Расчет газового эжектора

Сопла и диффузор эжектора ничем не отличаются от обычных сопел и диффузоров. При определении параметров эжектора существенны лишь коэффициенты полного давления газа в этих устройствах, позволяющие по начальным давлениям смешивающихся газов найти полные давления па срезе сопел р01 и р02 и по полному давлению смеси р03 — полное давление на выходе из диффузора р04. Эти коэффициенты выбираются по экспериментальным данным в зависимости от формы сопел и диффузора и величины скорости потока.

Основная задача и основные трудности при расчете эжектора заключаются в определении параметров смеси газов на выходе из смесительной камеры по параметрам газов до смешения. Замечательным является тот факт, что для определения параметров потока на выходе из камеры рассмотрение самого процесса смешения не обязательно. Нет необходимости также предварительно вычислять потери, возникающие в процессе смешения, и анализировать механизм процесса передачи энергии.

Течение газа в любом участке смесительной камеры описывается тремя уравнениями сохранения: энергии, массы и количества движения. Если поток газа в выходном сечении камеры считать одномерным, т. е. полагать процесс выравнивания параметров смеси по сечению полностью закончившимся; то указанных трех уравнений достаточно для определения трех параметров потока в выходном сечении по заданным начальным параметрам газов на входе в камеру. Три параметра, как известно, полностью характеризуют состояние потока газа и позволяют найти любые другие его параметры. В частности, если это требуется, по величине полного давления смеси можно определить потери в процессе смешения потоков. Таким образом, при составлении основных уравнений мы не вводим никаких условий о необратимости процессов, однако после решения уравнений приходим к результату, который свидетельствует о том, что в рассматриваемом процессе есть потери полного давления, т. е. рост энтропии. Аналогичное положение возникало при решении задачи о параметрах, газа, за скачком уплотнения, которые, кстати сказать, определялись, по начальным параметрам потока теми же тремя уравнениями.

Такой подход к решению задачи приводит к правильному конечному результату независимо от того, какие процессы происходят между рассматриваемыми начальным и конечным сечениями камеры, насколько интенсивно идет процесс смешения, возникают ли скачки уплотнения, имеется ли отрыв потока, вихри, встречные токи и т. д. Принятое допущение об одномерности потока в конечном сечении является весьма существенным, так как очевидно, что никаких сведений о характере; поля скоростей в конце смешения такой расчет дать не может; они должны быть заданы дополнительно, если τ≠1.

Метод расчета эжектора с учетом сжимаемости газов был предложен С. А. Христиановичем. В трудах М. Д. Миллионщикова, Г. М. Рябинкова, Е. Я. Соколова, Б. М. Киселева, Г. И. Таганова, Ю. И. Васильева и др. теория газового эжектора была развита и дополнена, а метод расчета существенно упрощен благодаря применению газодинамических функций.

Общие свойства струй

Во многих случаях движения жидкости и газа в потоке возникают так называемые поверхности тангенциального разрыва; течения жидкости по обе стороны такой поверхности называются струйными. В зависимости от относительного направления движения струй они могут быть спутными или встречными. Характерной особенностью струйных течений является то, что тангенциальный разрыв на поверхности раздела терпят такие, например, величины, как скорость течения, температура, концентрация примеси, тогда как распределение статического давления оказывается непрерывным.

На поверхности тангенциального разрыва в связи с ее неустойчивостью возникают вихри, беспорядочно движущиеся вдоль и поперек потока; вследствие этого между соседними струями происходит обмен конечными массами (молями) вещества, т. е. поперечный перенос количества движения, тепла и примесей. В результате на границе двух струй сформировывается область конечной толщины с непрерывным распределением скорости, температуры и концентрации примеси; эта область называется струйным турбулентным пограничным слоем. При очень малых значениях числа Рейнольдса струйный пограничный слой может быть ламинарным, но на этом сравнительно редком случае течения мы не останавливаемся.

Наиболее простой случай струйного пограничного слоя имеет место при истечении жидкости с равномерным начальным полем скорости (u0) в среду, движущуюся с постоянной скоростью (uп), так как при этом в начальном сечении струи толщина пограничного слоя равна нулю. Утолщение струйного пограничного слоя, состоящего из увлеченных частиц окружающей среды и заторможенных частиц самой струи, приводит, с одной стороны, к увеличению поперечного сечения, а с другой стороны, к постепенному «съеданию» потенциального ядра струи—области, лежащей между внутренними границами пограничного слоя. Принципиальная схема такого струйного течения изображена па рисунке.

Часть струи, в которой имеется потенциальное ядро течения, называют начальным участком.

Как показывают многочисленные опыты, одним из основных свойств такой струи является постоянство статического давления во всей области течения 1), вследствие чего скорость в потенциальном ядре струи остается постоянной. Размывание струи за пределами начального участка выражается не только в ее утолщении, но так же в изменении скорости вдоль ее оси.

Переходный участок

На некотором расстоянии от конца начального участка струйное течение приобретает такой же вид, как течение жидкости из источника бесконечно малой толщины (в осесимметричном случае источником служит точка, в плоскопараллельном случае — прямая линия, перпендикулярная к плоскости растекания струи); соответствующий

Основной участок

Рисунок Схема сечения в струе

Начальный, участок

Участок струи называют основным. Между основным и начальным участками струи располагается так называемый переходный участок.

Часто пользуются упрощенной схемой струи и полагают длину переходного участка равной нулю; в этом случае сечение, в котором сопрягаются основной и начальный участки, называют переходным сечением струи. Если в расчетах переходный участок учитывают, то переходное сечение считают совпадающим с началом основного участка.

Наиболее изученным видом турбулентного струйного течения является струя, распространяющаяся в покоящейся среде; такая струя называется затопленной.

1) В некоторых случаях (при взаимодействии струи с каким-либо препятствием) условие постоянства давления может нарушиться, но на эти особых случаях мы остановимся отдельно.