По поводу интенсивности турбулентного перемешивания и влияющих на него факторов в литературе нет единого мнения [Л. 1; 2; 16; 54]. Для развития турбулентного факела этот вопрос имеет особенно большое практическое значение. Решение его опре­деляет возможность активного воздействия на факел.

Для турбулентных струй несжимаемой жидкости давно уста­новлено, что перемешивание двух параллельных потоков проис­ходит тем интенсивнее, чем больше различие значений скорости по обе стороны области смешения. Для газовых струй, отличаю­щихся не только скоростью, но и плотностью, только эксперимент может показать, какой из параметров (отношение значений ско­рости, плотности или величин ри2, ри и т. д.) является наиболее важнцм. При этом, говоря об интенсивности перемешивания, сле­дует указать, какая из характеристик сложного явления выби­рается в качестве определяющей.

Ав

Так как основные характеристики факела (его длина, форма и т. д.) определяются при прочих равных условиях диффузионными потоками реагентов, подходящими к фронту пламени, то естест­венно, что наиболее показательной в данном случае будет интен-

Сивность изменения концентраций топлива и окислителя, а также температуры в зоне смешения. Поэтому в качестве основной ве­личины, характеризующей процессы смешения и горения, следует выбрать концентрацию (температуру). Изучая изменение ее при вариации начальных условий — начальных соотношений скорости, динамического давления и температур, можно выявить условия^ при которых происходит минимальное или максимальное переме-

Шивание. Данные, приведенные в монографии [Л. 22] и в работах [Л. 4; 113 и др. ], свидетельствуют о том, что смешение, определяе­мое по изменению температуры на оси струи, развивающейся в спутном потоке, происходит наименее интенсивно тогда, когда начальные значения рн2 в струе и окружающем потоке совпадают. На рис. 4-7 приведена обработка опытных данных различных ис­следователей, отчетливо подтверждающая сказанное.

Как видно из графиков, значение АТп/АТ0, а также Асш/Ас0 на некотором расстоянии от среза сопла при трц2 = 1 максимально (в пределах изменения параметров, при которых выполнены опыты, использованные для обобщения). В частности, при трц, = 1 значе­ния этих величин заметно больше, чем при mfU = 1 и, особенно, чем при mu — 1. Иначе говоря, при одинако­вых начальных значениях скорости, а также величины ри в струе и спутном пото­ке смешение в турбулент­ных газовых струях не только не ослабляется, как это часто предполагают, но происходит значительно интенсивнее, чем при оди­наковых значениях вели­чины рн2.

Для большей наглядности на рис. 4-8 приведены результаты специально поставленных опытов [Л. 19], в которых при заданном отношении со = T1/Ti (например, ю = 4 на рис. 4-8) изучался ход смешения на оси струи при различных условиях истечения. Результаты этих опытов наглядно показывают характер изменения различных основных величин при разных условиях эксперимента.

Опыты проводились на установке с диаметрами сопла: внутрен­ним — 20 мм и наружным — 60 мм. На рисунке показаны кривые изменения скорости и избыточной температуры на оси струи при трех вариантах задания начальных условий: 1) при равных зна­чениях динамического давления (трца = 1); 2) при равных значе­ниях плотности потока массы (трц = 1); 3) при равных значениях скорости (ти = 1).

Как видно из рис. 4-8, значение рн2 на оси струи, практически равное начальному (рм2)0, сохраняется дольше всего в первом слу­чае.[15] Значение температуры на оси Т начинает при = 1
изменяться заметно дальше от сопла, чем в двух других случаях. Значения и и ри также сохраняются практически неизменными и равными соответственно и0 и р0и0 дольше всего при равенстве со­ответствующих начальных значений ти или трц единице.

Таким образом, каждая из характеристик (и, ри, ри2) сохра­няется практически неизменной на оси струи и в поперечном сече­нии потока тогда, когда начальная разность соответствующих значений этой же характеристики равна нулю. Относится ли это только к указанным пределам значений трц, и со или может быть распространено на более широкий диапазон изменения этих пара­метров, в первую очередь отношения плотности и, возможно, сте­пени турбулентности, должен показать специальный эксперимент.

Изменение температуры на оси струи согласно с данными, при­веденными на рис. 4-8, происходит весьма интенсивно как при ти = 1, так и при трц = 1. Нанесенные на том же графике кривые изменения рисрАТ показывают, что интенсивность перемешивания, определенная по этой характеристике, также меньше в случае, когда m, = 1, чем при m„ = 1 или m, = 1. Аналогичные дан-

Р и 1 И р II

Ные были получены в опытах и при других значениях отношения плотности (со = 2 и 3).

Эти данные в целом выявляют интересные закономерности тур­булентного смешения в спутных газовых струях. Они подтверждают предположение о том, что в развитии факела существенную роль играет разность начальных значений ри2. О справедливости его свидетельствуют также результаты прямого опыта — определения длины факела в зависимости от параметра m, при разных отно­шениях диаметров внешнего и внутреннего сопел. Опыты прово­дились при трех значениях этого отношения, соответственно рав­ных 1,35; 2 и 3 (во всех случаях диаметр внутреннего «сопла рав­нялся 20 мм).

Вариация отношения диаметров наряду с изменением параметра трц2 интересна тем, что ей отвечает изменение длины участка, на котором внутренняя часть течения соответствует спутной струе. Иначе говоря, чем больше диаметр внешнего сопла, тем при прочих равных условиях дальше от среза сопла сохраняется вокруг внут­ренней струи ядро постоянных значений скорости внешней струи.

На фотографиях рис. 4-9 показано изменение внешнего вида факела для различных условий истечения, указанных в подписях к рисункам. На рис. 4-10, 4-11 и 4-12 представлены соответст­вующие этим опытам кривые изменения температуры на оси струи.

Как фотографии, так и результаты измерения температуры от­четливо свидетельствуют о том, что развитие факела определяется в первую очередь параметром трм2. Длина факела во всех случаях максимальна (наихудшее смешение) при одинаковых значениях р«2. Это хорошо видно также из рис. 4-9, на котором приведена сводная зависимость длины факела (определенной по максимуму температуры) от параметра тги,. По обе стороны максимума длины факела, т. е. в тех областях, где значения т и меньше и больше

Единицы длина факела заметно уменьшается (перемешивание про­исходит более интенсивно) и достигает сравнительно малых зна­чений при тга — 1 или ти = 1.

Аналогичные результаты были получены в последнее время в опытах В. А. Арутюнова и И. Л. Вертлиба. В опытах, прове­денных на коаксиальной горелке с другим соотношением разме­ров сопел, также наблюдался отчетливый экстремум длины диф­фузионного факела при равенстве единице отношения динамиче — еских напоров во внутренней и внешней струях.

Таким образом, в соответствии с приведенными выше ре­зультатами опытов по смешению инертных струй, выравни­вание поля температуры или концентраций в факеле про­исходит интенсивно в однородном по скорости (или по значению

Рис. 4-10. Изменение температуры по оси коаксиального факела

(da/d, = 3).

Рис. 4-11. Изменение температуры по оси коаксиального факела

[djd, = 2).

Pu) пбТбКё, если ё Нём ИМёёТСЯ значительный градиент величины ри2.

Экстремальное (наибольшее) значение длины факела при трц, = 1 наблюдалось при всех значениях отношения диаметров. С увеличением этого отношения, т. е. с приближением к развитию факела в неограниченном спутном потоке, максимум длины факела выражен более четко. В этом случае возрастание длины факела по мере увеличения параметра три2 особенно заметно.

Приведенные результаты указывают на практические пути уп­равления прямоструйным факелом. В частности; достижение наи­большей дальнобойности факела связано с выравниванием поля ри2, а не скорости (или ри), как это могло показаться на основании опытов со струями несжимаемой жидкости.

Опыты по исследованию струй сжимаемого газа и диффузи­онного факела показывают также, что встречающееся в зару­бежной литературе [J1. 16; 54, 59] утверждение об определяю­щей роли ри в процессе турбулентного смешения не имеет доста­точных оснований.

Обратная задача — создание наиболее короткого и напряжен­ного прямоструйного факела — должна решаться путем обеспе­чения возможно большей разности ри2 (при конечном соотношении диаметров).

Разумеется, что приведенные здесь выводы и количественные результаты относятся к конкретным условиям эксперимента. В ча­стности, существенное значение в опытах имело создание практи­чески изобарного потока, отсутствие пересечения струй на выходе из сопла и сведение к минимуму возмущений, вызванных обтека­нием струи, разделяющей стенки внутреннего сопла, а также от­сутствие сеток или других устройств, снижающих интенсивность пульсаций на выходе.