СТРУЯ

СТРУЯ форма течения жидкости,
при к-рой жидкость (газ) течёт в окружающем пространстве, заполненном
жидкостью (газом) с отличающимися от С. параметрами (скоростью,
темп-рой, плотностью и т. п.). Струйные течения чрезвычайно распространены
и разнообразны (от С., вытекающей из сопла ракетного двигателя, до струйного
течения в атмосфере). При их изучении рассматриваются изменения
скорости, плотности, концентрации компонентов газа и темп-ры как в самой
С., так и в окружающей её среде. Струйные течения классифицируют по наиболее
существ, признакам, учитываемым при упрощении решаемых задач. Большое значение
имеет С., вытекающая из сопла или отверстия в стенке сосуда. В зависимости
от формы поперечного сечения отверстия (сопла) рассматривают круглые,
квадратные, плоские С. и т. п. Если скорости течения в С. на срезе сопла
параллельны, её называют осевой; различают также веерные и закрученные
С. В соответствии с характеристиками вещества рассматривают С. капельной
жидкости, газа, плазмы и т. п. Для С. сжимаемых газов существенным является
отношение скорости газа v на срезе сопла к скорости а распространения
звуковых волн -Маха число M = v/a; в зависимости от значения М
различают
С.: дозвуковые (М<1) и сверхзвуковые (М>1). В особый класс
выделяются двухфазные С., напр. газовые, содержащие жидкие или твёрдые
частицы. Аналогичная классификация проводится и для среды, в к-рой течёт
С. В зависимости от направления скорости течения газа (жидкости)
в
окружающей среде различают С., вытекающие в спутный (направленный в ту
же сторону), встречный и сносящий поток (напр., С. жидкости, вытекающая
из трубы в реку и направленная, соответственно, по течению, против течения
и под углом к скорости течения реки). С., вытекающая в бассейн,-
пример С., вытекающей в неподвижную среду. Если состав жидкости (газа)
в
С. и окружающей её неподвижной среде идентичен, С. наз. затопленной (напр.,
С. воздуха, вытекающая в неподвижную атмосферу). С. наз. свободной, если
она вытекает в среду, не имеющую ограничивающих поверхностей, полуограниченной,
если она течёт вдоль плоской стенки, стеснённой, если вытекает в среду,
ограниченную твёрдыми стенками (например, С., вытекающая в трубу, большего
диаметра, чем диаметр сопла). Особо рассматриваются С., обтекающие препятствия.
В соответствии с физич. особенностями вещества
С. и внешней среды
различают С. смешивающиеся (С. газа, вытекающая в воздух) и несмешивающиеся
(С. воды, вытекающая в атмосферу). Поверхность несмешивающейся С.
неустойчива, и на нек-ром расстоянии от среза сопла С. распадается на капли.
Дальнобойность такой С. - расстояние, на к-ром она сохраняется монолитной,
зависит от физич. свойств её вещества и уровня начальных возмущений в сопле.
Для увеличения дальнобойности С. воды пожарного брандспойта внутр. поверхность
сопла профилируют и тщательно шлифуют. У С. боевых огнемётов, кроме того,
в жидкость добавляют спец. присадки для увеличения коэфф. поверхностного
натяжения. Для уменьшения дальнобойности С., вытекающей из форсунок, её
турбулизуют, закручивают, а иногда предварительно смешивают с газом. В
случае, когда вещество С. способно смешиваться с веществом внеш. среды,
на её поверхности образуется монотонно расширяющаяся вдоль С. область вязкого
перемешивания - струйный пограничный слой. В зависимости от режима течения
в слое перемешивания различают С. ламинарные или турбулентные. С. из сопла
реактивного двигателя летящего самолёта - пример турбулентной сверхзвуковой
С., вытекающей в спутный поток,< к-рый в зависимости от скорости
полёта самолёта может быть дозвуковым или сверхзвуковым. В дозвуковой турбулентной
С. статич. давление в любой точке С. постоянно и равно давлению в окружающем
пространстве. Такие С. наз. изобарическими, широко распространены в различных
технич. системах (вентиляц. установки, пром. печи и т. п.). На срезе
сопла спутной изобарич. С. (сечение
АА, рис.1) скорость течения
vотличается от скорости спутного потока vНа границе
С. и внеш. потока образуется пограничный слой Т, состоящий из газа
С. и увлечённого ею газа внеш. среды. Расход газа в <С., ограниченной
размером b, по мере удаления от среза сопла монотонно увеличивается,
но суммарное количество движения газа, определённое по избыточной скорости,
остаётся неизменным.

Рис. 1. Спутная изобарическая струя
газа; b - радиус струи; х- длина начального участка; xп -длина переходного участка; v-
скорость течения на срезе сопла; UK - скорость течения внешней среды;
vv-скорость течения на оси струн;
Т - пограничный слой струи.

В начальном участке С. при х<храсширяющийся
пограничный слой ещё не достигает оси течения; скорость v вблизи
оси постоянна и равна скорости на срезе сопла. В переходном участке С.
вязкое перемешивание распространяется на весь объём С., скорость течения
на оси уменьшается, но профили скоростей ещё не устанавливаются. В основном
участке С. (x>xуменьшаться, а профили относит, скорости

становятся неизменными (автомодельными)

-избыточные скорости в рассматриваемой
точке течения и на оси С.). Уширение С. на основном участке так
же, как и расширение пограничного слоя в начальном участке турбулентной
С., пропорционально среднему значению степени турбулентности течения

(С - константа), т. е. зависит
от разницы скорости на оси С. и скорости внеш. потока. Аналогичные зависимости
характеризуют изменения темп-ры и концентрации компонентов газа в случае,
если они различны у газа С. и внеш. среды.Качественно аналогична, хотя
и более сложна, сверхзвуковая турбулентная нерасчётная С. Сюда относятся
С., вытекающие из сверхзвуковых сопел реактивных и ракетных двигателей,
газовых и паровых турбин и т. п. Начальный газодинамич. участок нерасчётной
сверхзвуковой С. (первая "бочка", рис. 2)

определяется как расстояние от среза
сопла до пересечения ударных волн 2 с границей С. Геометрические
размеры и структура этого участка зависят от нерасчётности С.

(где рв С. на срезе сопла, р),
чисел Маха на срезе сопла ММи
физич. характеристик газа С. и внеш. среды. Возникающий на границе С. слой
вязкого перемешивания достигает оси С. на расстоянии xДалее после переходного участка x, в к-ром затухают
волны давления и устанавливаются автомодельные профили скорости, темп-ры
и концентрации, С. становится изобарической. В случае сверхзвукового течения
в спутном потоке (М 1) перед С. образуется ударная волна 1.
Рассмотренные схемы С. отличаются от действительного течения, к-рое значительно
сложнее, однако на их основе удаётся создать методики расчёта, позволяющие
с достаточной точностью определить поля скоростей, темп-ры и концентрации
в С. и окружающей среде. Решение этой задачи необходимо для определения
количества вещества, захватываемого (эжектируемого) С. из внеш. среды,
расчётов силового и теплового взаимодействия С. с поверхностью, расположенной
на заданном расстоянии от среза сопла, излучения С. и для ряда др. задач.
Лит.:
Абрамович
Г. H., Теория турбулентных струй, М., 1960; В у л и с Л. А., Кашкарев В.
П., Теория струй вязкой жидкости, М., 1965; Сверхзвуковые струи идеального
газа, ч. 1-2, М., 1970-71. М. Я. Юделович.

Рис. 2. Сверхзвуковая нерасчётная
струя в сверхзвуковом спутном потоке: Хнг -начальный газодинамический
участок струи (первая "бочка"); Хп - переходный участок струи; X-
расстояние, на котором слой вязкого перемешивания достигает оси течения;
Т
- область вязкого перемешивания (пограничный слой) струи; 1 - ударная
волна, возникающая в спутном потоке; 2 - ударные волны в струе.