Вільні струменя. Загальні відомості
Струмені рухаються по інерції під впливом початкової швидкості, створеної тиском або силою тяжіння.
Струмінь, не обмежена твердими стінками, називається вільною. Іншими словами, струмінь рідини - це потік, живі перетину якого не обмежені твердими стінками.
Вільні струменя бувають затопленими і незатопленими.
Струмінь вважають затопленою, якщо вона поширюється в просторі, зайнятому такий же рідиною. Наприклад, струмінь води, що виходить з отвору в стінці резервуара при закінченні «під рівень», або струмінь повітря, що виходить з отвору замкнутого резервуара в атмосферу в умовах однієї і тієї ж щільності повітря. В іншому випадку струмінь вважають незатопленої (наприклад, струмінь води при витіканні з резервуара в атмосферу, коли ця струмінь знаходиться у вільному польоті).
До незатопленним вільним струменів відносяться пожежні і фонтанні струменя, а також струменя, одержувані за допомогою дощувальних апаратів і гідромоніторів, і т.п.
Режим течії струменів може бути ламінарним і турбулентним. Найчастіше доводиться зустрічатися з турбулентними струменями.
В даний час теорія вільних струменів і методи з практичного застосування складають великий розділ гідравліки. В СРСР це питання найбільш докладно досліджувався в ЦАГІ (роботи Г.Н. Абрамовича і ін.).
Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що струмінь рідини, що виходить з насадка (при плавному контурі входу в нього), поступово розширюється у вигляді конуса і завдяки в'язкості захоплює в рух навколишнє її рідина. Разом з тим між струменем і рідиною зовнішнього простору відбувається обмін мас (внаслідок наявності пульсаційних швидкостей, поперечних по відношенню до поверхні розділу). В процесі цього обміну струмінь захоплює трохи більшу масу, так що в напрямку руху струменя її маса дещо збільшується.
Перетин струменя, що збігається з вихідним перетином насадка або труби, називається початковим перетином струменя (рис.4). У цьому перетині швидкості у всіх його точках рівні між собою. Протягом довжини (на так званому початковій ділянці) осьова швидкість постійна за величиною і дорівнює швидкості у вихідному перерізі. Далі осьова швидкість поступово зменшується. Ділянка струменя, на якому осьова швидкість, називається основним, а перетин струменя, що відділяє початкова ділянка від основного, - перехідним. В області авс у всіх точках струменя швидкості рідини рівні між собою і дорівнюють. Ця область називається ядром струменя.
Дослідами встановлено, що ядро з боків обмежена практично прямими лініями. Ці прямі відокремлюють ядро від навколишнього його турбулентного прикордонного шару, в межах якого швидкості змінюються. Зовнішні кордони турбулентного прикордонного шару вважають окресленими прямими лініями. Точка О перетину цих прямих називається полюсом струменя.
Дослідження показали, що при рівномірному розподілі швидкостей в початковому перетині гідродинамічний тиск в струмені майже дорівнює тиску в навколишньому середовищі (рідини).
Якщо на одному і тому ж кресленні в одному і тому ж масштабі побудувати епюри швидкостей для ряду поперечних перерізів основної ділянки, то отримаємо картину, показану на рис.5.
Для всіх епюр швидкостей характерно наступне: якщо замість абсолютних прийняти відносні швидкості, наприклад, відношення швидкості в довільній точці 1, що знаходиться на відстані від осі струменя (рис.6) до швидкості, що дорівнює половині осьової, тобто до швидкості, в точці, розташованій на відстані від осі, то епюри швидкостей у всіх поперечних перетинах струменя будуть тотожні.
Алгебраїчно це буде виглядати так: функція координати одна і та ж для всіх поперечних перерізів струменя, тобто
,
що вказує на деяку подібність між собою всіх епюр швидкостей.
