Струйное истечение

Николай Яковлевич Кириленко – советский и российский учёный в области механики, экологии, педагогики, психологии, академик Российской академии естественных наук, профессор, заслуженный изобретатель Российской Федерации, заслуженный деятель науки Московской области, лауреат Национальной экологической премии «Экомир», лауреат Международной экологической премии «EcoWorld», Международной премии им. М. Нострадамуса, специальный диплом им. Н.И. Вавилова Международной экологической премии «EcoWorld», почётный учёный Европы, почётный изобретатель Европы, выдающийся натуропат Европы.





СТРУЙНОЕ ИСТЕЧЕНИЕ



Введение.

Струя – форма течения среды (жидкости, газа, плазмы), при которой истекающая среда течёт в окружающей среде (газе, жидкости, плазме) с отличающимися от струи параметрами (скоростью, температурой, плотностью и т.п.).

Схема струйного течения (СТ) с образованием в жидкости свободных поверхностей тангенциальных разрывов была предложена Г. Гельмгольцем (1868 г.). В 1869 г. Г. Кирхгоф решил первые задачи плоских потенциальных СТ несжимаемой жидкости, в частности, истечение струи из отверстия в стенке и обтекание пластинки под углом атаки с отрывом потока от её кромок и образованием «застойной» (отрывной) области, давление в которой равно давлению в набегающем потоке (на «бесконечности»). Результаты позволяют определить форму струи и коэффициент её сжатия. Струйное обтекание пластинки по схеме Кирхгофа, в отличие от сплошного обтекания, при котором тело в потенциальном, потоке не испытывает сопротивления дает силу, действующую по нормали к пластинке, и соответственно силу сопротивления.

Чаплыгину С.А. принадлежит обобщение теории плоских СТ на случай потенциальных дозвуковых течений газа.

Известны также решения более общих задач теории струй: нестационарного обтекания, течений тяжёлой и капиллярной жидкостей и другие. Осесимметричные и пространственные СТ не имеют конечных аналитических решений и изучаются в линейном приближении или численно.

Струйное истечение.

Струйные течения разнообразны и широко распространены в природе и технике. Струйные течения сильно отличаются как по структуре движения, так и величине параметров, их определяющих.

По степени воздействия окружающего пространства на характер движения струи различают:

- струи свободные;

- полуограниченные или настильные, движущиеся вдоль ограничивающей пространство плоскости;

- ограниченные (стеснённые), вытекающие в пространство конечных размеров, соизмеримых с начальными размерами струи.

Свободная струя –  струя, распространяющаяся в безграничной среде; не ограниченная твёрдыми стенками, Струя при этом может истекать в неподвижную среду, а так же в поток.

В данном случае различают:

- спутную струю, истекающую в поток, направление скорости которого совпадает с направлением струи;

- струю в сносящем потоке, если скорость потока направлена под углом к оси струи;

- струю во встречном потоке, когда векторы продольной скорости струи и скорости потока направлены навстречу друг другу.

Статическое давление в разных точках дозвуковой струи изменяется несущественно и приблизительно равно давлению окружающего пространства, т.е. свободную струю можно считать изобарической.

Струи могут распространяться в разных средах.  В зависимости от влияния среды струи (по плотности вещества струи и среды) разделяют:

- незатопленные свободные;

- затопленные свободные;

- несвободные затопленные.

Струя называется затопленной, если она распространяется в среде с теми же физическими свойствами, что и у неё самой. Соответственно незатопленная струя распространяется в другой среде. Это жидкие струи в газе, струи газа в жидкости, струи жидкости в жидкости, не смешивающейся с ними.

По виду энергии, расходуемой на образование струи, различают:

- приточные (механические) струи, создаваемые вентилятором, компрессором, эжектором и т.п.;

- конвективные струи, образующиеся вследствие нагревания или охлаждения воздуха вблизи горячих или холодных поверхностей различных тел.

Струи различают также по форме начального сечения:

- если сечение круглое, то струя называется осесимметричной;

- если сечение имеет вид бесконечно длинной полосы постоянной высоты, то она называется плоскопараллельной или плоской.

Температуры струи и окружающей среды могут быть одинаковыми или различными. В соответствии с этим различают струи изотермические и неизотермические.

В зависимости от режима истечения струи могут быть:

- ламинарными (течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций);

- турбулентными (форма течения, при которой его элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущейся среды).

При турбулентном движении наряду с осевым движением существует и поперечное движение частиц. При этом частицы попадают за пределы струи и переносят в граничащие со струей массы неподвижной среды своё количество движения, увлекают (эжектируют) эти массы, придавая им определённую скорость.

На место ушедших из струи частиц в неё попадают частицы из окружающе1 среды, которые подтормаживают граничные слои струи. Следствием этого обмена импульсами между струей и неподвижной средой появляется возрастание массы струи и убывание скорости у её границ. Подторможенные частицы струи вместе с увлечёнными частицами окружающей среды образуют турбулентный пограничный слой, толщина которого по мере удаления от выходного отверстия непрерывно возрастает, соприкасаясь с внешней стороны с неподвижной средой, а с внутренней стороны – с ядром постоянной скорости, пограничный слой приобретает переменный профиль скоростей.

Ядро постоянной скорости по мере удаления от выходного отверстия и утолщения пограничного слоя сужается, пока полностью не исчезнет. После этого пограничный слой уже заполняет всё сечение струи, включая и ось потока. Поэтому дальнейшее размывание струи сопровождается возрастанием её ширины и при этом падает скорость на оси. Сечение струи, в котором завершается размыв ядра постоянной скорости и на оси которого обе половины пограничного слоя смыкаются, называется переходным сечением. Участок струи, расположенный между выходным отверстием и переходным сечением, в котором скорость на оси остается неизменной и равной начальной скорости, называется начальным. Участок, следующий за переходным сечением, в котором скорость на оси постепенно уменьшается и затухает, называется основным. Границы струи, как внешняя граница, так и граница ядра постоянной скорости, прямолинейны.

Струи, имеющие сравнительно небольшой угол естественного турбулентного расширения (примерно 25°), называют прямоточными. В прямоточных струях векторы скорости при истечении параллельны между собой. Струи, имеющие искусственно увеличенный угол расширения по сравнению с прямоточными струями, называют рассеянными. В рассеянных струях векторы скорости при истечении расходятся. Разновидностью рассеянных струй являются полые, конические, веерные и неполные веерные струи. К рассеянным струям можно отнести закрученные струи, которым при помощи специального закручивающего устройства придаётся вращательное движение, В таких струях в начальном сечении наряду с аксиальной и радиальной имеется тангенциальная (вращательная) составляющая скорости.

По характеру изменения давления истечения во времени струи:

- стационарные;

- нестационарные;

- пульсирующие.

По степени распыливания (расширения) вещества струи:

- компактные;

- рядовые;

- распыленные.

По газовому состоянию вещества струи и среды: однофазные, двухфазные, многофазные.

По скорости истечения различают дозвуковые и сверхзвуковые струи. В дозвуковых струях во всех точках течения скорость газа меньше местной скорости звука. В сверхзвуковых струях имеются области, где скорость течения газа превышает местную скорость звука. Последние могут быть изобарическими и неизобарическими. Для изобарических сверхзвуковых струй характерно постоянство давления во всем поле течения, в неизобарических струях давление может существенно изменяться как по длине струи, так и поперёк течения. Сверхзвуковые струи характеризуются наличием ударно-волновой структуры. Важную роль в механизме турбулентного смешения играют продольные вихревые структуры, которые образуются из малых возмущений за счет газодинамических неустойчивостей течения

Основные характеристики струй: вязкость, турбулентность, эжекционная способность, пульсации давления (при взаимодействии струй друг с другом, с окружающей средой, преградами, полостями, в зонах отрыва пограничного слоя), импульсность, закрученность, дисперсионность.

Основными параметрами струи являются осевая скорость, диаметр для круглых сечений или ширина для плоских струй, расход воздуха  и средняя скорость. Основные параметры струи зависят от коэффициента турбулентности, характеризующего интенсивность перемешивания и зависящего от конструкции насадка, из которого вытекает струя. Чем больше коэффициент турбулентности, тем интенсивнее перемешивание и больше угол расширения струи.

Струйные течения широко применяются в системах вентиляции, воздушных завес, в газогорелочных устройствах, двигателях, турбинах, в струйной пневмоавтоматике, распылительной технике, средствах гидромеханизации, эжекторах, инжекторах, струйных аппаратах, при струйной обработке материалов, струйном разрушении горных пород, абразивоструйной очистке и т.д. Струи кислорода широко применяются в сталеплавильных процессах.

Струйные течения ветра – сильный воздушный поток с горизонтальной осью в верхней тропосфере или нижней стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра. Струйные течения различной интенсивности и повторяемости наблюдаются практически над всеми районами земного шара. По широтным зонам и высоте расположения оси отличают следующие виды струйных течений: полярные, внетропические, субтропические, экваториальные и стратосферные. Каждому из них присущи свои характерные особенности, отличающие их друг от друга.

Управление струйным истечением.

См. Управление струйным истечением в объектах техники. http://proza.ru/2022/04/16/1645

Научные основы.

В теории физического вакуума все движения сводятся к вращению, которое может быть связано как с угловыми, так и с временными параметрами, и взаимодействию с физическим вакуумом, происходит кручение физического вакуума.

Изменение энтропии необходимо рассматривать в непрерывной связи с взаимодействием материи с естественнонаучной основой мироздания –физическим вакуумом, средой, в которой отражаются энергетические процессы, проходящие в материальных телах, тем самым автоматически термодинамическая система переводится из закрытой системы в открытую систему.

Список литературы

См. Теория турбулентных струй / Под ред. Г.Н. Абрамовича. – М.: Наука, 1984.

Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. Интегральные методы расчёта. – М.: Машиностроение, 1969.

Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. – М.: Наука, 1965.

Талиев В.Н. Приточные и конвективные струи: Конспект лекций. – М. : МТИ, 1977.

Гинзбург И.П. Аэрогазодинамика. – М.: Высшая школа, 1966.

Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения. – Новосибирск: Наука, 1984.

Сизов А.М. Газодинамика и теплообмен струй в металлургических процессах. – М.: Металлургия, 1987.

Сверхзвуковые неизобарические струи / В.С. Авдуевский, З.А. Ашратов, А.В. Иванов, У.Г. Пирумов. – М.: Машиностроение, 1985.

Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые струи плазмы. – Л.: Машиностроение, 1985.

Пирогов Л.К., Кириленко Н.Я. Анализ обратного течения в донной области четырёхсопловой компоновки. – Л.: ЛМИ, 1971.

Запрягаев В.И., Усков В.Н., Гапонов С.А., Маслов А.А., Глазнев В.Н. Струйные и нестационарные течения в газовой динамике. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2000.

Зазимко В.А. Теоретические основы расчёта до- и сверхзвуковых струйных течений с учетом физико-химических превращений. – СПб.: БГТУ, 2006.

Усков В.Н. Ударные волны и их взаимодействие. – Л.: ЛМИ, 1980.

Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Газодинамика сопел и струй реактивных двигателей. – Казань: КВВКИУ,  1991.

Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Взаимодействие струй реактивных двигателей с преградами и отражателями. – Казань: КВВКИУ,  1991.

Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Акустика газовых струй. – Казань: КВВКИУ, 1992.

Усков В.Н., Кириленко Н.Я., Запрягаев В.И., Митряйкин В.И. и др. Воздействие струй ракетных двигателей на элементы стартовых устройств. – Казань: КВВКИУ, 1993.

Ельцин С.Н., Кириленко Н.Я. Ядерные двигатели летательных аппаратов. – Л.: ЛМИ, 1969.

Афанасьев Е.В., Балобан В.И., Бобышев С.В., Добросердов И.Л. Структурно-элементное моделирование газодинамических процессов при старте ракет. – СПб.: БГТУ, 2004.

Добросердов И.Л., Кириленко Н.Я., К вопросу расчёта параметров растекания потока между параллельными пластинами // Динамика машин и конструкций. – Челябинск: ЧПИ, 1978.

Добросердов И.Л., Кириленко Н.Я., Пилкин Е.И. и др. К определению поперечных нагрузок на насадок при истечении из него турбулентного потока // Динамика машин и конструкций. – Челябинск: ЧПИ, 1985.

Кириленко Н.Я. Метод расчёта динамических нагрузок при истечении турбулентного потока с искривлённой вогнутой поверхности  // Динамика машин и конструкций. – Челябинск: ЧПИ, 1988.

Кириленко Н.Я. Управление истечением турбулентного потока // Динамика машин и рабочих процессов. – Челябинск: ЧПИ, 1993.

Кириленко Н.Я., Ерёмкин А.И. Струйные газогидродинамические устройства. – Пенза, ПГАСА, 1998.

Кириленко Н.Я., Ерёмкин А.И. Элементы и устройства струйных систем. – Пенза, ПГАСА, 1998.

Кириленко Н.Я. Моделирование на ЭВМ газодинамических процессов истечения. – Коломна: КВАКУ, 1995.

Кириленко Н.Я. Физические основы поиска и анализа технических решений струйных устройств. – Коломна: КВАКУ, 1995.

Кириленко Н.Я. Управление физическими процессами истечения. – Коломна: МВАКИУ, 1998.

Кириленко Н.Я. Управление физическими процессами истечения. Ч. 2. – Коломна: ВАУ, 2000.

Кириленко Н.Я. Управление струйным истечением в объектах техники. http://proza.ru/2022/04/16/1645

Кириленко Н.Я. Синтез и управление струйным истечением в объектах техники. http://proza.ru/2022/07/19/1212

Кириленко Н.Я. Концепция эжекции. http://proza.ru/2021/10/31/1172

Кириленко Н.Я. Вихревая концепция. http://proza.ru/2022/05/23/208

Кириленко Н.Я. Поля кручения. http://proza.ru/2022/01/02/232

Кириленко Н.Я. Поляризация физического вакуума. http://proza.ru/2021/10/07/1261

Кириленко Н.Я. Варп-волны физического вакуума. http://proza.ru/2022/05/03/369

Шипов Г.И. Теория физического вакуума: Теория, эксперименты и технологии. – М.: Наука, 1996.