Сравнение эжектирующей способности эжекторов и свободных струй Текст научной статьи по специальности «Физика»

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ; ЦАГИ______________

Том XXVI 199 5 ; №1-2

УДК 533.697.5

СРАВНЕНИЕ ЭЖЕКТИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭЖЕКТОРОВ И СВОБОДНЫХ СТРУЙ

В. И. Гаркуша, Ю. Г. Жулев, Р. В. Неймарк

Экспериментальным путем проведено сравнение максимальной эжекти-рующей способности осесимметричного эжектора с центральной струей с эжектирующей способностью этой струи, когда она распространяется как свободная затопленная струя (при этом участок струи равнялся длине эжектора). ■

Установлено, что эжекгирующая способность свободной затопленной струи всевда заметно превышает эжекгирующую способность эжектора. Таким образом, показано, что имеющие место в процессе восстановления давления в эжекторе потери на трение, смешение и торможение потока, а также ухудшения условий подсасывания для струи в камере смешения уменьшают эжекги-рующие свойства активной струи по сравнению со случаем, когда она является свободной.

1. Рассмотрим показанную на рис. 1, а простейшую схему эжектора и такой его режим работы, когда он эжектирует газ из одной емкости и нагнетает смесь, эжектируемого и эжектирующего газов в другую. Как известно, коэффициент эжекции такого эжектора (отношение эжекти-руемой массы к расходу эжектирующего газа) будет расти с уменьшением разницы давлений в емкостях и достигнет максимального значения, когда давления в емкостях будут одинаковыми и эжектор будет работать как воздуходувка (что является одним из способов использования эжекторов).

Поставим для этого предельного случая вопрос о роли эжектора (конфузора, камеры смешения и диффузора) в обеспечении подсасывания эжектируемого газа. Ответ на этот вопрос можно получить сравнением коэффициента эжекции такого эжектора с центральной струей с коэффициентом эжекции этой струи, когда стенки эжектора отсутствуют и когда струя становится свободной затопленной струей. Это сравнение, естественно, должно проводиться для участка струи, длина которого равна длине эжектора (см. рис. 1, б). Коэффициентом эжекции свободной струи для этого сравнения является отношение присоединенной массы к струе на длине, равной длине эжектора, к расходу через сопло. '

Рис. 1

2. Чтобы выполнить такое сравнение в возможно более близких условиях, были проведены эксперименты на установке, принципиальная схема которой для случая определения эжекгирующей способности свободной струи холодного воздуха показана на рис. 2, а. Основными элементами установки являются рабочая камера 1 и два тракта подвода воздуха (каждый из которых имеет дроссель и мерную шайбу). По тракту 2 сжатый воздух через форкамеру 3 подводится к соплу 4, из которого истекает исследуемая струя. По тракту 5 воздух подводится внутрь рабочей камеры через кольцевой коллектор 6 и восемь равномерно распределенных по окружности патрубков 7. Для повышения равномерности поступления воздуха к струе камера 1 содержит перфорированную цилиндрическую обечайку 8. Один из торцов рабочей камеры 1 имеет отверстие, соединяющее полость камеры с окружающим пространством. Это отверстие (размер которого может изменяться с помощью кольцевых диафрагм) выполняется заведомо ббльшим, чем диаметр вытекающей из рабочей камеры струи.

Сущность эксперимента состоит в следующем. Истекающая из сопла 4 струя эжектирует воздух из камеры 1, давление в ней понижается, и воздух из окружающего пространства начинает поступать в камеру через кольцевой зазор между струей и кромкой отверстия в торце камеры. Затем по тракту 5 внутрь рабочей камеры начинает подводиться воздух, расход которого плавно увеличивается до того момента, когда, поступление воздуха из ощ)ужающей среды в камеру через кольцевой зазор прекращается (что фиксируется по показаниям Т-образных

насадков 9, установленных на кромках отверстия). Количество поступающего в этот момент через тракт 5 воздуха (определяемое с помощью расположенной в этом тракте мерной шайбы) и будет равно количеству воздуха, зжектируемого участком струи, находящимся в пределах рабочей камеры. Такой способ был использован в [1, 2] для определения эжектирующей способности нерасчетных сверхзвуковых струй и в [3] для струй несжимаемой жидкости.

Для экспериментального определения эжектирующей способности эжектора схема опыта показана на рис. 2, б и в. В схеме 2, б для устранения перетекания через кольцевой зазор также использовались Т-образные насадки. В схеме 2, в момент выравнивания давления в рабочей камере и окружающей среде определялся по показанию дифференциального манометра.

Прй экспериментах изменялись относительная длина эжектора 1/0 и отношение диаметра камеры смешения к диаметру выходного сечения сопла эжекгирующего газа Б/сІ. Осуществлялось это изменением длины камеры смешения /К С/Х) = 2,85; 5,85; 6,9 при неизменных значениях Д /вх, /дИф (см. рис. 1: 2) = 70 мм; /вх/2) = 0,285; /д/2) = 1,24; 4,09; Ф = 12е; 6°) и изменением диаметра выходного сечения конического сужающегося сопла эжекгирующего газа ((і = 6, 15 и 30 мм). Отношение полного давления эжекгирующего воздуха к атмосферному Ро/рн изменялось от 1,5 до 3,0. Относительная длина свободной струи меня-

лась за счет изменения диаметра сопла й при неизменном расстоянии от среза сопла до плоскости выходного отверстия (равном полной длине эжектора).

Для измерений давлений в экспериментах использовались датчики ИКД 6ТДФ с различными диапазонами измерения: для измерения полных давлений перед мерными шайбами и в форкамере перед соплом с диапазоном 0*4 ати; для измерения перепадов давления на мерных шайбах с диапазонами 0*0,4 ати и 0*2,5 ати (для трактов подвода к соплу и к рабочей камере соответственно); для измерения перепадов давлений на Т-образных насадках и в рабочей камере вблизи ее торцов (для контроля постоянства давления в эжектируемой среде) с диапазоном 0,1 *0,5 ати. Для измерений температуры подводимого к соплу и в рабочую камеру воздуха использовались термометры сопротивления ТСМ-6097.

3. Результаты экспериментов для Ро/рн = 1,5 и 3 представлены соответственно на рис. 3 и 4, где приняты следующие обозначения: к — коэффициент эжекции эжектора или участка свободной струи; Ь = = 1/с1— отношение длины эжектора или участка свободной струи к диаметру выходного сечения сопла; точки 1 представляют зависимости к=/ (£) для свободной струи; точки 2, 3 и 4 представляют зависимости

для эжекторов с Б/й = 2,33; 4,66 и 11,7 соответственно (точки 2 а, 3 а и 4 а относятся к эжекторам с ср = 12° и /д/1) = 1,24, а точ-ки2б, Зби4б — к эжекторам с Ф = 6° и /д/Х) = 4,09). Число Яе струи, подсчитанное по диаметру выходного сечения сопла, изменялось в диапазоне (0,12*0,6)-106 для Ро/Рн = 1,5 и в диапазоне (0,27 * 1,2) • 106 для

Ро/Рн = 3.

В процессе экспериментов было установлено, что давления в камере вблизи переднего и заднего торцов практически совпадают и что результаты определения эжекгирующей способности эжекторов по схемам рис. 2, б и в одни и те же.

Из рассмотрения представленных на рис. 3, 4 зависимостей следует, что эжекгирующие способности исследованных эжекторов значительно ниже эжекти-рующей способности свободной струи той же длины. Видно, что при увеличении длины эжектора

к

Рис. 3

ТГ'

л,*р*\ » ч г

У* А J

I/ »__________■ к ч 5

40 80

Рис. 4

разница в коэффициентах эжекции свободной струи и эжектора растет. Объясняется это тем, что имеет место пологий максимум коэффициента эжекции по длине эжектора, в то время как для свободной струи коэффициент эжекции практически пропорционален ее длине. Из зависимостей 3, 4 видно также, что разница в эжекгирующей способности струи и эжектора уменьшается с увеличением (D/d), т. е. чем «свободнее» эжектирующая струя в канале эжектора, тем его эжекти-рующие свойства выше.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что наличие потерь на трение, смешение и торможение в камере смешения и диффузоре осесимметричного эжектора с центральной эжектирующей струей, а также ухудшение условий подсасывания для струи в камере смешения приводят к заметному уменьшению исходной эжекгирующей способности струи.

Сравним теперь эжекгирующую способность одиночной свободной струи с максимальной эжектирующей способностью (при работе в режиме воздуходувки) одной из наиболее эффективных по подсасывающей способности схем осесимметричных многосопловых эжекторов с периферийным расположением сопл, создающих закрутку активного потока [4]. Для проведения сравнения в координатах рис. 3, 4 для этих эжекторов определялся диаметр выходного сечения эквивалентного одиночного сопла. На рис. 3 точками 5 отмечены зависимости к = f(L) для девятнадцатисоплового эжектора с D/d = 8,66 при Ро/Рп = 1>5, а на рис. 4 также точками 5 — для четырехсоплового эжектора с D/d = = 6,67 при Pq/Ph = 3. В работе [4] эти эжекторы исследовались с весьма длинным начальным участком от входа в конфузор до входа в камеру смешения и вопросы оптимизации длины этого участка не рассматривались. Поэтому на рис. 3 и 4 приведены зависимости к — / (L) как при учете длины начального участка (точки 5 а), так и без учета длины этого участка (точки 56), когда общая длина эжектора определялась только как сумма длин камеры смешения и диффузора.

Из представленного сравнения видно, что эжектирующая способность эжекторов даже такой сложной конфигурации может быть меньше эжектирующей способности одиночной затопленной струи, если длина струи будет незначительно превышать длину эжектора, и это обстоятельство необходимо иметь в виду при использовании эжекторов в качестве воздуходувок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баланин Б. А. О присоединенной массе сверхзвуковой струи на

нерасчетных режимах истечения // ИФЖ.— 1965, № 5. .

2. Глотов Г. Ф., Гоженко С. Г., Фейман М. Й. Исследование присоединенной массы недорасширенных струй газа // Труды ЦАГИ.— 1971.

Вып. 1377.

3. Ricou F. P. and Spalding D. В. Measurements of entrainment by axisymmetrical turbulent jets // J. of Fluid Mechanics.— 1961. Vol. 2, part 1.

4. Енютин Г. В., Дашков Ю. А., Ш у м и л к и н а Е. А. Экспериментальное исследование эжекторных систем с закруткой потока // Труды ЦАГИ,- 1984. Вып. 2260.

Рукопись поступила 3/VIII1993 г.