ТУРБУЛЕНТНЫЕ СТРУИ. Общие свойства струй.

Во многих случаях движения жидкости и газа в потоке возникают поверхности тангенциального разрыва. Течения жидкости по обе стороны такой поверхности называются струйными. В зависимости от относительного направления движения струй они могут быть спутными или встречными. Характерной особенностью струйных течений является то, что тангенциальный разрыв на поверхности раздела терпят такие величины, как скорость течения, температура, концентрация примеси, тогда как распределение статического давления оказывается непрерывным.

На поверхности тангенциального разрыва в связи с ее неустойчивостью возникают вихри, беспорядочно движущиеся вдоль и поперек потока; вследствие этого между соседними струями происходит обмен конечными массами (молями) вещества, т.е. поперечный перенос количества движения, тепла и примесей. В результате на границе двух струй сформировывается область конечной толщины с непрерывным распределением скорости, температуры и концентрации примеси; эта область называется струйным турбулентным пограничным слоем. Наиболее простой случай струйного пограничного слоя имеет место при истечении жидкости с равномерным начальным полем скорости ( ) в среду, движущуюся с постоянной скоростью ( ), так как при этом в начальном сечении струи толщина пограничного слоя равна нулю. Утолщение струйного пограничного слоя, состоящего из увлеченных частиц окружающей среды и заторможенных частиц самой струи, приводит, с одной стороны, к увеличению поперечного сечения, а с другой стороны, к постепенному «съеданию» потенциального ядра струи области, лежащей между внутренними границами пограничного слоя. Схема такого струйного течения изображена на рис. Часть струи, в которой имеется потенциальное ядро течения, называют начальным участком.

Как показывают многочисленные опыты, одним из основных свойств такой струи является постоянство статического давления во всей области течения, вследствие чего скорость в потенциальном ядре струи остается постоянной. Размывание струи за пределами начального участка выражается не только в ее утолщении, но также и в изменении скорости вдоль ее оси. На некотором расстоянии от конца начального участка струйное течение приобретает такой же вид, как течение жидкости из источника бесконечно малой толщины (в осесимметричном случае источником служит точка, в плоскопараллельном случае − прямая линия, перпендикулярная к плоскости растекания струи); соответствующий участок струи называют основным. Между основным и начальным участками струи располагается так называемый переходный участок.

Часто пользуются упрощенной схемой струи и полагают длину переходного участка равной нулю; в этом случае сечение, в котором сопрягаются основной и начальный участки, называют переходным сечением струи. Если в расчетах переходный участок учитывают, то переходное сечение считают совпадающим с началом основного участка. Наиболее изученным видом турбулентного струйного течения является струя, распространяющаяся в покоящейся среде; такая струя называется затопленной.

В описанной схеме струи предполагается, что пограничный слой имеет конечную толщину; в некоторых теориях затопленной струи принимается пограничный слой бесконечной толщины с асимптотическими профилями скорости, температуры и других величин. Оба эти представления о пограничном слое удается практически примирить между собой, так как асимптотический пограничный слой можно всегда приближенно заменить слоем конечной толщины.

Характерной особенностью турбулентной струи, является малость поперечных составляющих скорости в любом сечении струи по сравнению с продольной скоростью. Следовательно, если ось х совместить с осью симметрии струи, то составляющие скорости по оси у, окажутся настолько малыми, что в инженерных приложениях теории струи ими можно пренебречь. Опыты показывают, что профили избыточных значений скорости, температуры и концентрации примеси как в затопленной турбулентной струе, так и в струе, распространяющейся в спутном потоке, имеют одинаковую универсальную форму. На рис. приведен универсальный профиль скорости, полученный в опытах Форсталя и Шапиро в основном участке осесимметричной струи воздуха, вытекающей в воздушный поток того же направления и той же температуры, причем безразмерные избыточные значения скорости построены в зависимости от безразмерных ординат :

Здесь − скорость на расстоянии у от оси струи, − скорость на оси струи, − скорость спутного потока, − расстояние от оси струи до места, в котором избыточная скорость вдвое меньше своего максимального значения:

.

Эти опыты проводились при разных отношениях скорости спутного потока к скорости истечения: . Универсальные профили скорости при наличии спутного потока и в его отсутствии оказались практически одинаковыми. На всей длине основного участка, в опытах со сверхзвуковыми и сильно подогретыми дозвуковыми струями, граница струи слабо изогнута. Для средней скорости можно использовать упрощенное выражение

Отношение плотностей в изобарической струе с помощью уравнения состояния заменяется отношением температур

.