§ 39. Основные характеристики турбулентных свободных струй
Бурчаков А.С., Мустель П.И., Ушаков К.З.
Рудничная аэрология. – М.: Недра, 1971. – 378 с.
Основные законы, которым подчиняется движение турбулентных свободных струй, те же, что и для ограниченных потоков. Движение их описывается уравнениями (VI, 19), в них также действуют молекулярные и турбулентные напряжения, пульсационные скорости. Однако отсутствие твердых границ определяет и ряд их особенностей.
На рис. 44 представлена схема свободной струи.
 |
Рис. 44. Схема свободной турбулентной струи, вытекающей из отверстия ко- |
Точка начала свободной струи носит название полюса струи. Практически, однако, начальное сечение струи всегда имеет некоторые размеры. В этом случае полюс струи определяется как точка пересечения внешних границ струи.
При выходе воздушного потока из начального сечения АВ (см. рис. 44) на его кромке происходит срыв струй, в результате чего образуется расширяющийся турбулентный пограничный слой А'АС В В'. Между его внутренними границами АС и БС находится ядро постоянных скоростей, в пределах которого продольные скорости остаются постоянными (рис. 45) и равными средней скорости в начальном сечении.
 |
Pиc 45. Эпюры скоростей в свободной турбулентной струе |
Продольные скорости в свободной струе имеют максимальную величину на ее оси, убывая до нуля на внешней границе. Абсолютные величины скоростей уменьшаются также по мере удаления от начального сечения.
Весьма важным свойством свободных струй является постоянство давления во всем объеме струи и равенство его давлению воздуха вне струи.
Центральное ядро струи, через каждое поперечное сечение которого в единицу времени проходит одно и то же количество воздуха, равное таковому в начальном сечении, называется ядром постоянной массы.
Пространство между ядром постоянной массы и внешней границей струи занято присоединенными массами, которые увлекаются ядром постоянной массы и движутся в том же направлении, составляя неотъемлемую часть свободной струи. Объем присоединенных масс увеличивается в направлении движения. Присоединенные массы играют большую роль в массо-обмене между свободной струей и окружающей средой, поскольку они являются «посредником» обмена между чистым воздухом ядра и загрязненным воздухом, в котором распространяется свободная струя. Этот обмен происходит в результате наличия на внешней границе свободной струи поперечных пульсационных составляющих скорости.
Обширные исследования свободных струй в условиях горных выработок выполнил В. Н. Воронин. Дальнобойность свободной струи, по В. Н. Воронину, равна
(VI,39);
где S – площадь поперечного сечения выработки;
b – максимальное расстояние от стенки выработки, подающей воздух (или от вентиляционной трубы), до стенки выработки, к которой распространяется свободная струя;
а –коэффициент структуры струи, равный 0,06–0,08. Расход воздуха в произвольном сечении основного участка круглой струи, отстоящего на расстояние х от выходного отверстия радиусом R0, равен
(VI,40)
где (Q0 – расход воздуха в начальном сечении.
Наибольшая интенсивность турбулентных пульсаций на основном участке струи, определяемая по формуле (VI,34), наблюдается на расстоянии 0,2–0,5 радиуса струи. Интенсивность турбулентности растет вдоль струи, а частота пульсаций падает. В приосевой части струи наблюдаются наибольшие вихри. Характерным является постоянство пути перемешивания в сечении струи и пропорциональность его расстоянию от устья. Закручивание струи значительно увеличивает путь перемешивания и, следовательно, ее перемешивающую способность.
Свободные струи имеют большое значение в шахтной вентиляции: они действуют в камерообразных выработках, в призабойных пространствах тупиковых выработок, проветриваемых нагнетательными вентиляторами, в пространствах между крепежными рамами и т. п.
