Причини утворення і основні елементи вільних струменів.

Основними причинами утворення вільних струменів є інерція рухливого повітря і зміни напряму твердих меж потоку. При різкій зміні форми твердої межі (наприклад, на мал. 6, а, б) поток повітря під дією сил інерції долає зчеплення з твердою поверхнею, відривається від неї і розповсюджується в оточуючому повітрі у вигляді вільного струменю.

Внаслідок тертя по оточуючим шарам повітря в струмені відбувається зміна швидкостей: на межі струменю швидкість дорівнює швидкості оточуючого повітря, а в струмені вона може збільшуватися або зменшуватися. Якщо струмінь розповсюджується в нерухливому повітрі (втоплений струмінь), то повздовжна складова швидкості на її межі дорівнює нулю, а на осі швидкість має максимальне значення. На мал. 9. Показано зміну швидкостей у втопленому струмені.

 

Перехідний перетин С

А^'

Полюс В У

О^’

О А 2 0

В' х

Початковий O^{'' 1}

перетин

А^{'' С'}

початкова дільниця

основна

дільниця

 

Мал. 9. Схема втопленого струменю:

1 – приєднані маси; 2- ядро постійної маси.

В місці зриву струменю з твердої межі (в перетині О^'О^'', що називається початковим) утворюється меженний шар, що складається зі збільшених частинок зовнішнього середовища і загальмованих частинок струменю. Процес залучення і гальмування частинок продовжується вздовж струменю, у разі чого меженний шар розширюється і в перетині А^'АА^'' відбувається змикання меженних шарів АО'А' і АО''А''. Дільниця від початкового перетину О'О'' до перетину А'А'' називається початковою, на ній відбувається повний розвиток меженного шару і формування основного профілю швидкостей вільного струменю. Тому перетин А'А'' називається переходним. Основна дільниця струменю (див. мал. 9) складається з суцільного меженного шару; профілі повздовжної швидкості на ньому подібні профілю в перетині А'А''. В зоні О'АО'' початкової дільниці швидкості такі, як і в перетині О'О''*.

_______________

*В дійсності між початковою і основною дільницями знаходиться перехідна дільдниця кінцевої довжини. Однак часто нею нехтують, приймаючи, що основна дільниця одразу йде за початковою.

 

В переходному перетині А'А'' кут розширення струменю дещо збільшується. Точка О перетину меж основної дільниці називається полюсом струменю. Вільний струмень на основній дільниці можна розглядати як такий, що вибігає з його полюсу.

Внаслідок зростання частинок повітря, в якому розповсюджується струмень, його маса зростає по мірі видалення від початкового перетину. Тому в струмені можна виділити ядро постійної маси, в якому маса рухливого повітря дорівнює масі повітря в початковому перетині. Ядро постійної масил (див. мал. 9) знаходиться в межах зони ВО'О''В'. В зонах СО'В і С'О''В' розміщуються маси повітря, приєднані до потоку з довкілля; ці зони називаються зонами приєднаних мас.

Режим руху повітря може бути ламінарним або турбулентним; однак під час провітрювання кар’єрів ламінарні струмені не мають практичного значення. Тому нижче розглядаються турбулентні вільні струмені.