – начальный, переходной и основ ной участки струи 3.5. Структура скачков уплотнения сверхзвуковой струи Истечение газа из осесимметричного сопла при расчетном и нерас четном режимах обладает рядом особенностей (рис. 3.12) [2-5, 48, 62, 79, 115, 131].

Расчетный режим. При расчетном режиме истечения nр=1 от кром ки выходного сечения сопла АА1 распространяются волны разряжения АА1В1 и АА1В, которые пересекаются в точке D (рис. 3.12, а). В результате пересечения волн образуется конус разряжения АА1D, в пределах которо го происходит значительное уменьшение давления. Отраженные от гра ницы струи волны пересекаются в пределах второго конуса уплотнения DBB1, в котором давление повышается. Следовательно, точки В и В1, дав ление в которых равно давлению окружающей среды рн, также являются источниками волн разряжения, и спектр струи повторяется. Можно заме тить, что отрезки АА1 и ВВ1 равны. При пересечении конуса разряжения АА1D линии тока деформируются, отклоняясь от оси сопла, сечение струи увеличивается и она «разбухает». В пределах конуса уплотнения DBB1 сечение струи уменьшается. Границы струи, симметричные отно сительно оси струи, приобретают «бочкообразную» форму. В сечениях АА1 и ВВ1 скорости близки к критическим. Между этими сечениями ско рости сверхкритические, причем в точке D скорость будет максимальной.

Следовательно, вся область струи АА1ВВ1 сверхзвуковая.

б) А1 E1 D1 B1 G а) А1 В1 F D Uг Uг В А А DBG F E в) г) д) B1 F1 А E1 F1 B1 F B А1 D1 А D H1 D1 G G G Uг G Uг Uг D G G D H А А D B BF E F B А F Рис. 3.12. Газодинамическая структура ядра струи: а – расчетный режим (пр=1;

pa=pн);

б – умеренная степень недорасширения струи (1nр3);

в – высокая степень недорасширения струи (nр3);

г – режим перерасширения (nр1);

д – степень перерасширения меньше предельной (nрnр*) Режим недорасширения. При дальнейшем росте давления (1nр3) на срезе сопла картина течения за соплом меняется кризисным образом (рис. 3.12, б). Слабые волны, отраженные границы струи, накладываются друг на друга и сходятся к оси струи, образуя криволинейный скачок уплотнения EDD1E1, имеющий форму поверхности вращения. Скачок уплотнения EDD1E1 называют «висячим», он зарождается на некотором расстоянии от среза сопла. Интенсивность «висячих» скачков обычно возрастает по мере удаления от среза сопла, и поэтому при некоторых режимах (nр3) на оси образуется дискообразный скачок уплотнения DD1, который называют «маховским» диском или диском Маха (рис. 3.12, в). Ось струи 0х является нормалью к поверхности скачка уплотнения DD1, поэтому с определенным приближением «маховский»

диск можно считать прямым скачком уплотнения. Контур диска Маха (точка D) представляет собой линию ветвления скачков уплотнения – «висячий» скачок уплотнения EDD1E1 и «отраженный» скачок уплотне ния DBD1B1. «Отраженный» скачок уплотнения DBD1B1 расположен вниз по течению и достигает границы сверхзвуковой струи. Отражаясь от гра ницы, он вызывает образование вторичных волн разрежения, которые также замыкаются криволинейными скачками уплотнения BFB1F1.

Вследствие этого начинается вторичное расширение струи. Таким обра зом, по мере роста давления на срезе сопла формируется мостообразный скачок EDBB1D1E1. Следует отметить, что через «маховский диск» про ходит относительно малая часть массового расхода газа (менее 20%). Ос новная же масса газа движется по периферии струи. При пересечении «маховского» диска DD1 скорости центральной части струи становятся дозвуковыми. Давление за диском Маха интенсивно возрастает, оно не сколько выше, чем давление окружающей среды рн. При переходе через скачок уплотнения DBD1B1 скорости обычно остаются сверхзвуковыми.

Следовательно, линии DG и D1G1 являются линиями тангенциального разрыва скоростей, приближенно их можно считать параллельными оси струи. В результате взаимодействия с внешним сверхзвуковым течением дозвуковое ядро потока ускоряется, а сечение его уменьшается до мини мального сечения HH1, в котором достигается звуковая скорость (М=1).

За этим сечением скорости во всех точках струи сверхзвуковые. По мере дальнейшего увеличения степени нерасчетности nр система скачков по степенно перестраивается. Увеличивается диаметр «маховского» диска, изменяется форма «висячего» скачка, ограничивающего перерасширен ное сверхзвуковое ядро. Необходимо подчеркнуть, что внешние части струи ABFGDE и соответственно A1B1F1G1D1E1, так же как и ядро ADD1A1, остаются сверхзвуковыми. Дозвуковые скорости обнаруживают ся только на небольшом участке внутри струи за диском Маха DD1 [132, 137, 149, 158, 186, 187, 212].

Режим перерасширения. В случае течения с перерасширением (nр1) восстановление давления в струе происходит при помощи скачка уплотне ния АDА1D1, фронт которого сходит с кромки сопла (рис. 3.12, г). При зна чительном перерасширении газа образуется центральный скачок DD1 («ма ховский» диск). Его диаметр меньше диаметра выходного сечения сопла.

С контура диска Маха сходит стационарный разрыв DGD1G1 и расходя щийся конусообразный скачок уплотнения DBD1B1, который, отражаясь от границы струи, вызывает появление волны разрежения BFB1F1, в результа те чего начинается расширение струи. Уменьшение нерасчетности ниже предельной nрnр*, приводит к отрыву струи от стенки сопла (рис. 3.12, д).

При этом увеличивается диаметр диска Маха DD1. Давление вдоль грани цы струи АВА1В1, находящейся внутри сопла отличается от давления окру жающей среды рн [229, 231, 237, 255, 259, 275].

а) б) dмд Uг Uг dмд da dвс dб dс da lвс lмд lс lб lмд lб Рис. 3.13. Геометрические параметры начального участка сверхзвуковой струи:

а – недорасширенная струя;

б – перерасширенная струя Геометрические параметры сверхзвуковой струи. Для проектирова ния технологического оборудования важно знать геометрические пара метры факела распыления. Основные геометрические параметры началь ного участка сверхзвуковой струи (рис. 3.13) можно выразить через сле дующие величины:

dа – выходной диаметр сопла;

dмд – диаметр «маховского» диска;

lмд – расстояние до «маховского» диска;

dвс – максимальный диаметр «висячего» скачка;

lвс – расстояние до максимального диаметра dвс «висячего» скачка;

dс – максимальный диаметр струи;

lс – расстояние до максимального диаметра струи dс;

dб –диаметр первой «бочки» струи;

lб – длина первой «бочки» струи.

Рассмотрим эмпирические формулы, определяющие геометрические параметры начального участка сверхзвуковой струи:

1. Расстояние до «маховского» диска lмд.

1.1. Режим недорасширения (рис. 3.13, а) [239, 240]:

n p Ма, (при nр20;

Mа=1,0…4,85;

=1,3…1,67);

0, 5 (3.30) l мд d а 3, Ма l мд d а 0,69 Mа n p, (при nр=2…30;

Mа=1,5…3,3;

=1,3…1,67). (3.31) Также может быть использованы формулы Льюиса-Карлсона [239, 240]:

l мд d а 0,65 N p, (при Mа=1,5…3,3;

=1,30);

(3.32) l мд d а 0,59 N p, (при Mа=1,0;

=1,40);

(3.33) l мд d а 0,62 N p, (при Mа=1,0;

=1,67). (3.34) На основании опубликованных экспериментальных данных исследо вания недорасширенных струй подогретого воздуха (nр=1…1104;

Ма=1…6;

а=0…20) получено [239, 240]:

l мд d а 0,8 0,085 Ma 2,1 Ma n p 0,5, (при Ма=1…3,6);

0, 2 (3.35) l мд d а 2 0,435 Ma n p 0, 0,, (при Ма=3,6…6). (3.36) 1.2. Режим перерасширения (рис. 3.13, б). В случае истечения пере расширенных затопленных струй воздуха (Ма=1,8…4,5;

) эмпирические формулы для расстояния до «маховского» диска lмд имеют вид [239, 240]:

для конических сопл при а17:

l мд d а 0,85 Mа n p 1,05 tg a 1,4 ;

(3.37) для конических сопл а17:

l мд d а Mа n p 1,22 ;

(3.38) для профилированных сопл при а=0:

l мд d а 0,67 Mа n p 0,52. (3.39) Данные имеющихся расчетов перерасширенных струй идеального со вершенного газа дают для расстояния lмд следующее соотношение [239, 240]:

2 n p Ma 1 0,92 M-1 1,1. (3.40) l мд d а 0, a Сравнение расчетных и опытных данных показало, что величина lдм мало зависит от отношения удельных теплоемкостей, геометрии кромки сопла и давления торможения. Для перерасширенной струи при нахож дении lдм определяющее значение имеет комплекс (Маnр0,5) опытные данные имеют меньшее значение lдм, чем расчетные и с уменьшением (Маnр0,5) различие увеличивается. Основная причина расхождения опыт ных и расчетных данных заключается, вероятно, в отличие действитель ных профилей чисел Маха на срезе конических сопел, от профилей, при нимаемых в расчетах.

2. Диаметр «маховского» диска dмд [239, 240] (при Ма=1,0…3,5;

nр 20;

= 1,30…1,67;

Tо 700К):

1,1 n0,5 (3.41) p d мд d а 2,5.

cosа Так же можно воспользоваться формулой [239, 240]:

l мд d мд d а 1 Ma 0,08 0,52. (3.42) dа По данным В.С. Авдуевского при при Ма4,2 dмдdа ;

при Ма=1…4, [239, 240]:

Мa 1,9.

d мд d а 0,65 n p 1 cos (3.43) 0, 4, По данным Биллинга и др. [239, 240]:

d мд d а 3,6 1 1,07 exp 0,07 n p. (3.44) 3. Максимальный диаметр висячего скачка уплотнения dвс [239, 240]:

d вс d а 1,7 M0, 25 1 n p 1, (3.45) 0, a Ma (при nрnр1, где nр1 2 );

Ma 0, при nрnр1: dвсdа.

4. Расстояние lвс до максимального диаметра висячего скачка dвс при nр4 [239, 240]:

d вс l мд 0,55 3 n p. (3.46) 5. Максимальный диаметр струи dс при nр5 [293, 240]:

d c d а 1,38 2 n p ;

(3.47) при Ма=1,0…4,85;

nр20;

=1,30…1,67;

Tо700К:

1,3 n0,5 (3.48) p ;

dc dа cosа при Ма=1,0…4,85;

nр20;

=1,30…1,67;

Tо700К:

2,0 n0,5 (3.49) p dc dа.

cosа 6. Расстояние lс до максимального диаметра струи dc [239, 240]:

l с 0,9 l мд ;

(3.50) при Ма=1,0…4,85;

n20;

=1,30…1,67;

k4=0,45…0,5):

Ма nk 4 ;

(3.51) p l c d а 2, Ма l мд. (3.52) l c 0, dа 7. Диаметр первой «бочки» струи dб при nр2,5 [239, 240]:

d c d а 1,15 1,5 n p. (3.53) 8. Длина первой «бочки» струи lб.

8.1. Режим недорасширения при nр1 [239, 240]:

l б l мд 1,3 0,5 n p ;

3 (3.54) при Ма=1,0…4,85;

n=20;

=1,30…1,67;

k4=0,45…0,5:

М а nk 4 ;

(3.55) p lб d а 4 Ма l мд. (3.56) l б 1, dа 8.2. Режим перерасширения.

Для конических сопел при а17 [239, 240]:

l б d а 1,36 Mа n p 1,05 tg a 2,0. (3.57) При истечении струи идеального газа используют соотношение [239]:

(3.57а) 2 n p Ma 1 1,15 M-1 1,81.

l б d а 1, a Для практических расчетов желательно знать распределение чисел Маха M(x) по оси струи. Распределения чисел Маха по оси струи может быть задано в виде дробно-линейной функции (при Ма=1;

=1,14…1,67;

0x/dа10) [239]:

a x b, Mx (3.58) x c a 3,56 0,01 exp4,47 ;

b 1 0,024 exp3,9 ;

c 1,7 0,019 exp4,3.

Для случая, когда Ма1 зависимости М(х) могут быть получены из выражения для Ма=1 путем смещения последних вдоль оси ординат на шаг величиной (Ма-1) [239]:

a x Ma 1 b.

(3.59) M x Ma x Ma 1 c При x=0 формула (3.59) не дает точного значения числа Маха в струе, но по мере роста х этот факт сглаживается довольно быстро.

3.6. Взаимодействие струй, при многоструйной подаче газа Истекающие из многосоплового узла распыления и взаимодействую щие между собой сверхзвуковые струи газа образуют составную струю.

Составная струя по сравнению с одиночной струей имеет более сложную газодинамическую структуру течения, характеризуется появлением допол нительных скачков уплотнения, различных эффектов. В узлах распыления чаще всего используют сверхзвуковые недорасширенные струи, при взаи модействии которых образуется развитая система скачков уплотнения.

Возможны три основные схемы расположения сопел в узлах распы ления:

1. Линейная схема, при которой центры сопл расположены на од ной прямой.

2. Круговая схема, центры сопел расположены на окружности.

3. Комбинированная схема, представляющая комбинацию линейной и круговой.

В зависимости от назначения узла распыления струи газа могут быть направлены параллельно оси факела распыления, расходиться от нее или сходится в определенной точке на оси факела распыления [46, 48, 79, 149,158, 186, 187, 228, 229, 239, 240, 255, 256, 259].

3.6.1. Составная струя, состоящая из двух сверхзвуковых недорасширенных струй Наиболее простой является составная струя, состоящая из двух вза имодействующих на начальном участке одиночных сверхзвуковых недо расширенных струй, истекающих из двухсоплового блока (рис. 3.14).

Введем следующие условные обозначения (рис. 3.14, а): dcг – диаметр окружности, на которой расположены центры сопел подачи газа. Плос кость, проходящую через оси сопел (I-I), назовем осевой плоскостью, а плоскость, перпендикулярную ей (II-II) и проходящую через центр двух соплового блока (точка O) - плоскостью взаимодействия. Расстояние между осями сопел lсг (в случае двух сопел lсг=dcг) назовем разносом со пел, а расстояние от среза сопла до плоскости донного экрана hсг – вы ступанием сопел за донный экран (торец).

Рассмотрим структуру скачков уплотнения при взаимодействии двух сверхзвуковых недорасширенных струй на начальном участке, полагая, что взаимодействие струй начинается с момента пересечения их идеаль ных границ 1 (рис. 3.14, б, в). Линия взаимодействия, которая представ ляет собой линию пересечения поверхностей границ струй 1, будет ле жать в плоскости взаимодействия (II-II) в случае, если параметры газа на срезе сопел одинаковы.

Различие в структуре одиночных и составных струй определяется возникновением новых скачков уплотнения, вследствие интерференции (взаимодействия) отдельных одиночных струй (рис. 3.14, б, в). При взаи модействии одиночных струй возникает интерференционный скачок 3, который взаимодействует со скачком 2 одиночной струи, образует ре зультирующий скачок 5 и стационарный разрыв 4.

I а) б) d сг II II II о II lсг x da I Осевая плоскость hсг Донная область Плоскость взаимодействия в) 5 II II x 6 hсг Рис. 3.14. Составная струя, состоящая из двух сверхзвуковых струй:

а – схема соплового блока;

б, в – структура скачков уплотнения Скачок 5 может взаимодействовать с «маховским» диском 10 одиноч ной струи или со скачком 2. При взаимодействии скачка 5 с «маховским»

диском 10 возникают скачки 6 и 7, а также стационарный разрыв (рис. 3.14, б). При взаимодействии скачка 5 со скачком 2 также возникают скачки 6 и 7, а также стационарный разрыв 8 (рис. 3.14, в). Скачок 7, под ходя к оси составной струи, лежащей в плоскости II-II, отражается от нее.

В результате возникают скачки 9 и 11 и стационарный разрыв 12, в некото рых случаях появляются только скачок 9 и разрыв 12, а скачок 11 отсут ствует. Скачок 6 подходит к границе струи 1, а 7 – к плоскости взаимодей ствия II-II. Выход скачка 6 на границу струи 1 вызывает растекание потока в плоскости взаимодействия II-II. При этом составная струя в плоскости взаимодействия II-II будет шире, чем в осевой плоскости I-I и эта асиммет рия может сохраняться на значительных расстояниях от среза сопл.

Анализ составной струи показывает, что в ней имеются области те чения, где параметры газа аналогичны параметрам одиночной струи (об ласть свободного течения), однако в области взаимодействия (область, ограниченная скачками 3, 5, 7, 11) (рис. 3.14 б) параметры течения зави сят от условий взаимодействия струй. В донной области (области, огра ниченной торцом соплового блока и границами взаимодействующих струй) параметры течения зависят как от условий взаимодействия, так и от конструкции соплового блока.

Непосредственно у среза сопла одиночные струи распространяются автономно, а после их взаимодействия на расстоянии порядка 5·da обра зуется составная струя с единой границей, имеющая сложную конфигу рацию. Ширина струи в осевой плоскости I-I и плоскости взаимодействия II-II различна по длине составной струи. У среза сопел при сравнительно большом расстоянии между осями сопел (lсг5·dа) ширина составной струи в плоскости взаимодействия II-II несколько меньше, чем в осевой плоскости I-I. По мере удаления от среза сопел вниз по течению ширина составной струи в осевой плоскости I-I практически не меняется, а в плоскости взаимодействия II-II после соударения одиночных струй про исходит интенсивное растекание потока. Таким образом, на удалении от среза сопел, размер составной струи в плоскости взаимодействия II-II значительно превосходит ее размер в осевой плоскости I-I (в некоторых сечениях более чем в два раза). На расстоянии 150·da от среза сопел ши рина составной струи в плоскости взаимодействия II-II становится мак симальной, и далее вниз по течению она плавно уменьшается, приближа ясь по величине к ширине струи в осевой плоскости I-I. На расстоянии 300·da от среза сопл составная струя становится цилиндрической и пре вращается в обычную турбулентную осесимметричную струю.

Статическое давление pос (Па) на оси составной струи можно опре делить по эмпирическому выражению (при 1,5х/dа5;

Ма=1…2,5;

п р =30…50;

h /d а =0…1,0;

lсг/dа=1,2…2,0) [239, 240]:

x x (3.60) pоc pа 0,272 0,120 0,015.

dа dа Распределение числа Маха по оси составной струи в рассматривае мом диапазоне изменения параметров дает зависимость [239, 240]:

x x (3.61) М( x) 1,32 0,895 0,0479.

dа dа 3.6.2. Составная струя, состоящая из трех сверхзвуковых недорасширенных струй Рассмотрим составную струю, состоящую из трех взаимодействую щих сверхзвуковых струй в случае линейного расположения сопел (рис. 3.15 а). В этом случае осевая плоскость (I-I) проходит через оси всех трех сопел, две плоскости взаимодействия II-II перпендикулярны осевой плоскости и проходят на равном расстоянии между осями сосед них сопел. Плоскость III-III, проходящая через ось центрального сопла, назовем плоскостью симметрии.

I а) б) II II lсг III III 5 II II 4 d a I Осевая плоскость hсг Плоскость взаимодействия Донная область Плоскость симметрии Рис. 3.15. Составная струя, состоящая из трех сверхзвуковых струй: а – схема соплового блока;

б – структура скачков уплотнения В плоскостях взаимодействия II-II в результате пересечения сосед них струй возникает интерференционный скачок уплотнения 3, который, взаимодействуя со скачком 2, переходит в результирующий скачок (рис. 3.15, б). Часть составной струи, которая лежит на периферии за плоскостями взаимодействия II-II, подобна струе, состоящей из двух вза имодействующих струй (рис. 3.14, б). В области, заключенной между плоскостями взаимодействия II-II, возникают новые скачки уплотнения.

При пересечении двух скачков 5, симметричных относительно плоскости симметрии III-III, образуются скачки уплотнения 9, 11 и стационарный разрыв 13. Пересечение скачков 9 и 7 приводит к возникновению скачка 12, при подходе которого к оси струи, лежащей в плоскости симметрии III-III, образуются скачки 15, 17 и стационарный разрыв 16.

Составная струя, истекающая из соплового блока с тремя соплами, аналогична струе, истекающей из блока с двумя соплами, в областях, ле жащих на периферии составной струи. При достижении расстояния (350...400·da) от среза сопл составная струя превращается в обычную тур булентную струю.

3.6.3. Составная струя, состоящая из четырех сверхзвуковых недорасширенных струй Составная струя, состоящая из четырех сверхзвуковых струй, цен тры сопел которых расположены в вершинах квадрата со стороной, рав ной lсг (рис. 3.16, а). В составной струе, истекающей из четырех сопел, скачки уплотнения образуются при взаимодействии каждой пары струй, аналогично составной струе, истекающей из двухсоплового блока. До полнительные скачки уплотнения возникают при взаимодействии струй на оси четырехсоплового блока. Через центры сопел проходят осевые плоскости I-I, плоскости взаимодействия II-II находятся между центрами сопел и пересекаются на оси четырехсоплового блока.

I II а) б) I 2 I I II II lсг da I I I I hсг II Осевая плоскость Донная область Плоскость взаимодействия Рис. 3.16. Составная струя, состоящая из четырех сверхзвуковых струй:

а – схема соплового блока;

б – структура скачков уплотнения На периферии составной струи, состоящей из четырех струй, струк тура скачков уплотнения (рис. 3.16, б) аналогична структуре скачков уплотнения составной струи, состоящей из двух струй (рис. 3.14, в). На оси составной струи, являющейся линией пересечения плоскостей взаи модействия II-II, пересекаются наружные границы 1 струй (рис. 3.16, б).

При взаимодействии одиночных струй на пересечении осевой плоскости I-I и плоскости взаимодействия II-II возникает скачок 3, взаимодейству ющий со скачком 2, образуется результирующий скачок 5 и стационар ный разрыв 4. При взаимодействии скачка 5 со скачком 2 возникают скачки 6 и 7, стационарный разрыв 8. В результате взаимодействия на оси составной струи потоков газа от каждой пары соседних одиночных струй появляется новый скачок 9. Взаимодействие скачка 7 со скачком приводит к появлению скачка 10.

Наибольшее влияние на распределение газодинамических параметров на начальной стадии формирования составной струи оказывают разнос сопел lсг, степень нерасчетности nр, число Маха на срезе сопла Ма. Влияние угла полураствора сопла а и выступания сопел hсг менее значительно.

На практике используют сопловые блоки, представляющие собой сочетание различных схем расположения сопел (рис. 3.17, а, б, в). Оценка структуры скачков уплотнения в каждом конкретном случае проводится отдельно. Однако, в каждой составной струе, истекающей из много соплового блока, будут области схожие с областями составных струй, рассмотренных выше. Наибольший практический интерес для создания узлов распыления представляют сопловые блоки с соплами расположен ными по окружности (рис. 3.17, в). При расположении сопел по окружно сти взаимодействуют только соседние струи и структура скачков уплот нения будет аналогична структуре скачков уплотнения при истечении из трехсоплового блока.

а) lсг б) в) lсг lсг dсг Рис. 3.17. Многосопловые блоки 3.7. Взаимодействие истекающих навстречу друг другу сверхзвуковых струй В некоторых случаях для распыления жидкости применяют столкно вение сверхзвуковых газовых потоков друг с другом (рис. 3.18). Реализа ция данной схемы в производстве требует знания физической картины и методики расчета основных параметров возникающего при этом сложно го пространственного течения [48, 75, 158, 246, 247, 283].

3 1 2 Рис. 3.18. Распыление встречными струями: 1 – канал подачи жидкости;

2 – сверхзвуковое сопло;

3 – сверхзвуковая струя газа;

4 – струя жидкости;

5 – область взаимодействия факелов распыления Распыление жидкости встречными дозвуковыми газовыми струями хорошо исследовано и с успехом применяется на практике в различных газоструйных диспергаторах, в топочно-горелочных устройствах. Взаи модействие встречных сверхзвуковых струй исследовано мало, теорети ческая база разработана недостаточно.

Рассмотрим картину течения при взаимодействии на начальном участке встречных сверхзвуковых струй (рис. 3.19). Сверхзвуковые недо расширенные струи газа истекают из сопл А и Б навстречу друг другу. В результате взаимодействия возникает сложная структура скачков уплот нения. Можно выделить условную границу раздела 3, которая проходит через точку торможения потоков газа и отделяет одну струю от другой.

На границе раздела 3 давление с обеих сторон одинаковое. В каждой из струй образуются центральные скачки уплотнения 2 и 2', которые, пере секаясь с висячими скачками струй 1 и 1’, приводят к появлению в точке отраженных скачков 5 и 5' и тангенциальных разрывов 4 и 4'. Волновая структура в струях зависит в основном от степени нерасчетности истека ющих струй п р А и nрБ и расстояния L А Б между соплами. В случае, когда степени нерасчетности не одинаковы (nрАnрБ) возможно появление не устойчивых режимов течения, скачкообразное изменение положения по верхности раздела 3 между струями.

4' 5 5' 1' А Б 1 2 2' LА1 LБ LА2 LБ LАБ Рис. 3.19. Взаимодействие встречных сверхзвуковых недорасширенных струй:

А, Б – сопла подачи газа Положение центральных скачков от расстояния между соплами можно определить по следующему выражению [246, 247]:

LА1 LБ1 0,745 0,83 exp 1,734, (3.62) SА SБ SА SБ где S А МаА d аА n pА ;

S Б МаБ d аБ n pБ – комплексы – параметр подобия продольных размеров волновой структуры недорасширенных струй, истекающих из сопл А и Б соответственно;

LА1, LБ1 – расстояние между соплом и центральным скачком для сопл А и Б соответственно.

В этих же работах предложена формула и для определения положе ния поверхности раздела 3 [246, 247]:

LА1 LБ1 0,745 0,83 exp 1,73 LА 2 LБ 2, (3.63) SА SБ SА SБ где LА2, LБ2 – расстояние от сопла до поверхности раздела для сопл А и Б соответственно.

Таким образом, эмпирические зависимости (3.62) и (3.63) позволяют рассчитать положение центральных скачков и поверхности раздела во встречных струях, когда они взаимодействуют в пределах начального участка.

3.8. Взаимодействие сверхзвуковой струи с преградой Картина течения, имеющая место при взаимодействии встречных струй, во многом аналогична процессу взаимодействия сверхзвуковой струи с преградой. Исследование процесса взаимодействия сверхзвуко вой струи с твердой поверхностью важно при напылении.

Рассмотрим сверхзвуковую недорасширенную струю газа, взаимо действующую с плоской «безграничной» преградой (рис. 3.20), угол между осью струи и преградой пр=90. Термин «безграничная» преграда применительно к рассматриваемому процессу означает, что физические размеры преграды в рассматриваемом диапазоне изменения нерасчетно сти струи и расстояния от среза сопла до преграды не влияют на течение в области взаимодействия [47, 54, 116, 236, 237].

а) в) 2 xс 1 Нс xцс Rт 2 б) R1т R2т Rт Rт Рис. 3.20. Взаимодействие струи с преградой: Rт – точка торможения потока на пре граде;

Hс – расстояние от преграды до среза сопла;

хцс – расстояние от центрального скачка до преграды;

хс – расстояние от среза сопла до центрального скачка В результате взаимодействия перед преградой в струе образуется центральный скачок 1, отделяющий сверхзвуковое течение в невозму щенной струе от дозвукового течения перед преградой. В центре прегра ды расположена точка торможения Rт. Центральный скачок 1, взаимо действуя с висячим скачком 2, образует тройную (рис. 3.20, а) конфигу рацию скачков уплотнения. Из точки взаимодействия скачков 1 и 2 исхо дит результирующий скачок 4, выходящий на границу струи, и, так назы ваемый, тангенциальный разрыв 3 – линия тока с существенно разной скоростью газа по обе eе стороны.

В результате исследования взаимодействия струи с «безграничной»

преградой, нормально расположенной к струе, установлено, что при рас положении преграды в пределах первой «бочки» струи наблюдается не сколько режимов. Их чередование можно рассмотреть на примере взаи модействия, когда расстояние от среза сопла до преграды остается посто янным (Нс=const), а уменьшается степень нерасчетности струи пр.

H c, течение в области взаимодей Режим I. При n p n p1 2, Ma ствия практически не зависит от внешних условий. Отход центрального скачка уплотнения 1 от преграды определяют по формуле [116]:


1 ;

xс 1 6 хc = Hc - xцс, (3.64) xцс 1 где хс – расстояние от среза сопла до центрального скачка уплотнения, м;

хцс – расстояние от преграды до центрального скачка уплотнения.

Максимум давления на преграде наблюдается на оси струи (рис. 3.21, кривая 1).

pпр/po 0, 0, 0, 1 2 3 dc/dа Рис. 3.21. Распределение давления pпр по поверхности преграды (Ма=2;

nр=5,1): 1 – Нс=3,0·dа;

2 – Нс=4,0·dа;

3 – Нс=5,0·dа 2 H c, течение перед Режим II. При n p np 2 0,88 0,12Ma Ma преградой становится нестационарным, а максимум давления смещается от центра оси струи к периферии. Дальнейшее уменьшение степени не расчетности пр приводит к скачкообразному падению амплитуды и росту частоты колебаний давления на преграде. Максимум давления находится ближе к периферии струи (рис. 3.21, кривая 2), а в его окрестности разви вается циркуляционная зона, которая постепенно занимает всю приосе вую область между скачком и преградой. Здесь образуются три точки торможения (рис. 3.20, б): в центре преграды Rт, на ее периферии R2т и на оси между скачком и преградой R1т. Газ вдоль преграды течет от точки торможения R2т к центру.

2 h, первая «бочка»

n p n p 3 0,03Mа 1, Режим III. При Ma струи становится невозмущенной (рис. 3.21, кривая 3). Волновая струк тура (рис. 3.20, в) первой «бочки» аналогична волновой структуре невоз мущенной струи. В свободной струе с маховским диском 2, перед прегра дой образуется выпуклая к соплу вторичная ударная волна 5. Процесс взаимодействия струи с преградой в этом случае исследован значительно меньше.

Если рассматривать режимы взаимодействия при фиксированной нерасчетности пр и изменяющимся расстоянии от сопла до преграды Нс, то картина течения аналогична. Формулы для пр1, пр2 и п р 3 могут быть преобразованы для Н1с, Н2с и Н3с соответственно. Тогда при Н с Н1с те чение перед преградой не зависит от внешних условий, при Н1сНсН2с перед преградой формируется циркуляционная зона, а при НсН3с – пер вая «бочка» струи не взаимодействует с преградой.

Рассмотрим взаимодействие сверхзвуковой недорасширенной струи с преградой, расположенной под углом пр90° к ее оси (рис. 3.22). При больших углах 75°пр90° система скачков уплотнения во многом анало гична случаю пр=90°. Центральный скачок уплотнения 1 несимметричен относительно оси струи, при этом расстояние от преграды до центрального скачка уплотнения 1 примерно совпадает с расстоянием xцс при пр=90°.

Интересен для практики случай, когда преграда расположена параллель но оси струи (пр0). В этом случае характер течения в ударном слое определяется углом встречи границы струи 2 с плоскостью преграды пр (рис. 3.22). Если число Маха на границе струи и угол пр таковы, что об разующийся при развороте у преграды пристеночный скачок является присоединенным, то течение вдоль преграды полностью сверхзвуковое.

Увеличение угла пр за счет увеличения пр или пр приводит к отсоедине нию пристеночной волны от преграды.

xцс пр пр Рис. 3.22. Взаимодействие сверхзвуковой струи с наклонной преградой 3.9. Взаимодействие сверхзвуковой составной струи с преградой При взаимодействии нескольких сверхзвуковых струй, истекающих из многосоплового блока, с ориентированной к нему определенным обра зом преградой возникает развитая система скачков уплотнения, которая зависит от начальных газодинамических параметров истечения струй, геометрии сопел, положения и формы преграды. Расчет газодинамиче ских параметров в области взаимодействия составной сверхзвуковой струи с преградой является сложной задачей. На практике прибегают к экспериментальным исследованиям, которые проводят на конкретных моделях в сравнительно узком диапазоне определяющих параметров [47, 54, 116, 236, 247].

При взаимодействии составной струи с преградой на начальном га зодинамическом участке реализуется два основных типа течения в зави симости от расстояния между срезом сопел и преградой Hс:

1. Режим HC/da2, при этом от преграды возникают интенсивные обратные потоки газа;

2. режим HC/da2, при этом отсутствует возвратное течение от пре грады. Между этими основными случаями взаимодействия существует переходный режим (HC/da=2), характеризующийся возникновением пуль саций газодинамических параметров на преграде и дне соплового блока.

Проведем анализ структуры скачков уплотнения составной струи, истекающей из двухсоплового блока и взаимодействующей с плоской преградой на различных HC/da (рис. 3.23, а).

При HC/da2 (рис. 3.23, б) сверхзвуковая струя, выходя из сопла и натекая на преграду, тормозится на центральном скачке уплотнения 2, который, взаимодействуя с висячим скачком 1, результирующим скачком 3 и отраженными скачками 4 и 5, выходит на границу газового потока, вызывая появление волны разрежения 6. Газовый поток, проходящий тройную конфигурацию 1-2-4, разворачивается вдоль преграды. Газ, про ходящий конфигурацию 3-2-5, устремляется ко дну блока. Сверхзвуковой поток, испытывая торможение на ударных волнах 2, 3 и 5, становится дозвуковым, но быстро ускоряется до сверхзвукового. На поверхности преграды образуется зона местных сверхзвуковых скоростей.

А-А в) а) А А А-А б) 1 6 Нс 5 2 Рис. 3.23. Течение в осевой плоскости составной струи, истекающей из двух соплового блока: а – схема соплового блока;

б - Hc/da2;

в – Hc/da Ускорение дозвукового потока до сверхзвукового приводит к появ лению новых скачков уплотнения 7, 8, 9, 10, растеканию потока по пре граде. Опытные данные показывают, что точки торможения газового по тока при взаимодействии составной струи с преградой, находятся под центрами сопел. От точек торможения происходит интенсивное растека ние газа по преграде в различных направлениях, в плоскости взаимодей ствия существует интенсивное обратное течение газа от преграды в сто рону дна соплового блока.

При HC/da2 (рис. 3.23, в) соударение двух сверхзвуковых струй в плоскости взаимодействия приводит к появлению интерференционного скачка уплотнения 2, а его взаимодействие с висячим скачком уплотне ния 1 к появлению результирующего скачка 3. Взаимодействие централь ного скачка уплотнения 4, вызывающего торможение потока перед пре градой, с волнами 1 и 3 приводит к появлению отражённых скачков уплотнения 5, 6 и поверхностей стационарного разрыва. Отраженные скачки уплотнения 6 взаимодействуют между собой с образованием скачков уплотнения 7 и 8. Газовый поток, проходящий суммарный удар ный фронт, образованный скачками 4, 6, 7, 8, тормозится до звуковых ско ростей. Газ, проходящий скачок 5, остается сверхзвуковым. Сложность развитой структуры скачков уплотнения ведет к тому, что газодинамиче ские параметры потока неравномерны по сечению. Газ, проходящий раз ветвленную конфигурацию скачков уплотнения, испытывает неодно кратные потери полного давления. Возникающий криволинейный ударный фронт 5 - 4 - 6 - 7 - 8 ограничивает область возмущения, вызванную торможением потока у преграды, и не дает газу пройти в донную область.

При воздействии составной струи, вытекающей из двухсоплового блока на наклонную преграду, картина взаимодействия сильно усложня ется, но нагрузки на преграду падают с уменьшением угла пр (рис. 3.24).

pпр/ро пр=90° Нс 0, Ось блока 0, пр Н c/d а=17;

nр=2, 0, пр=45° пр=30° пр=30° rпр, мм 0 100 200 300 400 Рис. 3.24. Распределение давления pпр по поверхности преграды от составной струи, истекающей из двухсоплового блока, в осевой плоскости: rпр – радиус преграды 3.10. Течения газа в околосопловой области Течение в околосопловом пространстве при многоструйной подаче газа оказывает существенное влияние на процесс каплеобразования при распаде струи жидкости и на организацию факела распыления [76, 119, 134, 191].

В зависимости от параметров истечения струй газа в межсопловой области могут возникнуть различные режимы течения, основными из которых являются (рис. 3.25): эжекция, переходной режим и режим об ратных токов.

В зависимости от изменения степени нерасчетности пр для каждого из указанных режимов течения характерно следующее. При режиме эжекции (рд/рн1) истекающие из соплового блока струи газа не взаимо действуют, имеет место подсос окружающей среды в межсопловую об ласть, давление на поверхности донного экрана меньше давления окру жающей среды. Переходной режим (рд/рн1) наступает с ростом нерас четности nр, размеры струй увеличиваются, происходит их взаимодей ствие, возникает обратное течение. Донное давление рд растет, но обрат ный поток может, не достигая донного экрана, захватываться эжектируе мым потоком. Режим обратных токов (рд/рн1) наступает при дальней шем увеличении нерасчетности nр. Обратный поток газа становится более мощным, достигает поверхности донного экрана, при этом увеличивается донное давление рд. В пределе может наступить такой режим, когда рд уже не зависит от условий окружающей среды (наступает режим «запи рания» донной области) [201, 256, 259].

а) рд/pн рд/pн np б) рд/pн рд/pн np в) рд/pн рд/pн np Рис. 3.25. Режимы течения в окрестности многосоплового блока при истечении в неподвижную среду: а – режим эжекции;

б – переходной режим;

в – режим обратных токов Донное давление рд зависит от ряда параметров, основными из кото рых являются: геометрические и режимные характеристики блока (разнос сопел lсг, их вынос hсг, форма и угол полураствора сопла а, скорость ис течения газа Ма).

3.11. Эжекция газа из окружающей среды в сверхзвуковую струю При диспергировании жидкостей факел распыления взаимодейству ет с окружающей средой. Взаимодействие сопровождается эжекцией, то есть истекающие из сопел струи газа увлекают за собой газ из окружаю щей среды, который проникает в факел распыления. Эжекционная спо собность струи, то есть свойство присоединять к струе массу газа из окружающего пространства, является важной характеристикой, как самой струи, так и околоструйного течения. Эжекцию оценивают как присоеди ненную массу струи Qпр, (м3/с) равную разности суммарного расхода Qсум (м3/с) в данном поперечном сечении струи и расхода через сопло Qг (м3/с), или относительную присоединенную массу струи qпр [239, 240]:


Qпр Qсум Qг (3.65).

qпр Qг Qг Для дозвуковых струй известны простые линейные зависимости, ко торые, однако, не отражают характер зависимости эжекции от различных параметров. Для свободной струи известна зависимость [239, 240]:

x (3.66) qпр 0,275 0,22.

dа Для дозвуковых струй воздуха можно использовать зависимости [239, 240]:

для начального и переходного участков (x/dа10) x (3.67) qпр 0,21, dа для основного участка (x/dа10) x (3.68) qпр 0,31 1.

dа Измерение присоединенной массы газа методом компенсации, или методом «пористой стенки» дает следующие зависимости [239, 240]:

для начального участка (x/dа13) x, (3.69) qпр k 5 н г d а где k5 – экспериментальный коэффициент;

qпр – приращение присоеди ненной массы на длине струи х;

н – плотность окружающей среды, кг/м3;

для основного участка (2,4x/dа 418) струй, истекающих в воздух x (3.70) qпр 0,32 н 1.

г d а Из приведенных зависимостей для расчета qпр только формулы (3.69) и (3.79) учитывают отношение плотностей газов струи г и среды н, но они не учитываю влияние сжимаемости, степени нерасчетности, показа теля адиабаты и других параметров.

Известны зависимости для определения присоединенной массы не расчетных (п1) сверхзвуковых струй [239, 240]:

0,408 x. (3.71) qпр 0, np Ма dа Здесь присутствуют такие параметры как число Маха на срезе сопла Ма, и степени нерасчетности пр, но отношение плотностей газа струи и окружающей среды не учитывается [52, 55, 56].

Результаты экспериментального измерения присоединенной массы газа от параметров истечения струи приведены на рис. 3.26 [112, 134, 160, 201].

а) б) qпр qпр б) 0, 3 x/dа=2, Ма= 2 0, 1 0, 0 2 4 6 8 0 0,5 1,0 1,5 2,0 np x/dа Рис. 3.26. Зависимость присоединенной массы газа от параметров струи: а – от числа Маха Ма на разном расстоянии от среза сопла (кривая 1 – Ма=1,5;

кривая – Ма=2,0;

кривая 3 – Ма=2,5;

кривая 4 – Ма=3,0);

б – от степени нерасчетности струи nр 3.12. Распространение сверхзвуковых струй в каналах различной формы Получение капель заранее заданного размера является актуальной проблемой, решение которой связано с выбором оптимальных режимов распыления и разработкой способов управления технологическими ре жимами. Управление технологическими режимами заключается в фор мировании струйных течений с необходимыми характеристиками.

Управляющие воздействия должны быть простыми и малоэнергоемкими.

Трудность управления струйными течениями в газовых каналах за ключается в недостаточной изученности процесса нестационарного взаи модействия струй со стенками трактов, причин возникновения колебаний волновой структуры потока. Для значительного числа каналов различной формы перечисленные вопросы пока не решены.

Распылительные камеры и каналы технологического оборудования в большинстве случаев представляют собой различные по длине и геометрии части трубопроводов. Поэтому знание физики течения, основных законов движения на различных по длине и конфигурации участках трубопровода необходимо для правильной оценки работы устройства в целом.

В работах [46, 60, 69, 120, 152, 197, 200, 249, 275, 284] рассмотрена структура газового потока в различных каналах технологических устройств (прямом трубопроводе, диффузорах, коленах, отводах, решет ках). По распространению сверхзвуковых струй в каналах различной формы имеющихся исследований явно недостаточно, что связано со сложностью и малоизученностью возникающих при этом явлений. Рас смотрим распространение сверхзвуковых струй в каналах различной формы.

3.12.1. Истечение одиночной сверхзвуковой струи в трубу В трубопроводе с определенным диаметром dтр (рис. 3.27, а) вставлен односопловой блок длиной lсб, критическим диаметром dкр и выходным диаметром dа. В предсопловом объеме параметры газа характеризуются давлением перед соплом ро, температурой То. Параметры на стенке трубо провода pст, Tст. Стенки канала ограничивают истекающую из сопла струю газа. В отличие от истечения струи в затопленное пространство, где режим истечения струи характеризуется величиной Nр=ро/рн, в рассматриваемом случае Nр=pо/рд. При истечении струи в затопленное пространство в ре зультате эжектирующего и акустического воздействий р=рн, при истечении в трубу р=рд, а за счет ограниченного окружающего пространства рдрн.

При достижении определенного значения Nр=Nр* скорость газа в критиче ском сечении сопла достигает местной скорости звука.

Рассмотрим процесс истечения при NрNр*, из достаточно длинной трубы lтр с увеличением давления перед соплом pо. При NрNр*, имеет место истечение сверхзвуковой струи с характерной системой скачков уплотнения. При малых Nр (нерасчетность струи nр1) происходит исте чение перерасширенной струи с отрывом струи от стенки сопла. Положе ние скачков уплотнения зависит от степени нерасчетности струи. Пере расширенная струя замыкается на стенку трубы своим пограничным сло ем на основном участке и определенном расстоянии от среза сопла l (рис. 3.27,б).

а) б) в) d кр ро;

Т о l рд Тд lсб l l ра;

Т а l dа lтр рст;

Т ст d тр Рис. 3.27. Распространение одиночной сверхзвуковой струи в канале с изменяющимся сечением: а – схема истечения сверхзвуковой струи в трубу;

б – истечение перерасширенной струи;

в – истечение недорасширенной струи На расстоянии l2 от среза сопла образуется линия взаимодействия вихря, идущего от области l1 с вихрем, образующимся в донной области за счет эжекционного действия истекающей струи. При достижении дав лением перед соплом pо характерной величины происходит резкое изме нение течения струи по каналу, возникают интенсивные колебания дав ления газа в донной области и волновой структуры струи. Случайные колебания донного давления рд становятся упорядоченными. При опреде ленном значении давления перед соплом pо течение стабилизируется, колебания донного давления прекращаются. Дальнейший рост давления перед соплом pо приводит к изменению течения струи в трубе, формиру ется недорасширенная сверхзвуковая струя (рис. 3.27, в). На стенке трубы образуется зона отрывного течения, вызванного падением скачка уплот нения на пограничный слой (зона между l4 и l5). Так же на расстоянии l от среза сопла образуется линия взаимодействия вихря, идущего от обла сти l3 с вихрем, образующимся в донной области за счет эжекционного действия истекающей струи.

рд/рн 1, 0, 0, 0, рд1авт/рн 0, ро1авт/рн рд2авт/рн ро2авт/рн 0 ро/рн 20 40 60 80 100 Рис. 3.28. Зависимость относительного донного давления pд/рн от относительного давления перед соплом pо/рн и относительной длины трубы lтр/dтр: 1 – труба авто модельной длины;

2 – длина трубы меньше автомодельной;

3 – короткая труба (насадок) Режимы распространения сверхзвуковой струи в трубе характеризу ются зависимостью относительного донного давления pд/рн от относи тельного полного давления газа перед соплом pо/рн и относительной дли ны трубы lтр/dтр (рис. 3.28). Кривая 1 соответствует трубе автомодельной длины. Под трубой автомодельной длины понимается труба такой длины, начиная с которой дальнейшее увеличение длины трубы практически не сказывается на границах областей существования устойчивых и колеба тельных режимов течения. При увеличении давления перед соплом до ро1авт донное давление рд уменьшается до характерной величины рд1авт, наблюдаются пульсации донного давления с высокой частотой и малой амплитудой. Вдоль оси трубы распространяется сверхзвуковая струя, пограничный слой основного участка которой присоединяется к стенке трубы. Степень нерасчетности струи nр, на срезе сопла растет, увеличи вается диаметр струи, и при давлении перед соплом близком к ро1авт, диа метр первой «бочки» струи становится соизмеримым с диаметром трубы.

При давлении перед соплом равном ро1авт донное давление достигает ве личины рд1авт, наступает режим интенсивных колебаний волновой струк туры потока в трубе, донного давления и звуковых колебаний. Если в начале колебательного режима колебания донного давления происходят около среднего значения, то в конце – характер кривой изменяется: кри вая донного давления всплесками поднимается над почти горизонталь ным участком, донное давление приближается к минимальному значе нию рд2авт.

При давлении перед соплом ро=ро2авт колебания прекращаются, реа лизуется режим минимального донного давления рд2авт и устойчивой вол новой структуры потока в трубе. За скачком уплотнения, занимающим все поперечное сечение трубы, газ имеет дозвуковую скорость, со среза трубы в окружающее пространство истекает дозвуковой малошумный поток.

Повышение давления перед соплом роро2авт приводит к росту дон ного давления рд и установлению характерной устойчивой Х-образной волновой структуры сверхзвукового потока в трубе.

В трубах с меньшей длиной, чем автомодельная, характер пере стройки режимов сохраняется, но колебательный режим начинается и заканчивается при больших давлениях газа перед соплом ро, частота и амплитуда колебаний выше, что отражает кривая 2 (рис. 3.28). В корот ких трубах перестройка от режима течения газа со струйной структурой к режиму с Х-образной структурой происходит скачком, и, как показывает кривая 3 (рис. 3.28), автоколебательный процесс не наблюдается. В окружающем пространстве регистрируется шум, уровень и частота кото рого определяются сверхзвуковой струей, истекающей со среза трубы.

Рассмотрим процессы в автомодельной трубе. При давлении перед соплом роро1авт из сопла истекает струя, которая при сверхзвуковом пе репаде давлений на сопле становится сверхзвуковой. Если расчетное чис ло Маха сопла больше единицы, то при малом давлении pо перерасши ренная струя истекает с отрывом от стенки сопла, присоединяясь к ее образующей. С увеличением давления перед соплом pо сечение отрыва перемещается вниз по потоку, возбуждаются высокочастотные колебания струи. Повышение давления до значений близких к ро1авт приводит к пе ремещению сечения отрыва струи от стенок сопла к его срезу. Струя, истекающая из сопла с малым расчетным числом Маха на срезе, стано вится недорасширенной. С увеличением диаметра струи происходит при соединение к стенке трубы пограничного слоя струи на ее основном или переходном участках. Возникают высокочастотные колебания донного давления. Волновая структура недорасширенной струи на данном режиме схематически изображена на рис. 3.29, а.

а) б) в) г) Рис. 3.29. Волновая структура сверхзвуковой струи в трубе при различных режимах взаимодействия струи со стенками трубы: а- pоро1авт;

б – ро1автpоро2авт;

в – pо=ро2авт;

г – pоро2авт При давлении перед соплом pо=ро1авт среднее значение донного дав ления достигает величины рд1авт. За счет эжекционной способности струи донное давление падает ниже равновесного уровня и происходит присо единение первой «бочки» струи к стенке трубы. Образуется характерная неустойчивая волновая структура потока, изображенная на рис. 3.29, б.

Колебания донного давления и волновой структуры потока в трубе можно объяснить следующим образом. Уменьшение донного давления за счет эжекции ниже равновесного уровня рд1авт приводит к дополнитель ному расширению первой «бочки» струи и взаимодействию потока, про шедшего висячий скачок уплотнения в струе, со стенкой трубы с образо ванием конического скачка уплотнения. При взаимодействии коническо го скачка с висячим скачком струи образуется интерференционный кони ческий скачок, нерегулярно отражающийся от оси симметрии потока.

Отраженный скачок достигает стенки трубы и вызывает отрыв погранич ного слоя, приводящий к возникновению конического скачка, который далее взаимодействует с тангенциальным разрывом и повышает давление за диском Маха в потоке. Диск Маха перемещается вверх по потоку, что обусловлено повышением давления за ним. При этом перемещается ска чок, возникший из-за отрыва пограничного слоя на стенке трубы. При смещении диска Маха по линии взаимодействия конического скачка, об разовавшегося при натекании потока на стенку трубы, и висячего скачка струи нарушаются условия динамической совместности в потоке. Возни кает неустойчивая, распадающаяся структура, реализуется течение в виде струи, изображенное на рис. 3.29, б. Донное давление резко увеличивает ся, начинается процесс эжектирования газа из донной области трубы сверхзвуковой струей и переход к структуре, представленной на рис. 3.29, а. Процесс повторяется с постоянными амплитудой и частотой при постоянном давлении перед соплом ро, то есть является автоколеба тельным. Колеблется давление на стенке трубы и на срезе сопла. При большом числе Маха на срезе сопла струя в течение одного периода ко лебаний изменяется от перерасширенной до недорасширенной, колеба ния давления проникают в глубь сопла. Повышение давления перед соплом ро приводит к уменьшению размаха колебаний. Увеличивается время существования волновой структуры потока типа, изображенного на рис. 3.29, б, а диск Маха перемещается медленнее, донное давление приближается к минимальному значению рд1авт.

При давлении перед соплом pо=ро2авт колебания прекращаются, реа лизуется устойчивый режим течения с волновой структурой, характер ным элементом которой является скачок уплотнения, занимающий все поперечное сечение трубы, а за скачком газ имеет дозвуковую скорость.

Волновая структура потока при pо=ро2авт изображена на рис. 3.29, в.

Увеличение давления перед соплом pоро2авт приводит к появлению сверхзвуковой кольцевой струи, распространяющейся вдоль стенки трубы, на оси трубы поток сохраняет дозвуковую скорость. С ростом давления перед соплом ро увеличивается область, занятая сверхзвуковым течением.

При давлении перед соплом ро, превышающем ро2авт на 5…15%, наступает режим устойчивого течения с характерной Х-образной струк турой в окрестности среза сопла. Падение отраженных от оси симметрии скачков уплотнения на стенку трубы приводит к возникновению пульса ции давления на стенке трубы в месте падения скачка.

Дальнейшее увеличение давления перед соплом ро приводит к появ лению Х-образной структуры на всей длине трубы. Схема такого течения приведена на рис. 3.29, г. В окрестности среза трубы появляется, не устойчивая область отрывного течения, периодически перемещающаяся вверх и вниз по потоку. Со среза трубы истекает пульсирующая сверх звуковая перерасширенная струя.

Дальнейшему подъему давления газа перед соплом соответствует стабилизация течения потока и увеличение степени нерасчетности струи на срезе трубы. Со среза трубы истекает сначала перерасширенная, рас четная, затем недорасширенная струя.

Процессы, описанные выше, характерны не только для труб автомо дельной длины, но и для труб средней длины с тем отличием, что область реализации колебательных режимов сужается с уменьшением длины тру бы и возрастает частота колебаний струи (см. рис. 3.28).

В коротких трубах перестройка течения происходит скачком, коле бательный режим не реализуется. Если в трубах автомодельной длины при pоро1авт на срезе трубы не наблюдается волновой структуры струи, то в коротких трубах при pоро1авт на срезе трубы видна волновая струк тура струи, не присоединившейся к стенке трубы. Режим с центральным скачком уплотнения, занимающим все поперечное сечение трубы, реали зуется и в коротких трубах, при этом со среза трубы истекает дозвуковой поток, но при давлениях pоро2авт. Повышение давления перед соплом pоро1авт приводит к появлению кольцевой пристеночной сверхзвуковой струи, истекающей со среза трубы. При дальнейшем росте ро со среза короткой трубы истекает сначала перерасширенная, а затем расчетная и недорасширенная струя.

Величины ро1авт и ро1авт являются границами областей существования колебательных и устойчивых режимов при истечении струи в трубу. Из обобщения и анализа опытных данных для определения нижней ро1авт и верхней ро2авт границ области существования режима интенсивных коле баний донного давления и волновой структуры потока в трубах автомо дельной длины были получены следующие зависимости [239, 240]:

d тр, pо1авт 2 0,08 Ма 0,37 (3.72) d кр pо 2 авт 2 0,0417 Ма 0,325 Ма 1, d тр. (3.73) 2 d кр 3.12.2. Истечение нескольких струй в трубу В зависимости от режима и геометрии соплового блока сверхзвуко вые струи могут взаимодействовать не только со стенками трубы, но и между собой (рис. 3.30, а). По оси блока могут иметь место, как режимы эжекции, так и режимы обратных потоков.

а) б) р д/р н 1, lсг р о То 0, у lсб р д Тд 0, р а Та 0, х lтр 0, р н Тн х 0 10 20 30 40 50 60 р о/р н dтр Рис. 3.30. Распространение нескольких сверхзвуковых струй в канале с изменяю щимся сечением: а – схема истечения нескольких сверхзвуковых струй в трубу;

б – зависимость относительного донного давления рд/рн от давления перед соплами ро/рн.

Рассмотренные выше режимы течения при истечении одиночной струи в канал, в основном, сохраняются. Особенно это характерно при малых разносах сопел lсг в блоке. Основными параметрами, характеризу ющими условия истечения газа со среза соплового блока, являются дав ление перед соплами ро и донное давление рд (рис. 3.30, б).

В случае коротких каналов при увеличении ро происходит резкая смена режима течения, интенсивные колебания донного давления не реа лизуются, донное давление уменьшается скачком. После скачкообразного уменьшения донного давления, в зависимости от величины числа Маха на срезе сопла, наблюдается либо дальнейшее плавное уменьшение рд до минимального значения, а затем его повышение, либо сразу рост рд.

При определенных сочетаниях геометрических параметров канала и соплового блока плавное изменение давления перед соплами ро в диапа зоне между нижней и верхней границами режима интенсивных колеба ний приводит к многократному изменению амплитуды и частоты колеба ний донного давления рд. Сложный характер этого изменения обусловлен последовательностью перестройки взаимодействия струй друг с другом и со стенкой канала, зависящей от величины разноса сопел lсг.

С ростом давления ро происходит расширение границ струй блока, они начинают взаимодействовать в пределах начального газодинамиче ского участка, и при определенных величинах нерасчетности пр это взаи модействие приводит к образованию скачков уплотнения, как в центре канала (по оси соплового блока), так и на стенках трубы. Картина тече ния еще более усложняется, если сопловой блок состоит не из одинако вых сопел, при истечении не в круглую трубу, а в канал с определенным профилем. Также на конце трубы может быть выполнена расширяющаяся конусная часть или кольцевая канавка на цилиндрической части (рис. 3.31).

а) тр dкр dа а lкан bкан б) dкан lсг Рис. 3.31. Возможные схемы каналов при истечении составных струй: а – с рас ширяющимся коническим концом трубы;

б – с кольцевой канавкой и расширяю щимся коническим концом трубы 3.12.3. Истечение сверхзвуковой струи в трубу при наличии диафрагмы Течение сверхзвуковой струи в трубе с диафрагмой (рис. 3.32, а) может иметь, как устойчивый, так и колебательный режим. Колебания давления в трубе имеют место при определенных фиксированных гео метрических условиях во всем диапазоне изменения давления перед соплом. Процесс взаимодействия сверхзвуковой струи с диафрагмой яв ляется автоколебательным: при постоянном давлении перед сопловым блоком колебания давления в трубе могут поддерживаться в течение лю бого промежутка времени. Характерный график зависимости давления на диафрагме от давления газа перед соплом представлен на рис. 3.32, б.

Анализ результатов экспериментов позволяет представить следую щую картину распространения сверхзвуковой струи в трубе с диафраг мой (рис. 3.33).

рдф/рн б) а) lтр lсб ро а ра dдф f =220Гц dкр Та dа dтр То f =180Гц f =100Гц 80 ро/рн 0 20 40 Рис. 3.32. Распространение сверхзвуковой струи в канале с диафрагмой: а – схема трубы с диафрагмой;



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.