... к списку статей      ... к списку статей о науке

Общие закономерности течения газовой струи

Характер течения газовой струи после выхода ее из горелки имеет важное значение для определения формы ядра и факела. В наиболее чистом виде факел образуется при истечении сварочного пламени из сварочной горелки в неограниченное пространство.

Струю называют свободной или затопленной, когда она развивается практически в неограниченном пространстве, в среде с теми же физическими свойствами, в частности, с одинаковой температурой.

В реальных условиях при газопламенной обработке металлов струя деформируется пластиной свариваемого, напыляемого или разрезаемого металла, находящейся, как правило, на расстоянии большем, чем длина ядра, но значительно меньшем, чем длина факела. Поэтому в зоне за ядром пламени характер течения становится сложным, зависящим от расстояния до препятствия.

Согласно современным представлениям, в развитии дозвуковых газовых струй преобладающую роль играют структуры, существующие на начальном участке струи. Эти структуры в опытах подтверждаются визуальными наблюдениями, их движение характеризуется определенными частотами.

Часть струи, ограниченная внутренней поверхностью слоя смешения (пограничного слоя), образует потенциальное ядро с постоянной осевой скоростью. Длина этого участка, называемого начальным, зависит от профиля скорости и характера течения струи из наконечника горелки. Для круглой струи Xh = (4...6) d.

По мере развития турбулентного пограничного слоя его внутренняя граница приближается к оси струи и в некотором сечении касается ее. Начиная с этого момента слой смешения занимает все поперечное сечение струи, а дальнейшее ее развитие сопровождается падением скорости на оси, определяемой законом сохранения импульса.

Известно, что в одиночной круглой струе при h>Xn (h — расстояние от среза сопла до теплообменной поверхности) различают три области течения

I    — свободной (затопленной) струи;

II    — градиентного течения в зоне удара струи о преграду и разворота ее на преграде;

III    — пристенной (радиальной или плоской) струи.

Влияние преграды на изменение гидродинамических параметров струи, натекающей на преграду, начинает проявляться с расстояния (1,2...1,5)d от поверхности. Поэтому между срезом сопла и сечением, отстоящим от преграды вверх по струе на указанное расстояние, т. е. в области I, остаются справедливыми все соотношения, характерные для свободной струи.

Характеристики течения круглой свободной (затопленной) струи исследованы наиболее подробно, так как свободная (затопленная) струя давно представляла самостоятельный предмет изучения.

Отметим характерные особенности струи с равномерным начальным профилем скорости. Опыты показали, что при Re» 103 течение струи остается ламинарным до расстояния x/d ~ 4, после которого на границе струи появляются небольшие возмущения. С ростом числа Рейнольдса протяженность ламинарного течения уменьшается, в области смешения появляется турбулентное течение и, наконец, при Re = 4-103 течение струи становится полностью турбулентным.

Если же струя имеет неравномерный профиль начальной скорости и течение струи турбулентное, длина начального участка сокращается.

В области II течения круглой струи, в зоне удара и разворота струи, существует градиент скорости по внешней границе пограничного слоя. Изменение давления в этой области таково, что ее можно разделить еще на две:

•    зону критической точки du/dz = const,

•    зону переходного течения, где происходит падение градиента давления, и du/dz ^ 0.

Модель течения в области II при расстоянии до преграды h < Хн, предложенная в работе], представлена на рис. 8. Визуальные наблюдения за течением, выполненные в этой зоне с помощью теневого прибора Тепл ера и дополненные опытами с микровертушками, показали существование в этой зоне характерных спиралевидных вихрей, которые образуются под влиянием центробежных сил в слое смешения струи при развороте потока.

Координата преграды, в которой dp/dz ~ 0, является началом области III течения — пристенной струи. Как уже упоминалось, наличие преграды начинает сказываться на гидродинамике струи с

расстоянием (1,2-1,5)d от поверхности. Радиус сферы, в пределах которой свободная осесимметричная струя превращается в пристенную радиальную, зависит от ряда факторов, в первую очередь, от расстояния сопла до преграды и обычно составляет (1,5-5,5)d при x/d = (1...40).

Вследствие торможения потока в зоне удара давление на преграде возрастает, достигая максимума в критической точке. Изменяется направление течения потока, причем по мере удаления от критической точки давление на преграде падает до давления окружающей среды.

Экспериментальные исследования осредненной скорости пристенной струи в пограничном слое на поверхности преграды показали, что значение скорости Um на его внешней границе увеличивается с удалением от критической точки, достигает максимального значения U* при г = г* и далее монотонно снижается.

Учитывая, что форма пламени сварочной горелки идентична пламени горелки Бунзена, для приближенных инженерных расчетов формы пламени можно с определенными допущениями использовать упрощенный расчет формы пламени, предложенный В. А. Михельсоном. По этой методике расчет длины ядра пламени, без учета закругления вершины, выполняется исходя из предположений, что фронт пламени представляет математическую поверхность, на которой газ мгновенно переходит из начального состояния в конечное. При истечении струи из цилиндрического сопла сварочной горелки, распределение скоростей, характерное для течения внутри сопла, сохраняется на некотором расстоянии и вне трубы, при этом это распределение скоростей параболическое. Кроме того, краевая скорость газового слоя у поверхности трубы равна нормальной скорости горения пламени конкретного горючего газа.

Для оценки формы и строения водородно-кислородного пламени, а также возможности использования методики расчета формы пламени, предложенной В. А. Михельсоном, необходимо оценить гидродинамическое состояние водородно-кислородной смеси, вытекающей из сварочной горелки.

Спонсор статьи: Power Box чип тюнинг и экономия топлива Eco Box

 

29/05/2012г.

 

Мнение редакторов сайта может не совпадать с мнением автора статьи.

Редакция сайта не несет ответственности за содержание данной статьи.

Если статья ущемляет права третьих лиц, то по требованию третьих лиц она будет в течение трех дней удалена с сайта.

 





•••
•••
 
   
   
   

Использование материалов сайта возможно только с письменного согласия учредителей ООО "Конструкторское бюро "Сириус"

Copyright © 1998-2016 by Sirius
Made by КБ Сириус
Mail to webmaster