Некоторые закономерности течения в струях

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ НАГИ Том VII 1976

М I

УДК 532.525.2

НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ В СТРУЯХ

В. М. Захарченко, А. А. Савинов

Приведены результаты экспериментального исследования с помощью визуализации течения в дозвуковых газовых струях круглого поперечного сечения. Показано, что образование регулярных крупномасштабных вихрей на поверхности струи в сносящем потоке, аналогичных вихрям в струях, вытекающих в затопленное пространство и спутный поток, имеет место только при малых числах Йе и соответствует переходу ламинарного режима течения в струе в турбулентный. '

Вопросы вихреобразования в струях, как известно (см., например, [1, 2]), играют важную роль в явлениях турбулизации струи и присоединения к ней массы из окружающего пространства. В работе [3] при исследовании с помощью визуализации круглой струи в гидродинамической трубе при малых числах Рейнольдса было показано, что на поверхности струи в сносящем потоке образуются поперечные кольцевые вихри, движущиеся вдоль линии ее распространения. В работах [3, 4] утверждается, что данное явление имеет место и в газовых турбулентных струях при больших числах Рейнольдса.

В целях выяснения условий, при которых данное явление имеет место в газовых струях, было проведено экспериментальное исследование с помощью визуализации течения в струях в широком диапазоне скоростей. Опыты по визуализации струи в сносящем потоке были проведены в малотурбулентной трубе ЦАГИ. Для создания струи использовался сжатый воздух, который через систему воздуховодов подводился к трубе. В трубе была установлена пластина размером 800 X 500 мм, в центре которой находился насадок с внутренним диаметром 15 мм для выдува струи (фиг. 1). Струя выдувалась перпендикулярно плоской пластине и сносящему потоку. Скорость в струе изменялась от 4 до 150 м/с, а скорость сносящего потока от нуля до 36 м/с. В результате были исследованы струи с отношением скорости струи к скорости сносящего потока от единицы до бесконечности; Числа Рейнольдса, определяемые по величине скорости струи на срезе сопла и диаметру выходного сечения, изменялись в диапазоне Нес = 6ХЮ3н-200ХЮ3,

а числа Рейнольдса, определенные по скорости сносящего потока, — в диапазоне Иеоо = 2,3 X 103 Ч- 45 X Ю3.

Для визуализации течения в струе в трассу подвода воздуха добавлялся углекислый газ в количестве, необходимом для визуализации струи при помощи теневого прибора Теплера (см. фиг. 1),

Лоздух

Фиг. 1

В опытах был использован теневой прибор ИАБ-451. Теневая картина течения в струе фотографировалась с экрана приемной части теневого прибора. В качестве источника света для коллиматора теневого прибора использовалась импульсная лампа-вспышка, со временем экспозиции порядка 6ХЮ_6 с, позволяющая получать четкую „мгновенную" картину течения в струе.

Визуализация истечения струй при различных скоростях в затопленное пространство (1/со = 0) показывает, что при малых скоростях струи (1/с< 12 м/с) струя, вытекающая из насадка, имеет ламинарный режим течения и переход в турбулентный происходит выше среза сопла (фиг. 2). Ламинарный участок струи имеет различную протяженность в зависимости от скорости струи. При скорости струи выше 12 м/с наблюдается турбулентный режим истечения струи, т. е. переход ламинарного течения в турбулентное происходит ниже по потоку среза сопла. Отметим, что такое разграничение режима истечения струи по скорости на ламинарный и турбулентный, естественно, справедливо только для данных условий опыта и выбранного насадка.

Из фотографий истечения осесимметричной струи в затопленное пространство (фиг. 2) видно, что, как это наблюдалось и ранее (см., например, [5, 6]), переход ламинарного течения в струе в турбулентное сопровождается появлением крупномасштабных кольцевых вихрей, которые ниже по потоку переходят в неупорядоченное турбулентное течение. При этом участок перехода ламинарного течения в турбулентный может иметь различную длину, что обусловлено, очевидно, характеристиками струи и окружающего пространства.

Крупномасштабные вихри на поверхности струи, как это видно из фиг. 2, наблюдаются и при наличии сносящего потока, если вытекающая струя имеет ламинарный режим истечения. Аналогичные

кольцевые вихри, движущиеся вдоль струи, наблюдались ранее в гидродинамической трубе при малых числах Рейнольдса [3]. Отличия истечения струи в спутный поток от истечения струи в затопленное пространство заключаются в том, что вихревые кольца значительно деформируются по форме и переход ламинарного течения

Фиг. 2

в турбулентный наступает раньше по длине струи вследствие воздействия сносящего потока. Заметим, что процесс образования регулярных вихрей вдоль струи устойчив по времени, если струя имеет развитый ламинарный участок. В том случае, если ламинарный участок струи мал, то процесс образования регулярных вихрей имеет неустойчивый характер по времени.

При больших скоростях струи (фиг. 3), когда струя становится полностью турбулентной, регулярных крупномасштабных вихрей, движущихся вдоль струи, не наблюдается, а имеет место неупорядоченное турбулентное перемешивание на протяжении всей длины струи. Следовательно, образование регулярных крупномасштабных вихрей в осесимметричной струе связано с переходом ламинарного течения в струе в турбулентное. Это подтверждают и фотоснимки на фиг. 4, где приведены картины истечения струи с малыми скоростями в затопленное пространство и сносящий поток при наличии турбулизатора. В качестве турбулизатора

была использована шероховатость типа „наждачная бумага", полоска которой шириной примерно 10 мм наклеивалась по периметру цилиндрического участка насадка на расстоянии нескольких калибров от среза сопла.

Из сравнения фиг. 2 и 4 видно, что как только струя становится полностью турбулентной, исчезают упорядоченные поперечные вихри, движущиеся вдоль поверхности струи. Фотоснимки

6 М/С

Фиг. 4

полностью турбулентных струй в различные моменты времени показывают, что данное течение имеет устойчивый характер по времени. Аналогичные явления наблюдаются и в случае затопленной струи и струи в спутном потоке [7, 8]. В этой связи заметим, что заключение о существовании регулярных поперечных вихрей, движущихся вдоль поверхности развитых турбулентных струй, сделанное в работе [4] на основе киносъемки турбулентной струи, является, на наш взгляд, ошибочным.

Рассмотрение фотографий струи в сносящем потоке (фиг. 2) показывает, что при малых числах Ие, как и в гидродинамической трубе [4], на переднем фронте струи в плоскости ее симметрии наблюдаются „парные вихри“, т. е. два вихря с противоположным направлением вращения, движущиеся вдоль струи вблизи друг от друга. Объяснение природы возникновения этих „парных вихрей“ впервые дано Ю. А. Гореловым и А. Н. Висковым. Известно, что осесимметричная струя под воздействием поперечного потока довольно быстро по длине струи приобретает подковообразную форму, в результате чего сближаются передняя и задняя (по потоку) стороны струи. Это приводит к деформации вихревого кольца, которое при фотосъемках струи сбоку наблюдается на переднем фронте струи в плоскости ее симметрии в виде двух противоположно вращающихся вихрей. Отметим, что „парные вихри“ формируются только в случае сильно искривленных струй. В случае слабо искривленных струй кольцевые крупномасштабные вихри разрушаются раньше по длине струи, чем наступает это явление.

1. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М., Физмат-гиз, 1960.

2. Гиневский А. С. Теория турбулентных струй и следов.

М., .Машиностроение", 1969. .

3. Горелов Ю. А., Висков А. Н., Филиппова Н. М. Расчет поля скоростей и давлений, индуцируемых струей в сносящем потоке. Труды ЦАГИ, вып. 1412, 1972.

4. В и с к о в А. Н., Г о р е л о в Ю. А. О явлении поперечного вихреобразования в дозвуковых струях, истекающих в сносящий поток. „Ученые записки ЦАГИ", т. IV, № 4, 1973.

5. Секундов А. Н., Яковлевский О. В. Некоторые вопросы перехода каналового течения в струйное. „Изв. АН СССР, МЖГ“, 1967, № 3.

6. W і 1 е е R. Beitrage zur Phanomenologie der Freistrahlen. Z. F. W., Heft 6, 1963.

7. Bradshow P., FerrissD. H., Johnson R. F. Turbullence in the noise-producing region of a circular jet. J. F. М., vol. 19, p. 4, 1964.

8. Абрамович Г. H., Крашенинников С. Ю., Секундов А. Н., Смирнова И. П. .Турбулентное смешение газовых струй*. М. „Машиностроение*, 1974.

Рукопись поступила 10jV 1975

Ученые записки ЦАГИ Ш 1