В случае свободного двухмерного потока с неравномерным распре­делением концентрации по сечению количество примеси, вносимое диф­фузией, можно определить как разность потоков на входе и выходе рассматриваемого объема с помощью формулы (6-46), учитывая при этом, что 1Т = ]/г2Стх. Учитывая также и количество примеси, вносимое конвективными потоками, дифференциальное уравнение диффузии мож­но написать в следующем виде:

Топлив, а также при пылевидном сжигании твердых топлив. В топочных условиях истечение струи обычно происходит при скоростях, значитель­но превышающих критическую скорость, т. е. при развитом турбулент­ном движении.

Струя газа называется свободной, если она не ограничена тверды­ми стенками и распространяется в среде тех же физических свойств. Струя, распространяющаяся в покоящейся среде, называется затоплен­ной, а в потоке—спутной. Если струя обладает такой же температу­рой, как и среда, то она называется изотермической, а если тем­пература струи отличается от температуры среды — неизотер миче — с к о й.

В топочной технике широкое распространение получили как прямо­точные, так и закрученные [Л. 15, 16] турбулентные струи. Обстоятель­ное обобщение теории струи и ее дальнейшая разработка принадлежит проф. Г. Н. Абрамовичу [Л. 15].

Пусть из сопла (рис. 7-1) вытекает струя со скоростью больше критической в среду той же температуры при равномерном поле скоро­сти в выходном сечении сопла. На поверхности раздела струй со сре­дой возникают вихри, беспорядочно движущиеся вдоль и поперек по­тока. Между струей и окружающей средой происходит обмен конечны­ми массами газа (молями), чем одновременно осуществляется попереч­ный перенос количества движения. Моли из прилегающих слоев окру­жающего газа увлекаются в струю, а моли самой струи затормажива­ются, масса струи и ее ширина увеличиваются, а скорость у границ падает. По мере удаления от устья сопла это возмущение распростра­няется на все большее количество слоев окружающего газа. С другой стороны, все глубже в струю проникают частицы окружающего газа и в некотором месте они достигают оси струи (точка С). Дальнейшее смешение струи с газом из окружающего пространства происходит по всему сечению струи и сопровождается не только увеличением ее ши­рины, но также и падением скорости на ее оси.

Область, где происходит смешение вещества струи с увлеченным из окружающей струи газом, называется турбулентным пограничным 7* 99 слоем или зоной смешения струи. С внешней стороны пограничный слой соприкасается с окружающим газом, образуя границу струи по поверх­ности, во всех точках которой компонента скорости, параллельная оси затопленной струи, равна нулю, а на границе спутной струи скорость равна скорости спутного потока. С внутренней стороны пограничный слой граничит с невозмущенным потенциальным ядром постоянных скоростей струи ЛВС, в котором скорость равна скорости истечения. Потенциальное ядро заключено между внутренними границами зоны смешения. Сечение струи С, в котором оканчивается невозмущенное ядро, называется переходным. Участок, расположенный между началь­ным и. переходным сечениями струи, называется начальным, а участок, следующий за переходным сечением, — основным. Точку О пересечения внешних границ струи называют полюсом струи. Опыты показывают, что во всей области течения свободной струи статическое давление постоянно, вследствие чего скорость и о в потенциальном ядре ЛВС струи остается постоянной, а поперечная составляющая скорости равна нулю, V1 = 0.

Перестройка кинематической структуры струи на начальном уча­стке, в структуру, характерную для основного участка, происходит на некотором участке, называемом переходным. Часто пользуются упро­щенной схемой струи, полагая длину переходного участка равной нулю.

В турбулентной струе поперечные составляющие скорости малы по сравнению с продольной скоростью, поэтому в инженерных расчетах ими обычно пренебрегают.

Распространение турбулентных струй в основном характеризуется нарастанием толщины зоны турбулентного смешения и изменением профилей скорости, температуры, концентрации истекающего газа и примесей твердых или жидких частиц, а также и других параметров газа в поперечных сечениях струи.

На начальном участке в невозмущенном ядре скорость постоянна и равна скорости на выходе из сопла, в пограничном слое скорость падает от этой величины до нуля на границе затопленной струи или до скорости окружающей среды в спутной струе. Кривые распределения скоростей в различных сечениях основного участка имеют максимум на оси струи, а по мере удаления от нее скорость падает и у границы стано­вится равной скорости спутного потока или нулю в случае затопленной струи. Чем дальше от начала струи выбрано сечение, тем струя шире, а профиль скоростей ниже, т. е. скорости меньше.

Опыты показывают, что в безразмерных координатах профили скоростей в различных сечениях начального участка как осесимметрич­ной, так и плоской струи сливаются в одну универсальную кривую:

(7-‘>

В формуле:

£/о, и и Уг—соответственно скорость в невозмущенном ядре струи, равная скорости истечения из сопла, в произвольной точке погранично­го слоя начального участка и скорость спутного потока;

Т}= у ~ У2—безразмерная координата;

Ь=у±—Уг или Ь = Г1—гг — ширина пограничного слоя плоской или осесимметричной струи;

У — текущая ордината, отсчитываемая от оси х, идущей от кромки сопла параллельно оси струи;

У1 и у2— ординаты внутренней и наружной г-ранин пограничного слоя плоской струи;

И г2 — радиусы потенциального ядра и наружной границы осе­симметричной струи.

В основном участке струи универсальный профиль безразмерной скорости выражается уравнением:

‘д&=^=етг=(1-^)!-

В формуле:

Ит — скорость на оси струи в рассматриваемом сечении (макси­мальная скорость);

— безразмерная координата для осесимметричной

У У

Г ‘ 2,27ус

Струи;

£ =~§-~’2~27у————————— т0 же для плоск°й струи;

У и ус — ординаты произвольной точки в основном участке струи и точки, в которой — скорость составляет половину осевой скорости; от­считываются от оси струи;

Г и Ь — радиус поперечного сечения осесимметричной и полушири­на плоской струи в основном участке.

В струе, распространяющейся в покоящейся среде, профили скоро­стей также описываются уравнениями (7-1) и (7-2) при 112=0.

Из уравнений (7-1) и (7-2) следует, что в сходственных точках различных поперечных сечений как начального, так и основного участка струи безразмерные величины избыточных скоростей одинаковы и не зависят от скорости истечения, т. е. скоростные поля в поперечных сечениях пограничного слоя струи подобны и автомодельны.