Механика жидкости и газа. Избранное. Под общей ред. А.Н. Крайко. (1014100), страница 108
Текст из файла (страница 108)
При этом считается, что попаданию датчика в турбулентную жидкость соответствует отличие 44 от нуля. На осциллограммах обращает на себя внимание несимметричность переднего и заднего фронтов импульсов турбулентных пульсаций концентрации. Сигнал имеет ярко выраженный пилообразный характер. В [10) отмечалась аналогичная форма сигнала при измерении скорости. При малых скоростях истечения фреона ( 1'е = 4 44/с) зарегистрировано заметное искривление оси струи на начальном участке.
Форма границ струп фрсона, истекающей из сопла диаметром 75 мм со ско- 571 11.2] 74ссоедооание разнонаотпностнмх струя Рис. 4. ростью )со = 4м/с, приведена на рис. 4. Для этого случая число Архимеда Аг = (ус1о/Ц) (Ьр/р), определяющее влияние сил плавучести, равно 0.15, уо = у/с1о. В ~З] для траекторий нагретых струй получено уравнение — = 1с( — ) Аг, (1) где коэффициент й для горячих струй равен 0.052. Это же уравнение, но с й = — 0.015, удовлетворительно описывает траекторию оси струи фреона на начальном участке. Кривая 1 на рис.
4 описывается уравнением (1). Отклонение этой кривой от определенного в результате измерения положения оси струи 2 невелико. На рис. 5 приведена сводка данных по влиянию относительной плотности газа струи и = рз/ры где рз -- плотность окружающей 10 ян 1 0.2 0.4 0.6 1 2 4 6 810 Рис. 5. среды, а р1 — плотность газа струи, на длину начального участка. Экспериментальные данные на этом рисунке взяты из работ: 1 данная работа, 2 ..
работа ]1], 3.6 из работ [4 7]. Длина начального участка струи Ьн = хн/с1о. Обращает на себя внимание большой разброс экспериментальных точек. Это объясняется тем, что течение на начальном участке струи зависит от большого числа параметров; относительной толгцины по- 572 В. И. Расшупкпн, А. Н. Секяндое граничного слоя д'*/Ве и его состояния, от начального уровня турбулентности е,чисел Маха М и Не и от начальной величины турбу- (г' лп, ° ~ ° ~ й турбулентности.
Все экспериментальные данные лежат между двумя предельными случаями. Первый случай (сплошная кривая на рис. 5) соответствует струям с относительно тонкими турбулентными пограничными слоями (б**/Ле < 0.05), большими числами Не > 10з и относительно малым начальным уровнем турбулентности (е < 0.01). Ко второму предельному случаю (пзтриховая линия на рис. 5) относятся струи с ламинарными пограничными слоями и относительно малыми числами Не < 10 . Этот режим истечения сопровождается обычно интенсивным образованием крупных вихрей, зна гительно ускоряющих смешение, что приводит к уменьшению длины начального участка. Результаты данной работы ближе к первому предельному случаю, к которому относятся также натурные струи с большими числами Рейнольдса. В данной работе проведены измерения уровней пульсаций давления на начальном участке струй воздуха, гелия и фреона, корреляций пульсаций давления с продольной и радиальной компонентами скорости ((р'и') и (р'е')), а также спектров пульсаций давления в ядре струи.
Истечение струй происходило из сопел диаметром 75,им или 40мм. Начальный уровень турбулентности е составлял 4, 1 и 0.2%. Распределения уровней пульсаций давления поперек слоя смешения струй воздуха и гелия в зависимости от автомодельной переменной и = (г — ге) (х показаны на рис. 6. По оси ординат отложена вели- 0 -О.
3 О т) 0.3 Рис. 6. чина а = Х/1р7з)/(реЯ/2). Точки на рисунке соответствуют: 1 и 2— воздух, г~е = 75жхк 1-- хе — — 3, е = 0.04; 2"- те — — 2, е = 0.01; 3 —. гелий, яп = 2, Ие = 40жм, е = 0.002: 4 данные работы ~11). Уменьшение уровня турбулентности е в начальном сечении струи от 4 до 1% приводит к увеличению уровня пульсаций давления в 573 11.2) Исспедовпнне роэноплогпностнмх струй центре слоя смешения воздушной струи примерно на 30%. Уровень пульсаций давления в слое смешения гелиевой струи близок к уровню пульсаций давления в воздушной струе при е = 1%.
Осевое распределение пульсаций давления имеет максимум при хо = 3 3.5. Примерно на таком удалении от сопла наблюдается абсолютный максимум пульсаций скорости в слое смешения в [12). Однако результат данной работы расходится с результатом работы (12), где максимум пульсаций давления на оси приходится на хо = 7. Разброс экспериментальных данных свидетельствует о большой чувствительности пульсаций давления (по сравнению с пульсациями скорости) к начальным условиям истечения, в частности к начальному уровню турбулентности. Корреляции пульсаций давления с компонентами скорости (р'и') и (р'п') определяют перенос энергии турбулентности, обусловленный пульсациями давления, и позволяют судить о природе этих пульсацпй.
При измерении величин (гйи') и (р'и') использовался термоанемометрический датчик 55А32 (вЛИСА") с двумя наклонными нитями, который располагался рядом с чувствительным элементом микрофона. Размер чувствительного элемента датчика 1.5 мм, расстояние между микрофоном и датчиком около 0.5мм. Таким образом, локальность измерения (р'и',) близка к 4 мм. Лля получения мгновенных значений произведений (р'и',) использовался аналоговый процессор турбулентности 52В25 (" ЛИСА" ). На осциллограмме, записанной при прохождении датчика в поперечном сечении струи, видно, что величина (р'и') зпакопостоянна (отрицательна) в ядре струи, где пульсации этой величины невелики.
В слое смешения (р'и') пульсирует с большой амплитудой, принимая положительные и отрицательные значения. Такое поведение (р'и') в слое смешения приводит к необходимости значительного увеличения времени осреднения (до 20.-30 с) при измерении корреляций (р'и') и (р'и'). При измерении в ядре струи достаточно времени осреднения 3 с.
Результаты измерения коэффициентов корреляции як К„о = (р и )Д (р~~)(и~~))~~~, К, = (р'и') с((р'з)(п")) "и 0 в слое смешения воздушной струи приведены на рис. 7 (1 Кр„, 2 Кт ). Коэффициент корреляции Кр„в ядре струи отрицателен.
— 0.75 Это свидетельствует о том, что пуль- — 0.3 0 т) 03 сации давления в ядре струи носят рас- Рис. 7. ходный, а не акустический характер. Крупные вихри, образующиеся в слое смешения, как бы пережимают сечение ядра струи, что вызывает повышение скорости (положительная пульсация) и уменьшение давления (отрицательная пульсация) и 574 В.77. Раен>упкин, А.н. Секундов наоборот. При этом поток энергии, обусловленный пульсациями давления,направлен против скорости потока.
На краю струи коэффициент Лр, положителен и весьма мал. Знакопеременность мгновенных значений (р'и') свидетельствует о сложном механизме генерации пульсаций давления в слое смешения струи. Поперечный поток энергии, определяемый коэффициентом Кое, близок к нулю в ядре струи и положителен на краю струи. Отсюда следует, что на краю энергия излучается из струи, причем вектор потока энергии (р'и') составляет с осью струи угол около 80'. другой важной характеристикой пульсаций давления является частотный спектр.
Измерение этой характеристики проводилось с цельк> выявления дискретных составляющих в спектре, соответствующих так называемым когерентным структурам. Спектр пульсаций давления в воздушной струе (Ц = 40 м>>с) получен на реализации длиной 7>' = 16 х 1024 чисел с частотой дискретизации 1, = 10 кГпн что соответствует ширине полосы пропускания фильтра вв7" = 50 ГН.
о е.ь „,р..,, „, „в„„»»,= 77>в>в>, равна в этом случае примерно 0.1. Лля струй фреона Щ = 9.2 м,>с) и гелиЯ были выбРаны 1„= 3 кГсь >в' = 32 х 1024 и 8 х 1024, это соответствует >зу = 15 Гв, е = 0.08 и 0.16. Измерение спектров проводилось на сопле диаметром 40 мм при малом начальном уровне турбулентности (е = 0.002). Во всех спектрах заметна вьшеленная частота 7о. В воздушной струе пик спектральной плотности приходится на частоту 650 Гц.
Число Струхаля ЯЬ = 7ое7о,>К> для воздушной струи равно 0.65. В струе фреона 7е = 130 Гп и ЯЬ = 0.56. В гелиевой струе обнаружено два характерных режима истечения. При скоростях истечения, больших примерно 100 м>> с, спектр является практически дискретным. Вся энергия сосредоточена на одной частоте - 1000 Гн (ЯЬ = 0.25). При уменьшении скорости спектр становится более широким, число Струхаля для этого режима равно 0.3. Таким образом, числа Струхаля для струй воздуха и фреона оказались близкими между собой (0.65 и 0.56 соответственно). В гелиевой струе получилось примерно вдвое меньшее значение ЯЬ.
В ~14] с помощью скоростной киносъемки была измерена фазовая скорость с„ "сноса" вихрей в гелиевой струе. В отличие от воздушной струи, где с„>Р~ 0.5 — 0.6 в гелиевой струе с„>>Р~ = 0.25, что качественно согласуется с полученными значениями ЯЬ. Наличие в спектре пульсаций давления выделенных частот свидетельствует о существовании в струях с малым начальным уровнем турбулентности и тонкими пограничными слоями вторичной неустойчивости слоя смешения.
Эта неустойчивость может быть описана в невязкой постановке методами Релея [15, 16). Расчеты показывают, что профиль скорости в турбулентной струе примерно на половине длины начального участка (для воздушной струи при ло = 3), где периодические пульсации давления на оси максимальны, состоящий из 575 11.2) Исследование разиоплотностнлгт струй слоя смешения толщиной и ядра толщиной Е (Ь = 0.5), неустойчив. В нем нарастают продольные колебания.
Характерным частотам этих колебаний соответствуют числа Струхаля и фазовые скорости, близкие к полученным в эксперименте. Увеличение начального уровня турбулентности может оказать стабилизирующее воздействие на течение, увеличивая эффективную вязкость и уменьшая эффективное число Рейнольдса. Литература 1. Абрамович Г.Н., Крашенинников С.ЛО., Секупдов А.Н., Смирнова И.П. Турбулентное смешение газовых струй. Мл Наука, 1974. '2. Гиисвсъий А. С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
