Виды физического воздействия на поток

Виды физического воздействия на поток

В общем случае характер течения жидкости в канале определяется множеством внешних факторов. Внешние воздействия, изменяющие скорость течения, называют физическими воздействиями. В пределах тех задач, которые изучаются в обычной газовой динамике, рассматриваются следующие пять видов физического воздействия:

1) Геометрическое воздействие – изменение площади поперечного (проходного) сечения канала по его длине (сужение или расширение канала).

2) Расходное воздействие – присоединение дополнительной массы жидкости или её отбор по длине канала (вдув или отсос газа через перфорированные стенки канала, например).

3) Тепловое воздействие – нагрев движущейся жидкости за счет подвода тепла извне или охлаждения путем отвода тепла.

4) Механическое воздействие – подвод или отвод механической (технической) работы. В первом случае над жидкостью совершается работа – сжатие газа в компрессоре, например. Во втором – жидкость совершает работу, например вращает турбину.

5) Воздействие трения – изменение скорости течения под влиянием трения.

Все перечисленные виды воздействия входят в основные уравнения газовой динамики: изменение площади канала и расходное воздействие – в уравнение неразрывности или расхода, тепловое и механическое воздействия – в уравнение энергии (уравнение энтальпии), воздействие трения в виде гидравлических потерь – в уравнение Бернулли.

Формально выделенные пять видов воздействия по физическому содержанию задачи могут быть сведены к трём:

расходному (в том числе и геометрическое воздействие),

тепловому  и    импульсному

в соответствии с тремя законами (уравнениями) сохранения, положенными в основу анализа внешних воздействий.

Все воздействия, за исключением трения, могут быть как положительными, так и отрицательными. Что касается воздействия трения, то оно является односторонним: преодолевая сопротивление трения по длине канала, газ может только отдавать работу, но не получать её.

Связь между скоростью течения и физическим воздействием устанавливается с помощью уравнения обращения воздействия (уравнения закона обращения воздействия).

Условие перехода от дозвукового течения к сверхзвуковому течению и обратно

 

 Условие перехода от дозвукового течения к сверхзвуковому течению и обратно устанавливает закон обращения воздействия, который имеет ряд эквивалентных формулировок:

1) Любое физическое воздействие одинакового знака противоположным образом влияет на дозвуковые и сверхзвуковые газовые потоки.

2) Переход через скорость звука с помощью одностороннего воздействия невозможен.

3) Переход через скорость звука возможен только в том случае, если в критическом сечении знак воздействия изменить на обратный.

Математическая запись закона обращения воздействия - уравнение обращения воздействия (уравнение закона обращения воздействия), было получено Л.А. Вулисом, и поэтому это уравнение часто называют просто уравнением Вулиса.

Уравнение обращения воздействия (уравнение Вулиса)

 

В основе вывода уравнения обращения воздействия лежат основные уравнения газовой динамики, поскольку все виды воздействия так или иначе входят в них: изменение площади канала и расходное воздействие – в уравнение неразрывности или расхода, тепловое и механическое воздействия – в уравнение энергии (уравнение энтальпии), воздействие трения в виде гидравлических потерь – в уравнение Бернулли.

Решив совместно систему дифференциальных уравнений, включающую:

Уравнение неразрывности

                           

Уравнение Бернулли

 

Уравнение энергии

Уравнение состояния

 

для анализа изменения скорости в результате геометрического (dF/F), расходного (dm/m), теплового (dq_e), механического (dℓ_t) воздействий и воздействия трения (dℓ_r) получим

 

       (***)

 

 «Дляего вывода в качестве исходных берутся следующие уравнения:

 

           уравнение Бернулли (см.2.13)

                                    (7.1)

 

           уравнение состояния газа (1.38), которое в дифференциальной форме имеет вид:

 

dр= Rρdt + RТdρ,                                                 (7.2)

               

           уравнение энергии (2.6), которое после замены  может быть записано как

 

                           (7.3)

 

           уравнение массового расхода (1.15), которое после логарифмирования и дифференцирования приобретает вид

 

                                              (7.4)

 

а также формула скорости звука

                                           (7.5)

 

           Существо вывода состоит в том, что в уравнении (7.1) делаются замены величин, в результате которых в нем остаются только скорость, скорость звука и физические воздействия dF, d m _сек, dL, dL_r, dQ_e.   Это достигается путем замены   в уравнении (7.1) его значением, найденным из уравнения (7.2), причем в последнем RdТ находится из уравнения (7.3),  из уравнения (7.4), а RТ из уравнения (7.5). Тогда уравнение (7.1) приобретает вид

 

 

Приведя подобные члены, соберем в левую часть все величины, содержащие скорость, а в правую — физические воздействия. После сокращения обеих частей на а²/ k и замены w/a=М, получим

 

                (7.6)

 

       Формула (7.6) (тоже самое, что и  (***) – В.Г.) называется уравнением обращения воздействий. Оно выражает так называемый закон обращения воздействий. Согласно этому закону, для непрерывного изменения скорости газа в одну сторону за счет только одного физического воздействия необходимо, чтобы знак этого воздействия менялся на обратный в момент перехода через скорость звука. Если в процессе участвуют сразу несколько физических воздействий, то в момент перехода через скорость звука знак их суммы должен измениться на обратный. Уравнение обращения воздействия позволяет определить какой знак должно иметь то или иное воздействие для ускорения или торможения дозвуковых или сверхзвуковых потоков.

Закон обращения воздействия отражает усиливающееся влияние сжимаемости газа на его движение при увеличении числа Маха. При переходе через скорость звука (M= 1) эти количественные изменения переходят в качественные – обращаются воздействия. Можно сказать, что закон обращения воздействия представляет собой пример проявления в газовой динамике более общего закона - закона перехода количества в качество.  

       Из уравнения обращения воздействий (7.6) легко получить пять частных случаев изменения скорости потока под влиянием какого–нибудь одного физического воздействия. Для этого в уравнении (7.6) все остальные воздействия надо положить равными нулю.

Так, например, если геометрическое воздействие dF 0, а dМ_сек=dL = dL_r=dQ_e = 0, то получается уравнение Гюгонио

которое было подробно рассмотрено выше.

       Если взять только одно расходное воздействие d m _сек 0, то уравнение (7.6) приобретает такой вид:

                                        (7.7)

Течение, отвечающее этому уравнению, реализуется внутри расходного сопла. Его схема дана на рисунке  131. Оно представляет собой трубу или канал постоянного сечения, имеющий на боковых стенках систему отверстий, через которые подводятся в основной поток дополнительные массы газа или отводятся из него.

       Если на входе w₁<а (М₁<1) и к потоку подводится дополнительная масса газа (следовательно, расход увеличивается вдоль потока, dМ_сек>0), то для согласования знаков левой и правой части уравнения (7.7) необходимо, чтобы dw>0. Таким образом, от входа до критического сечения скорость будет нарастать. В критическом сечении М=1, значит d m _сек / m _сек =0, т.е. расход в этом сечении проходит через максимум. За критическим сечением газ отбирается, расход уменьшается вдоль потока, т.е. d m _сек <0. Так как здесь М>1, то из уравнения (7.7) получается, что dw>0.

           

Рассматривая рис. 131, можно заметить, что основной поток, т.е. масса газа, которая поступает в канал через входное сечение F ₁, имеет форму, напоминающую сопло Лаваля: сначала поток поджимается, в горле его сечение минимально, за горлом он расширяется. В отличие от геометрического сопла, в расходном поджатие основного потока происходит за счет дополнительной массы газа, которая оказывает вытеснительное действие. «Стенкой» для основного потока является в этом случае граница струи дополнительной массы газа. Изменение параметров основного потока, движущегося через расходное сопло, происходит по тем же законам, что и в случае обычного геометрического сопла.

       Расходное сопло в том виде, как оно изображено на рис. 131, в технике не применяется, но его отдельные элементы встречаются довольно часто. При течении газа в смесителях, при подмешивании воздуха в зону горения в камерах сгорания, при отборе газа через отверстия в стенках канала и во многих других случаях наблюдается эффект расходного воздействия. Для получения сверхзвуковых потоков в небольших аэродинамических трубах, предназначенных для тарирования пневмометрических насадков и приборов, иногда применяют комбинированное сопло. Его дозвуковая часть представляет собой суживающееся геометрическое сопло, а сверхзвуковая — расходное сопло с отбором воздуха. Изменяя количество отбираемого воздуха, можно регулировать число М на выходе, сохраняя поток «чистым», без скачков.

       Не следует смешивать расходное сопло и сопло с аэродинамическим поджатием потока. Схема последнего изображена на рис. 132.

       Из ресивера 1 через щелевые сопла 2 газ высокого давления вдувается в основной канал, где поджимает основной поток, в котором образуется «горло». Поджатие здесь получается не за счет вытеснительного действия вдуваемого газа, а за счет его кинетической энергии. Между вдуваемой струей и стенкой образуется замкнутая вихревая зона 3. Количество вдуваемого газа в этом случае получается меньше, чем дополнительная масса, подаваемая в расходное сопло, поэтому «аэродинамическое»сопло экономичнее «расходного».

       С помощью уравнения обращения воздействий (7.6) можно аналогичным способом проанализировать и другие виды воздействий. Они будут рассмотрены ниже. Здесь же только отметим еще одну особенность закона обращения воздействий.

 

           

Во всех случаях, когда физическое воздействие обратимо (т.е. может менять знак на обратный), замена дозвукового входящего потока на сверхзвуковой приводит к тому, что сверхзвуковое сопло обращается в сверхзвуковой диффузор (см. например, для случая геометрического воздействия.

 

Введя обозначения

                                             (7.108)

и

                                                             (7.109)

 

преобразуем формулы (7.96) и (7.107) к следующему виду:

 

                                     (7.110)

                                    (7.111)

               (7.112)

                 (7.113)

 

Поделив обе части выражения (7.89) на а_кр² представим его в виде

 

или

откуда

                                                (7.114)

и

 

                                     (7.115)

 

           Связь между числами М и  приведем в таком виде:

 

                                                  (7.116)

 

           Пересчет давлений и плотностей заторможенного потока из абсолютного движения в относительное и обратно удобно производить с помощью газодинамических функций, основываясь на том, что р и ρ сохраняют свои значения независимо от системы координат, а именно:

               

                                        (7.117)

 

                                          (7.118)

 

           Рассмотрим связь относительной скорости w с площадью поперечного сечения потока для изоэнтропного относительного движения, когда трение и теплообмен отсутствуют.

           В уравнении неразрывности ρwF=соnst, записанном в дифференциальном виде

представим d ρ/ρ так:

помня, что d р/ d ρ=а². Величину d р/ρ найдем из уравнения Бернулли (7.94), которое для изоэнтропного течения примет вид

 

Тогда

                                                                        

 

Подставив это в уравнение неразрывности, получим

u d u / а² – wdw / а²+ dw / w + dF / F = 0,

 

или

                                   (7.119)

 

           Из этого уравнения видно, что изменение относительной скорости в каналах рабочего колеса связано не только с формой канала, но и с его расстоянием от оси вращения. Если это расстояние постоянно, т.е. u =соnst, то уравнение (7.119) превращается в уравнение Гюгонио, следовательно, закон изменения скорости ничем не отличается от такового для неподвижных каналов. Увеличение и вдоль потока действует в ту же сторону, что и расширение канала — замедляет дозвуковой поток и разгоняет сверхзвуковой.

           Если канал имеет форму сопла Лаваля, то критическое сечение может получиться в различных местах, в зависимости от закона изменения переносной скорости u. Положив в уравнении (7.119) М=1, имеем условие, определяющее местоположение критического сечения

 

 

При u =соnst dF=0, т.е. критическое сечение находится в горле. При d(u²/2)>0 dF<0, следовательно, оно располагается в суживающейся части, а при d(u²/2)<0 – в расширяющейся, так как dF>0 (рис. 166). Этим трем случаям соответствует такой характер изменения параметров торможения в относительном движении:

 

1. .

 

2. .

 

3. .

 

 

[1] См. файл Уравнение неразрывности.pdf

 

[2] В некоторых иностранных литературных источниках понятия конфузора и диффузора связывают не с изменением скорости, а с изменением площади: суживающийся канал называют конфузором, а расширяющийся — диффузором.

 

[3] См. файл Газодинамические функции.pdf

[4] Увеличение скорости за счет трения, кажущееся на первый взгляд парадоксальным, объясняется довольно просто. В результате преодоления сил трения уменьшается давление. В сжимаемой жидкости это приводит к падению плотности, следовательно, при постоянной площади сечения скорость должна возрастать. В несжимаемой жидкости скорость будет сохраняться постоянной.

[5] См., напр.: Л.А.Вулис. Термодинамика газовых потоков, Энергоиздат, 1950.

[6] В магнитной газодинамике работа сил электростатического или электромагнитного поля не называется внешней механической и учитывается специальными членами, входящими в уравнения.

[7] Знак минус появился в связи с тем, что, вычисляя работу, совершенную газом, надо брать момент, с которым струя действует на лопатки, тогда как уравнение (3.45) определяет момент, с которым лопатки действуют на струю.

[8] В теории косых скачков уплотнения применялась аналогичная величина — температура частичного торможения Т*.

Виды физического воздействия на поток

В общем случае характер течения жидкости в канале определяется множеством внешних факторов. Внешние воздействия, изменяющие скорость течения, называют физическими воздействиями. В пределах тех задач, которые изучаются в обычной газовой динамике, рассматриваются следующие пять видов физического воздействия:

1) Геометрическое воздействие – изменение площади поперечного (проходного) сечения канала по его длине (сужение или расширение канала).

2) Расходное воздействие – присоединение дополнительной массы жидкости или её отбор по длине канала (вдув или отсос газа через перфорированные стенки канала, например).

3) Тепловое воздействие – нагрев движущейся жидкости за счет подвода тепла извне или охлаждения путем отвода тепла.

4) Механическое воздействие – подвод или отвод механической (технической) работы. В первом случае над жидкостью совершается работа – сжатие газа в компрессоре, например. Во втором – жидкость совершает работу, например вращает турбину.

5) Воздействие трения – изменение скорости течения под влиянием трения.

Все перечисленные виды воздействия входят в основные уравнения газовой динамики: изменение площади канала и расходное воздействие – в уравнение неразрывности или расхода, тепловое и механическое воздействия – в уравнение энергии (уравнение энтальпии), воздействие трения в виде гидравлических потерь – в уравнение Бернулли.

Формально выделенные пять видов воздействия по физическому содержанию задачи могут быть сведены к трём:

расходному (в том числе и геометрическое воздействие),

тепловому  и    импульсному

в соответствии с тремя законами (уравнениями) сохранения, положенными в основу анализа внешних воздействий.

Все воздействия, за исключением трения, могут быть как положительными, так и отрицательными. Что касается воздействия трения, то оно является односторонним: преодолевая сопротивление трения по длине канала, газ может только отдавать работу, но не получать её.

Связь между скоростью течения и физическим воздействием устанавливается с помощью уравнения обращения воздействия (уравнения закона обращения воздействия).