Струя

Струя (далее С) форма течения жидкости, при которой жидкость (газ) течет в окружающем пространстве, заполненном жидкостью (газом) с отличающимися от С параметрами (скоростью, температурой, плотностью и т. п.). Струйные течения чрезвычайно распространены и разнообразны (от С, вытекающей из сопла ракетного двигателя, до струйного течения в атмосфере). При их изучении рассматриваются изменения скорости, плотности, концентрации компонентов газа и температуры как в самой С, так и в окружающей ее среде. Струйные течения классифицируют по наиболее существенным признакам, учитываемым при упрощении решаемых задач. Большое значение имеет С, вытекающая из сопла или отверстия в стенке сосуда. В зависимости от формы поперечного сечения отверстия (сопла) рассматривают круглые, квадратные, плоские С и т. п. Если скорости течения в С на срезе сопла параллельны, ее называют осевой; различают также веерные и закрученные С   В соответствии с характеристиками вещества рассматривают С  капельной жидкости, газа, плазмы и т. п. Для С сжимаемых газов существенным является отношение скорости газа v на срезе сопла к скорости а распространения звуковых волн — Маха число M = v/a; в зависимости от значения М различают С: дозвуковые  (М < 1) и сверхзвуковые (М > 1). В особый класс выделяются двухфазные С, например, газовые, содержащие жидкие или твердые частицы.   Аналогичная классификация проводится и для среды, в которой течет С   В зависимости от направления скорости течения газа (жидкости) в окружающей среде различают С, вытекающие в спутный (направленный в ту же сторону), встречный и сносящий поток (например, С жидкости, вытекающая из трубы в реку и направленная, соответственно, по течению, против течения и под углом к скорости течения реки). С, вытекающая в бассейн, — пример С, вытекающей в неподвижную среду. Если состав жидкости (газа) в С и окружающей ее неподвижной среде идентичен, С называется затопленной (например, С воздуха, вытекающая в неподвижную атмосферу). С называется свободной, если она вытекает в среду, не имеющую ограничивающих поверхностей, полуограниченной, если она течет вдоль плоской стенки, стесненной, если вытекает в среду, ограниченную твердыми стенками (например, С, вытекающая в трубу, большего диаметра, чем диаметр сопла). Особо рассматриваются С, обтекающие препятствия.   В соответствии с физическими особенностями вещества С и внешней среды различают С смешивающиеся (С газа, вытекающая в воздух) и несмешивающиеся (С воды, вытекающая в атмосферу). Поверхность несмешивающейся С неустойчива, и на некотором расстоянии от среза сопла С распадается на капли. Дальнобойность такой С — расстояние, на котором она сохраняется монолитной, зависит от физических свойств ее вещества и уровня начальных возмущений в сопле. Для увеличения дальнобойности С воды пожарного брандспойта внутренняя поверхность сопла профилируют и тщательно шлифуют. У С боевых огнеметов, кроме того, в жидкость добавляют специальные присадки для увеличения коэффициента поверхностного натяжения. Для уменьшения дальнобойности С, вытекающей из форсунок, ее турбулизуют, закручивают, а иногда предварительно смешивают с газом.   В случае, когда вещество С способно смешиваться с веществом внешней среды, на ее поверхности образуется монотонно расширяющаяся вдоль С область вязкого перемешивания — струйный пограничный слой. В зависимости от режима течения в слое перемешивания различают С ламинарные или турбулентные. С из сопла реактивного двигателя летящего самолета — пример турбулентной сверхзвуковой С, вытекающей в спутный поток, который в зависимости от скорости полета самолета может быть дозвуковым или сверхзвуковым. В дозвуковой турбулентной С статическое давление в любой точке С постоянно и равно давлению в окружающем пространстве. Такие С называются изобарическими, широко распространены в различных технических системах (вентиляционные установки, промышленные печи и т. п.). На срезе сопла спутной изобарической С (сечение АА, рис. 1) скорость течения vo отличается от скорости спутного потока vн. На границе С и внешнего потока образуется пограничный слой Т, состоящий из газа С и увлеченного ею газа внешней среды. Расход газа в С, ограниченной размером b, по мере удаления от среза сопла монотонно увеличивается, но суммарное количество движения газа, определенное по избыточной скорости, остается неизменным.   В начальном участке С при х < хн расширяющийся пограничный слой еще не достигает оси течения; скорость v вблизи оси постоянна и равна скорости на срезе сопла. В переходном участке С хн < х £ хп вязкое перемешивание распространяется на весь объем С, скорость течения на оси уменьшается, но профили скоростей еще не устанавливаются. В основном участке С (х > хп) скорость течения на оси продолжает уменьшаться, а профили относительной скорости Dv /Dvm = f (y/b) становятся неизменными (автомодельными) (Dv = v —vv н,Dvm = vm—vvн — избыточные скорости в рассматриваемой точке течения и на оси С). Уширение С на основном участке так же, как и расширение пограничного слоя в начальном участке турбулентной С, пропорционально среднему значению степени турбулентности течения  (С — константа), то есть зависит от разницы скорости на оси С и скорости внешнего потока. Аналогичные зависимости характеризуют изменения температуры и концентрации компонентов газа в случае, если они различны у газа С и внешней среды.   Качественно аналогична, хотя и более сложна, сверхзвуковая турбулентная нерасчетная С. Сюда относятся С, вытекающие из сверхзвуковых сопел реактивных и ракетных двигателей, газовых и паровых турбин и т. п. Начальный газодинамический участок нерасчетной сверхзвуковой С (первая "бочка", рис. 2) х £ хнг определяется как расстояние от среза сопла до пересечения ударных волн 2 с границей С Геометрические размеры и структура этого участка зависят от нерасчетности С n = pa /рн (где ра — давление в С на срезе сопла, рн — давление в окружающей среде), чисел Маха на срезе сопла Ma и в окружающей среде Мн и физических характеристик газа С и внешней среды. Возникающий на границе С слой вязкого перемешивания достигает оси С на расстоянии хнв. Далее после переходного участка хп, в котором затухают волны давления и устанавливаются автомодельные профили скорости, температуры и концентрации, С становится изобарической. В случае сверхзвукового течения в спутном потоке (Мн > 1) перед С образуется ударная волна 1. Рассмотренные схемы С отличаются от действительного течения, которое значительно сложнее, однако на их основе удается создать методики расчета, позволяющие с достаточной точностью определить поля скоростей, температуры и концентрации в С и окружающей среде. Решение этой задачи необходимо для определения количества вещества, захватываемого (эжектируемого) С из внешней среды, расчетов силового и теплового взаимодействия С с поверхностью, расположенной на заданном расстоянии от среза сопла, излучения С и для ряда др. задач.   Лит.: Абрамович Г. Н., Теория турбулентных струй, М., 1960; Вулис Л. А., Кашкарев В. П., Теория струй вязкой жидкости, М., 1965; Сверхзвуковые струи идеального газа, ч. 1—2, М., 1970—71.   М. Я. Юделович.