Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обеспечение пожаюдымоподавления диспергированной жидкостью. цель и задачи исследования 17
1.1. Физико-химические, социально-экономические и экологические аспекты опасности дыма 17
1.2. Противодымная защита зданий и сооружений 30
1.2.1. Современные направления пассивной и активной проти-водымнои защиты 50
1.2.2. Методы очистки газовой среды от аэрозолей 32
1.2.3. Методы управления параметрами диспергированного потока. 35
1.2.4. Способы дымоподавления капельным потоком диспергированной жидкости 42
1.2.5. Средства подавления дыма и тушения пожара 49
1.3. Физико-химические основы получения и применения водяного распыла аэрозольного типа 53
1.3.1, Технология создания аэрозольного распыла диспергированием перегретой жидкости 53
1.3.2, Анализ работ по выяснению огнетушащей и дымоподавляющей эффективности водяного распыла 65
1.4. Обоснование цели и задач исследования 71
Глава II. Теоретические основы применения водяного распыла аэрозольного типа в целях пожародымоподавления 74
2.1. Выбор критерия функционирования интегрированного устройства дымоподавления и пожаротушения 74
2.2. Исследование механизма дымоподавления диспергированной жидкостью 86
2.2.1. Видимость в задымленной среде 88
2.2.2. Физическая модель захвата частиц дымового аэрозоля каплями жидкости 89
2.2.3. Физическая сущность влияния турбулизации потока на эффективность дымоподавления 95
2.3. Теплофизические вопросы исследования и использования диспергированного газожидкостного потока 104
Глава III. Формиювание неизотермического газожидкостного осесимметричного потока 125
3.1. Профилирование расширяющейся части сопел Лаваля в случае диспергирования перегретой жидкости .125
3.2. Физико-химические вопросы получения распыла аэрозольного типа 138
3.2.1. Структурообразование водяного распыла 139
3.2.2. Дисперсный анализ капель факелов орошения 165
3.2.3. Формирование струй водяного распыла 183
3.2.4. Исследование интенсивности орошения горизонтальной поверхности 188
3.2.5. Эжекционное действие турбулентных неизотермических газожидкостных потоков 192
3.2.6. Структурообразование диспергированного газожидкостного потока в присутствии термовспенивающегося состава 196
3.3. Термографические вопросы применения диспергированной перегретой жидкости .217
3.3.1. Влияние капельных потоков, образуемых при диспергировании перегретой жидкости, на экстинкцию потока теплового излучения 217
3.3.2. Тешювизионная оценка результатов тушения водой аэрозольного распыла 225
Глава IV. Трансформирование неизотермического осесимметричного газожидкостного потока 251
4.1. Динамика неизэнтропического случая струйного течения 252
4.2. Нарастание зоны смешения струй, образуемых диспергированием перегретой жидкости 259
4.3. Трансформирование турбулентной струи при большой относительной температуре 270
4.4. Тепломассообмен абсорбционно-релаксационных явлений трансформирования неизотермического полидисперсного потока, 278
Глава V. Методика проведения и результаты полигонных испытаний пожародымоподавления диспергированной жидкостью 309
5.1. Методика проведения испытаний 311
5.1.1. Объект и программа огневых испытания 311
5.1.2. Выбор горючего материала 315
5.1.3. Выбор безопасных параметров газовоздушной среды 321
5.1.4. Методика замеров основных параметров, приборы и контролируемые величины 321
5.2. Результаты полигонных испытаний и их обсуждение 338
5.3. Разработка рекомендаций по управлению параметрами факела орошения 351
5.4. Обоснование направлений дальнейших исследований 362
Литература 376
Приложение 395
- Противодымная защита зданий и сооружений
- Исследование механизма дымоподавления диспергированной жидкостью
- Физико-химические вопросы получения распыла аэрозольного типа
- Нарастание зоны смешения струй, образуемых диспергированием перегретой жидкости
Введение к работе
Актуальность темы. Прибывающие на пожар немногочисленные пожарные подразделения повсеместно сталкиваются с проблемами обеспечения безопасности люден, организации проведения разведки, локализации и ликвидации горения. Такие работы при развитии пожара проводятся в зданиях и сооружениях с нарастающей плотностью дыма. В таких условиях высокая токсичность продуктов горения и задымленность помещений вплоть до полной потери видимости являются основными причинами роста гибели людей. Анализ статистических данных свидетельствует, что в 1994 году число погибших от воздействия продуктов горения при пожарах в России достигло рубежа 10000 человек и составляет 75 % всех случаев гибели людей. Это соизмеримо с общим числом погибших при пожарах в 1990 году.
Вместе с тем, в обеспечении видимости на пожарах с плотным задымлением за последние 45-50 лет не произошло существенных сдвигов, несмотря на прогресс в развитии средств осаждения аэрозолей и тепловизионной техники, применяемых при других аварийно-спасательных работах.
Имеющиеся на вооружении технические средства позволяют успешно решать задачи тушения. В тоже время уже сейчас имеются предпосылки для создания и последующего внедрения принципиально новых средств, которыми, например, можно не только ликвидировать горение, но и снижать опасную концентрацию продуктов горения и улучшать условия видимости. Так, интегрирование (совмещение) устройств дымоподавления и пожаротушения в единую систему позволит получить значительные преимущества. Они в состоянии осуществить целенаправленное тушение, позволяя избежать нерационального расходования сил и средств. Однако, несмотря на перспективность использования, подобные интегрированные устройства еще находятся в стадии разработки для системы пожарной безопасности. Для их широкого применения необходимо объединить в одном способе и устройстве возможности как одновременного или поэтапного подавления дыма, так и тушения очага пожара.
Одним из путей уменьшения задымленностн может стать проектирование систем выведения продуктов горения из взвешенного состояния. Особые перспективы в создании водяного аэрозольного распыла в настоящее время связываются с использованием перегретой жидкости. При экспериментах и прак-
тнческом использовании отмечается также ее высокая тушащая способность.
Проведенные к настоящему времени исследования тушения диспергированной перегретой жидкостью включают в себя мелкомасштабные огневые испытания. При этом о результатах ды-моподавлення судят, как о второстепенном действии.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют теоретические подходы, связанные с созданием интегрированных устройств пожародымоподавления. Кроме того, для успешного использования в них перегретой жидкости необходимы исследования структурообразования возникающих неизотермических газожидкостных потоков. Не разработаны также, учитывающие динамику формирования струй, физико-химические способы ликвидации задымленное и тушения очага пожара и устройства для их осуществления.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является изучение условий формирования диспергированного потока и разработка, на основе оптимизации его характеристик, технологии распыливання жидкости для интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
изучить условия получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;
построить модели, характеризующие теплофизические процессы диспергирования газожидкостного потока;
основываясь на методе ИК-термографии, провести стендовые эксперименты структурообразования, а также формирования расходных и дисперсных характеристик потока;
создать рациональную конструкцию распылителя и технологию получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследовать их функциональность в серии стендовых и полигонных огневых испытаниях.
Достоверность полученных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается: их экспериментальной проверкой в лабораторных, стендовых и полигонных испытаниях, включая крупномасштабные эксперименты, по оценке пожародымоподавления; применением одного из наиболее информационных методов термометрии - вычислительной ИК-термографии; использованием методов численного решения ряда задач и моделирования с сопоставлением результатов с фун-
даментальными зависимостями известными в литературе и полученных другими методами и авторами; анализом большого массива информации о характеристиках газовоэдушной среды до и после орошения; апробацией материалов исследования, подтвержденных актами практической реализации.
Научная новизна работы состоит в следующем:
предложены математические и экспериментально-статистические модели, а также методики испытаний трансформирования водяного распыла аэрозольного типа;
определена аналитически и экспериментально на основе метода ИК-термографии дымоподавляюшая и тушащая способность диспергированной перегретой жидкости;
предложены теоретико-экспериментальные основы управления параметрами нензотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами;
разработаны и испытаны в натурных условиях способы пожародымоподавления и устройства для их осуществления, признанные изобретениями положительными решениями патентно-технической экспертизы;
установлен круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройствами пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.
Объекты исследования. Объектом исследования выбраны условия формирования полиднеперсного неизотермического осе-симметричного газожидкостного потока, образованного диспергированием метастабильной (перегретой выше температуры кипения на несколько десятков градусов) жидкости, а также обоснование параметров факела орошения, обеспечивающих поэтапное или одновременное пожародымоподавлепие.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные математические модели позволяют определить оптимальные условия структурообразования капельного потока для обеспечения поэтапного или одновременного дымоподавле-ння и пожаротушения.
Практическую ценность имеют разработанные технологические основы диспергирования жидкости, реализуемые в устройствах передвижного и стационарного исполнения. Перспективно их использование в помещениях различного назначения иди технологических установках, а также пожарными подразде-
леииями для оперативного пожаротушения и ведення аварийно-спасательных работ.
Использование разработанных математических моделей и методик испытаний позволяет оценить последовательное или одновременное улучшение видимости, уменьшение до безопасных значений концентрации опасных газов, охлаждение их, а также ослабление теплового потока и ликвидацию очага пожара.
Создание и внедрение устройств, с помощью которых можно решать одновременно несколько задач, характерных для не-развившегося пожара, повысит успешность действии по его ликвидации.
Практическая реализация работы. Полученные в диссертации результаты используются при проектировании модулей для получения перегретой воды, по материалам исследований производится вариантная проработка систем противопожарной защн-іьі на тепловых станциях объединений "Донбассэнерго" и "Днепрознерго".
Опубликованные материалы исследований, обобщенные в диссертации, вошли в лекцию. Результаты работы по интегрированию устройств дымоподавления и пожаротушения используются в учебном процессе МІП1Б и СПб ВПТШ МВД России по дисциплинам "Общая физика н теплообмен", "Пожарная техника" it "Пожарная тактика".
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были представлены на ежегодных международных конференциях "Информатизация систем безопасности" (1994-1996 гг.); во ВНИИПО на XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность-95" (1995 г.) и на "Научной конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ" (1995 г.); на научно-практической конференции в МИПБ "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и п населенных пунктах. Пожарная безопас-ность-96"; на международной научно-практической конференции "Пожарная безопасноегь и методы ее контроля" (1997 г.); на межотраслевом научно-практическом семинаре "Сверхраннее обнаружение и тушение пожаров" (1994 г.); на научных семинарах кафедр МИПБ и СПб ВПТШ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, в том числе в лекции.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Работа без приложения
содержит 408 страниц; машинописного текста, иллюстрированного J32 рисунками и J0 таблицами. В библиографии приведены 194_литературных источника на русском языке и 16 на иностранных языках.
На зашиту выносятся результаты:
- теоретико-экспериментального изучения условий по
лучения и применения аэрозольного распыла, образованного по
дачей перегретой жидкости;
- моделирования теплофиэнческих процессов диспергиро
вания газожидкостного потока;
стендовых экспериментов структурообразования, а также формирования расходных и дисперсных характеристик потока, основанных на использовании метода ИК-термографни;
проектирования диспергирующего устройства и технология получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследования их функциональности в серии стендовых и полигонных огневых испытаний.
Противодымная защита зданий и сооружений
Кроме того, были вычислены определители матриц инциденции [121], составленных при различной взаимосвязи в системе "причина-следствие", для выявления связей, разрыв которых приводит к снижению ранга.
Совместное сравнение эксцентриситетов симплексов и определителей матриц инциденции позволило выявить интегрированность составляющих комплекса ОФП [121], Его структурная связность является наиболее существенной качественной характеристикой [151]. С исчезновением структурной связности исчезает и сама система, поскольку уже само понятие системы подразумевает наличие определенных отношений связности. Так, разрыв связей между температурой среды и степенью ослабления ею видимости позволяет свести к минимуму связность всех подсистем [121]. Таким образом, приоритетными будут те действия, которые обеспечивают увеличение времени и площади контакта подаваемого устройством вещества с задымленной средой.
Технический уровень рассматриваемых устройств определяется требованиями к основным параметрам, которые должны формироваться при выборе их оптимальных значений. Процесс формирования тактико-технических требований к интегрированным устройствам может рассматриваться, как процесс принятия решения.
Основой принятия решения по формированию требований к параметрам ИУДиП может быть оптимальное решение, найденное методом исследований операций.
Этапы обоснования оптимальных тактико-технических требований и критерия функционирования ИУДиП в соответствии с методологией исследования операций являются следующие: формирование модели и критерия функционирования; определение исходной информации и ограничений; варьирование тактико-техническими характеристиками и выбор их такими, чтобы обеспечить экстремум критерия.
Процессы функционирования пожарной техники по своей сути являются вероятностными из-за случайности проявлений ОФП. Поэтому модель функционирования ИУДиП принадлежит к классу стохастических моделей исследования операций [44]. Такая модель может быть представлена в виде следующего выражения: где W - обобщенный критерий функционирования ИУДиП; (Xi-OCn-условия оперативно-тактической обстановки (расположение установки, фоновые характеристики окружающей среды); pi-pn-опасные факторы, связанные с возникновением горения (температура, лучистый тепловой поток); yi-уп-опасные факторы, сопутствующие задымлению (потеря видимости, выделение токсичных газов, снижение концентрации кислорода); Xi-Xn-требования к установке, которые необходимо оптимизировать.
В пожарном деле доминирует противоречие между пожарной техникой и тактикой (средствами пожаротушения и его способами, боевой мощью и маневренностью пожарных подразделений и т.п.) [75], Кроме того, средства пожаротушения должны быть одновременно мощными и легкими, совершенными и простыми. Каждое из них, разрешая одно противоречие (решая одну задачу), обостряет другую и порождает новые проблемы [75,79]. Весь процесс развития пожарной техники предстает нескончаемый ряд последовательно разрешаемых противоречий. Устройство пожаротушения - это всегда компромисс множества противоречащих друг другу тактико-технических требований мощности и массы, скорости и маневренности, надежности и простоты и т.д. [75].Чтобы получить наибольший эффект, надо идти по "лезвию бритвы", постоянно сокращать диапазон допустимых отклонений в разрешении противоречивых требовании, сохраняя при этом границы уступки [75]. Такой путь построения компромиссного решения носит название метода последовательных уступок [50].
Используя этот метод, порядок убывания важности критериев, составляющих W, задавался следующим образом: сначала основной Wi, характеризующий темп тушения, а затем вспомогательный W2, определяющий эффективность дымоподавления. Такой порядок объясняется необходимостью первоочередных действий по подавлению очага пожара в закрытом помещении, как генератора раскаленных аэрозольных частиц и токсичных газов. При этом в качестве критерия Wi выбрано время тушения, aW2 -период, за который Yl Yn достигнут безопасных значений. В дальнейшем определялось решение, обращающие в максимум обобщенный показатель W. Затем, основываются на теоретических предпосылках, назначалась "уступка" AW., допущение которой обращает в максимум W2 [120]. Также на показатель Wi налагаются ограничения: где W t - максимально возможное значение Wi. Это дает возможность получить решение, обращающие в максимум W2, при условии знания цены "уступки".
В случае создания и использования устройств, способных обеспечить изменение характеристик подаваемого вещества в широких пределах, величина AW. может быть сведена к минимуму. Применение устройств, работающих в узком интервале варьирования таких же характеристик, т.е. в квазистационарном режиме, вызывает увеличение "уступки" до максимального значения.
Исследование механизма дымоподавления диспергированной жидкостью
Сложность и комплексность факторов, обуславливающих ход развития начального этапа пожара в закрытом помещении до полного охвата его пламенем (рис. 2.2), их важность и динамичность в совокупности с нестабильностью, неполнотой информации определяют неоднозначность технических решений при проектировании систем ППЗ.
Понимание характера этапа пожара до полного охвата пламенем помещения имеет прямое отношение к обеспечению техническими средствами спасания людей, находящихся в здании [55]. Влияние комплекса различных факторов является значительным в непосредственной близости от очага пожара [2], представляющего собой генератор раскаленных газообразных, твердых и жидких продуктов горения.
Если пожаром полностью охвачено одно помещение, то создается непосредственная угроза для тех людей, которые находятся и в остальной части здания. В этих условиях потеря видимости опережает проявление других опасностей [23].
Субъективное ощущение плотности дыма связано у человека с расстоянием, на которое он видит сквозь слой аэрозоля [58]. Это ощущение яв І ляется важным фактором, определяющим степень опасности людей для заданного количества дыма. Так, дальность видимости через его слой ограниченной протяженности может быть рассчитана по формуле вида [84] где Пч - концентрация частиц дыма (число частиц в единице объема), м-3 ; Т](Оч) функция распределения частиц по размерам; Оч - диаметр частиц дыма, м; L-характерный линейный размер, м; - порог контрастной чувствительности глаза; F - характеристический параметр рассеяния света частицами дыма.
В приближенных расчетах визуальной видимости через слой смого-вого аэрозоля для предметов, не освещенных искусственными источниками, величину F обычно принимают постоянной и равной ее среднему значению (F — 2) [84]. Порог Ех определенным образом зависит от длины волны света. Для видимого участка спектра излучения пламени принято считать В х 0,02 [541.
Подставляя значения F и Z\ в уравнение (2.11) после преобразований, получим Анализ уравнения (2.12) показывает, что увеличение видимости может быть достигнуто укрупнением частиц с последующим их выведением из взвешенного состояния.
В расчетах динамики задымленности при пожарах и ее критического уровня широкое применение нашло использование натурального показателя ослабления света )±х [184] . Согласно работе [76], взаимосвязь между цх и дальностью видимости Еу выражается соотношением где ОС - альбедо поверхности наблюдаемого объекта; Е - ее освещенность, лк; /кг-яркостный порог чувствительности глаза, равный 0,302 кдм-2 [54].
Кроме того, среди разнообразных методик измерения параметров дыма преимущество отдается измерению оптической плотности D (дБ), вследствие того, что эта величина удовлетворительно коррелирует с рассмотренной выше дальностью видимости (рис. 2.3) [23]. LJ определяется с помощью регистрации светового луча, проходящего через слой дыма, и вычисляется по формуле [54] где Е и Ео - интенсивности света, попадающего на фотоэлемент при наличии и отсутствии дыма соответственно, лк.
Таким образом, обеспечение видимости в задымленном помещении должно сочетать в себе как широкое использование технических средств для увеличения освещенности предметов и расширения возможностей визуализации в помещениях, так и выведение из взвешенного состояния аэрозольных частиц.
Процесс улавливания частицы аэрозоля каплей представляет собой сложный комплекс следующих явлений: поверхностных, физико-химических, гидродинамических и тепловых. На современном этапе исследований осаждения аэрозолей диспергированными жидкостями все еще господствуют физические модели, разработанные рядом исследователей [58,98,142,160,175]. Она свела весь процесс к решению гидродинамической
Физико-химические вопросы получения распыла аэрозольного типа
Успех тушения диспергированной водой во многом определяется организацией ее подачи по площади пожара с интенсивностью не ниже требуемой. Для ее обеспечения надо иметь возможность целенаправленной модификации структуры потока подаваемой воды в зависимости от целей пожаротушения. В связи с особыми перспектцвами использования распыла аэрозольного типа, получаемого методом перегрева воды выше температуры кипения, возникает необходимость исследования распределения плотности орошения струй перегретой водой по площади для разных типов насадков в зависимости от структуры газожидкостного потока. Это позволит сформулировать основные требования к установкам пожаротушения: тип и место установки распылителей относительно очага горения в зависимости от защищаемого помещения, а также требуемое количество воды и температуры ее перегрева.
Исследования проводились на испытательном стенде (рис. 3.9) по следующей методике. Для топографической оценки орошения мерные емкости (пробоотборные контейнеры)» предназначенные для измерения количества воды за фиксированный промежуток времени, имели вместимость от 0,33 до 3 литров. Они устанавливались на предполагаемой для орошения площади, которая определялась методом инфракрасной термографии распыла [123].
Исследования проводились с помощью макета устройства пожаротушения (рис. 3.9). В ходе опытов контролировали температуру воды в емкости. Предварительный нагрев воды доводился до температур от 120 до 180 С, и перегретая жидкость подавалась последовательно через насадки с разным профилем выходного сечения. После стабилизации режима диспергирования включался секундомер и фиксировался объем воды, .прошедший через распылитель за определенный промежуток времени.
После пуска струи и полного формирования ее факела (при температуре на в/ходе(фаспылитель не менее 135 С), насадок (см. табл. 3.2) вводился в зону орошения и одновременно проводилась видеозапись, которая сопровождалась включением таймера.
Локальная интенсивность (плотность) орошения в измеряемой точке рассчитывалась по формуле: где Іі-локальная интенсивность орошения в 1 точке, кг/(м2с); гМі-масса воды в І контейнере, кг; Fi-площадь приемной поверхности контейнера, м2; t -время орошения, с.
Установленная методом ИК-термографии (рис. 3.10) структура водяного распыла представляет собой сложное строение, которое отличается от существующих представлений о нем [46, 128]. Так, она состоит из центрального жидкого ядра, промежуточных слоев, термоинкоммутантивного ядра (зеленый кодированный цвет термограммы (рис. 3.10)) и периферийного па-рокапельного слоя. Ядро потока с квазистационарным тепловым полем (среднетемпературное [25]) наблюдается от начального сечения распыла до участка струи с вихреобразным перемешиваем. При этом для ядра характерно также отсутствие у его диффузионной поверхности раздела четких прямых линий. Кроме того, установленная вытянутая элипсоидность его структурообразования отличается от указанного гипотетического представления [46г 128].
Проведенный анализ результатов экспериментов с каналами различной геометрии показал, что минимальную температуру на выходе в атмосферу и более простую структуру имеют газожидкостные потоки , образованные насадками № 1 и 2 (рис. 3.11-3.12). Уменьшение температуры капель воды до безопасных значений для незащищенного кожного покрова людей [126] на блюдается на расстоянии 0,45-0,65 метра от распылителя (3.13). Сложность строения и максимальная протяженность термоинкоммутантивного ядра характерны для остальных насадков, созданных по .типу сопла Лаваля (рис. 3.14).
Дополнительное увеличение протяженности жидкого ядра подобными насадками, при пониженной начальной турбулентности (рис. 3,14-3.15), обеспечивает слабоперемешивающееся струйное течение. Для других случаев диспергирования установлена также крупномасштабная извилистость мгновенной границы турбулентных струй, а также осуществлена термовизуализация инициирования и эволюции периодических вихрей. Совместный анализ термограмм позволил обнаружить когерентные структуры - развивающиеся и взаимодействующие друг с другом сгустки завихренности на фоне мелкомасштабной турбулентности (рис. 3.16). Указанные структуры характерны для конического насадка (№1) и сопла Лаваля с углом конусности расширяющейся части более 12 (рис. 3.17). Зафиксированные термографией потока вихревые образования имеют размеры соизмеримые с поперечным размером слоя смешения, и характеризуются достаточно большим временем существования.
Покадровый просмотр тепловизионной съемки показал существование структур, имеющих вид опрокидывающихся волн. Кроме того, утолщение слоя смешения происходит из-за вырождения термоинкоммутантивного ядра вследствие спаривания соседних вихрей (рис, 3.15-3.17). Каждое такое взаимодействие сопровождается вовлечением в сдой смешения незавихрен-ных фрагментов потока и, как следствие, его расширением. Это особенно наглядно проявляется в начальном участке осесим метричного потока, образованного насадком №1. Так, вблизи сопла генерируются тонкие кольцевые вихри, спаривание которых приводит к азимутальной неоднородности и аналогично работе [31] к "звездообразному" виду. Дальнейшее развитие этих трехмерных структур заканчивается распадом на хаотичные клубковые образования вблизи диффузионного фронта ядра (рис. 3.15).
Нарастание зоны смешения струй, образуемых диспергированием перегретой жидкости
Выражения (4.28) и (4.29) могут быть использованы для замыкания системы уравнений (4.22-4.24), если известны параметры Vt и at. Отношение инерционных сил к температуропроводности можно задать в критериальной форме. Для этого воспользуемся критерием Прандтля Pr=Vt /at.
Таким образом, решение задачи сводится к поиску выражения, связывающее турбулентную кинематическую вязкость с тепловыми пульсациями скоростей для конкретного случая пограничного слоя.
Для расчета рассматриваемого течения со свободной турбулентностью применим вторую модель Прандтля [186]. Согласно нее [186] путь смешения в каждом поперечном сечении является величиной постоянной и пропорционален ширине рассматриваемого сечения. Кинематическая турбулентная вязкость выражается формулой [3] где Х- эмпирическая константа; О - поперечный размер зоны смеше-HHa;Umax,Umm - максимальная и минимальная скорости в слое смешения.
Анализ результатов температурно-скоростного картографирования потоков, образуемых диспергированием перегретой жидкости, позволил установить, что при X = 0,0021 зависимость удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными (рис. 4.5). Таким образом, полученные нами данные о тепловизуализации формирования течения, образованного диспергированием перегретой жидкости, а также выведенные на их основе модели подтверждают основную гипотезу о применимости для описания подобного течения теории пограничного слоя. Впервые она была выдвинута Прандтлем [3] и непосредственно связана с изучением процессов, связанных с трансформированием осесимметричного газожидкостного потока. Гипотеза гласит [118]: для довольно широкого диапазона условий эффекты вязкости (такие, как напряжения и силы, вызванные вязкостью, диффузия завихренности и другие) являются, значимыми и сравнимыми по величине с конвекцией и другими проявлениями сил инерции в некоторых слоях, прилегающих к твердым границам. При этом в некоторых других слоях, толщина которых стремится к нулю по мере приближения числа Рейнольдса к бесконечности, а вне этих слоев указанные эффекты вязкости малы.
Отсюда следует, что рассматриваемый случай пограничного слоя представляет собой тонкую область, в которой происходит переход от нулевого значения скорости жидкости на границе к конечному значению, которое соответствует течению невязкой жидкости.
С учетом вышеизложенного материала рассмотрим динамику нарастания свободного слоя смешения в первоначально безвихревом течении. Для пограничного слоя уравнение движения (4.8) в проекции на ось х принимает вид [42]
Различие между принятым уравнением пограничного слоя (4.32) и соответствующим уравнением движения для невязкого течения вне погра ничного слоя [188] состоит в том, что в уравнении (4.32) оставлен член vd2\i/dy2, который выражает вязкую диффузию поперек пограничного слоя.
Покадровое рассмотрение ИК-термограмм в статике и динамике пока зало, что скорость жидкости в плоскостях, параллельных вихревой пелене, постоянна. Кроме того, развитие течения происходит в большей мере во времени t, чем в направлении координаты х, как это имеет место в устано вившихся пограничных слоях [42]. При этом член который от брасывается в уравнениях пограничного слоя [188], здесь также тожде ственен нулю, а давление поперек рассматриваемого слоя стремится к постоянному значению.
Поскольку нормальная компонента скорости U также должна быть мала, то из преобразованного уравнения сохранения массы [101], а именно из уравнения аналогично работе [42] заключаем, что компонента о и толщина пограничного слоя (О (4.30)) имеют одинаковый порядок малости.
Для установившегося двумерного движения жидкости, вытекающего из комбинированных сопел, еще не получено решение полного уравнения движения, поэтому необходимо обратиться к приближенным уравнениям. Для рассматриваемого случая осесимметричных струй, давление в окружающей среде близко к стационарному значению, и уравнение пограничного слоя примет вид где положительное направление оси х совпадает с направлением диспергирования от начала координат.
При рассмотрении пограничного слоя отдельно от внешнего течения уравнение движения примет вид где Uc-характерное значение для скорости рассматриваемого течения.
На некотором начальном периоде времени течение является безвихревым, за исключением тонкого слоя, прилегающего к диффузионной поверхности ядра (рис. 4.4). Таким образом, относительная скорость в слое смешения, может быть определена при заданной форме квазистационарности течения в ядре и скорости движения его фронта.
Течение в пограничном слое относительно ядра, следовательно, определяется уравнениями (4.32) и (4.34) вместе с соотношением (4.35) для градиента давления. Граничные условия, которым должно удовлетворять решение, имеют вид
Для случая квазистационарного течения в ядре диспергированного потока, когда скорость достигает -значения XJ и остается постоянным, уравнения (4.32)-(4.35) сводятся к уравнению
Для нахождения требуемого решения уравнения (4.36) при t — 0 воспользуемся методом, основанным на процессе итераций [42], Их справедливость определялась визуализацией теплофизической картины диспергирования перегретой жидкости.
