Аэродинамика факела Вулис Л.А. Ярин Л.П. (1014145), страница 29
Текст из файла (страница 29)
7-1 и на рис. 7-15. Таблица 7-1 0.0122 0,0286 ОА576 0,0865 0,0048 0,0066 калиб- 15 0,48 (в ка. 0,35 Протяженность 1 о.ласти (в рах) . Граничная нзотаха Протяженность 11 ооластп либрах) . Граничная изотаха 11 0,57 7 0,75 1 0,955 2 0,98 0,94 15 0,43 !О 0,58 8 б 0,57 0,70 0,8! " Зго связано с теи, что за вреня одного оборота диск турбудизатора дважды перекрывает сечение т!рбопровода.
170 Эти данные показывают, что при достаточно больших значениях числа Струхаля во всем поле течения струи устанавливается развитое турбулентное движение. Особенности развития течения при наложении низкочастотных пульсаций наиболее четко проявляются в спектре пульсационной энергии Типичные кривые изменения спектральной плотности турбулентной энергии в струе с естественным и повышенным с помощью механического турбулизатора уровнем турбулентности показаны на рис.
7-16. Из графиков видно, что спектры струй с искусственно повышенной интенсивностью начальной турбулентности отличаются наличием ярко выраженных экстремумов на частотах, кратных удвоенной частоте врагцення диска турбулизатора '. При удалении от сопла (или оси течения) происходит сглаживание всплеска на зависимости Е(1). Во второй и третьей зонах распределение пульсационной энергии приобретает типичный для свободных турбулентных струй вид и не зависит (при 5)4)0,1), от частоты налагаемых пульсаций.
Это подтверждает сделанный выше вывод о том, что при больших значениях Я)4 течение в струе полностью турбулентно. Измерения показывают, что продольный интегральный масштаб Тк турбулентности, характеризующий средние размеры вихрей в струе с естественным уровнем начальной турбулентности, в пределах начального и переходного участков возрастает практически линейно с ростом х.
В области изменения — от 16 й до 26 размеры вихрей на оси струи сохраняются практически неизменными; некоторое уменьшение Ес наблюдается лишь на значительном удалении от среза сопла, В струе с наложенными низкочастотными пульсациями значение интегрального масштаба Еа на срезе сопла равно примерно диаметру сопла и изменяется незначительно в переходном и основном участках.
Я1 1ав Рис. 7-16. Энергетический спектр пульсаций г — Бь=б,еп в — зь=е,еб; в — зь=.бль в — бь=б Микромасштаб турбулентности х в струе с естественной интенсивностью пульсаций возрастает пропорционально продольной координате. Искусственная турбулизация струи ведет к заметному возрастанию микромасштаба в окрестности сопла. По мере удаления от устья вначале наблюдается некоторое уменьшение, а затем монотонное увелпчейие микромасштаба.
Данные о распределении микро- и макромасштабов турбулентности в поперечных сечениях струи с естественным и повышенным уровнем пульсаций показывают, что наложение низкочастотных пульсаций приводит к заметному изменению масшта- 171 бов турбулентности в начальном участке струи, где наблюдается не только количественное расхождение результатов сравнительно с обычной струей, но и качественное изменение характера зависимости 1 (У) и 1(У).
7-5. СПУТНЫЕ СТРУИ Обсудим результаты, относящиеся к аэродинамике спутных струй с повышенной интенсивностью начальной турбулентности. Закономерности развития таких течений, представляют зна штельный интерес не только для практических приложений, но и для исследования процесса турбулентного обмена. В связи с последним уместно отметить, что основное внимание при изучении смешения газовых струй, как правило, уделяется определению связи между некоторыми интегральными характеристиками пограничного слоя и параметрами среднего движения.
Тем самым априорно предполагается наличие однозначной зависимости пульсационных величин от средних (точнее, от их градиента). Такое предположение, базирующееся на теории пути смешения, справедливо лишь тогда, когда собственная турбулентность смешивающихся потоков невелика и единственной причиной, вызьгвающей турбулентный перенос, является наличие сдвигового течения. В общем случае смешения струй с повышенной степенью турбулентности интенсивность обмена определяется не только разностью скоростей, В значительной степени она зависит также и от уровня начальной турбулентности, которая оказывает заметное влияние на процессы переноса импульса, тепла и вещества.
Об этом свидетельствуют результаты измерений температуры в газовых струях и пламенах, проведенных при широкой вариации режимных параметров — отношений скоростей, температур и плотностей. Онн показывают, что средние величины не определяют однозначно интенсивность турбулентного переноса, Наблюдаемое в ряде экспериментов несоответствие опытных данных, относящихся к одинаковым значениям парметров т н в, связано, в частности, с различием уровней начальной турбулентности, неизбежным при проведении измерений на разных установках. Существенно, что это различие приводит в некоторых случаях не только к количественному расхождению результатов, но и к изменению качественной картины явления. Сказанное относнтся прежде всего к данным измерений при гп=1 (к определению условий минимального смешения), когда относительное влияние градиентного переноса заметно уменьшается. В таких условиях определение степени влияния начальной турбулентности приобретает первостепенное значение для правильного истолкования результатов.
В качестве первого примера спутного движения с повышенным уровнем начальной турбулентности рассмотрим сложную турбулентную струю, образующуюся при истечении газа из кон- 172 центрических сопл конечного Размера. Не останавливаясь на результатах исследования коаксиальных струй с естественным уровнем начальной турбулентности (см., например, [8, 23)), приведем лишь некоторые данные, характсрнзукццне специфические особенности рассматриваемого типа течения Измерения распределения скорости н температуры в попе. речных сечениях коаксиальной струи показывают, что в пределах начального участка пограничные слои, обРазующиеся прн смешении коаксиальных потоков, практически не взаимодействуют друг с другом.
В этой области течения внешняя и внутренняя струи развиваются аналогично струям, распространяющимся соответственно в неподвижной среде и в спутном однородном потоке. На значительном удалении от устья, в основном участке струн, распределение скорости и температуры становится идентичным распределенпю и и Т в затопленных струях. Что касается зоны слияния пограничных слоев (переходный участок), то здесь в результате взаимоналожения влияний внутренней н внешней зон смегпения наблюдается резкое изменение профилей характерных величин. Структура коакснальных струй (протяженность характерных участков, распределение скорости, температуры и т, д.) существенно зависит от соотношения скоростей смешивающихся потоков.
Увеличение параметра т (прн 'и(1) приводит к снижению интенсивности затухания скорости вдоль осн и к росту длины начального участка. При пг>1 в переходной области наблюдается заметное увеличение скорости на оси по сравнению с начальной скоростью истечения центральной струи.,Чакспмуму и отвечает зона смыкания внешнего и внутреннего пограничных слоев. Именно здесь интенсивность турбулентных пульсаций достигает максимума.
Интересно отметить, что в широком диапазоне изменения скоростей абсолютные значения (и ') „сохраняются практически неизменными. Некоторый Рост (па~ )щах наблюдается лишь при пг) 1. 11а значительном удалении от среза сопла средняя н пульсационная скорости монотонно уменьшаются. Такой характер распределения и„, н и,„' сохраняется при различных соотношениях диаметров сопл. Различие состоит лишь в положении максимума кривых и (х) н и ' относительно среза сопла.
Данные о распределении температуры вдоль оси коаксиальной струи показывают, что увеличение скорости спутного потока приводит вначале (при пт( 1) к увеличению значения ЛТ„„, а затем (прн гп)1) к уменьшению ее. Зависимость ЛТ„,(х) имеет характерный экстремум, отвечающий условиям минимального смешения. Максимуму зависимости ЛТ (х) соответствуют различные (для разных удалений от среза сопла) значения параметра пь Это объясняется специфическими особенностями аэродинамики коаксиальных струй, сочетающих в себе различные формы турбулентного смешения— смешение спутных и затопленных струй. В начальном п пере- 173 ходном участках, где превалирующая роль принадлежит первой из них, увеличение параметра пг, как и в спутных струях, приводит к снижению интенсивности турбулентного обмена н более слабому изменению температуры вдоль оси. При т>1 с уве-' личением скорости спутного потока (и соответственно градиента скорости) интенсивность турбулентного переноса возрастает.
Естественно было бы ожидать, что интенсивность турбулентного обмена будет минимальной при равенстве скоростей истечения центральной и кольцевой струй. Однако измерения свидетельствуют о том, что экстремуму зависимости АТ (х) соответствуют значения т, несколько меньшие единицы. Последнее связано с влиянием неравномерности начального профиля, существенной при т= 1 (см. гл. 4). На значительном удалении от среза сопла коаксиальная струя вырождается в затопленную. Распределение температуры в этой области слабо зависит от соотношения скоростей. В автомодельной области течения отчетливо выраженный экстремум АТ„,(т) наблюдается лишь при сравнительно больших значения.'.
отношения Йз/дь когда протяженность зоны спутного течения возрастает. При этом имеет место заметное смешение максимума ХТ„,(гп) в область гп(1. Последнее объясняется изменением положения зоны интенсивного смешения — зоны слияния пограничных слоев — относительно среза сопла при изменении отношения г(2Й(ь Перейдем теперь к обсуждению результатов, относящихся непосредственно к аэродинамике коаксиальных струй с повышенным уровнем начальной турбулентности. Исследование таких струй проводилось на установке, снабженной двумя турбулизаторами (см. ~ 7-2), с помощью которых низкочастотные пульсации налагались на внутреннюю и внешнюю струи. Числа Струхаля для центральной и кольцевой струй определялись из следующих соотношений: где дз н А — соответственно диаметры внешнего н внутреннего сопла, из и и, — скорости истечения из центрального и кольцевого сопел, пз и п~ — соответственно частоты вращения центрального и кольцевого турбулизаторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
