Затоплені вільні струмені спостерігаються, наприклад, при подачі або відсмоктування мас повітря з приміщення, при закінченні газу з насадка в повітряне середовище, при виході у водойму трубопроводу, заглибленого під рівень, при виділенні рідини через затоплене отвір і т.п.
Спостереження показують, що струмінь, що випливає в масу однорідної рідини, поступово розширюється і на деякій відстані від насадка розсіюється в ній. Розсіювання струменя обумовлюється дією турбулентного обміну між струменем і навколишнього її рідиною.
На кордоні між струменем і нерухомою рідиною внаслідок в'язкості утворюються вихори. Ці вихори, гальмуючи рух струменя, сприяють збільшенню її маси, захоплюючи в рух рідина ззовні. На місце частинок, викинутих з струменя, в неї проникають частинки, захоплені струменем з навколишнього рідини, які пригальмовують граничні шари струменя.
Шар, в якому відбувається перемішування основної маси струменя і навколишнього її нерухомою маси, називають турбулентним шаром.
Із зовнішнього боку прикордонний шар струменя стикається з нерухомою рідиною, з внутрішньої - з ядром струменя, швидкість в якому постійна (рис. 6.14.)
Мал. 6.14. Схема затопленої вільної струменя
У міру потовщення прикордонного шару звужується ядро струменя. На деякій відстані від виходу струменя ядро зникає і вся струмінь охоплюється прикордонним шаром.
Перетин струменя, в якому завершується ліквідація ядра, називається перехідним. а ділянки струменя, розташовані до перехідного перетину і після нього, називають відповідно початковим і основним.
Досліди показують, що кордони струменя окреслюються прямими лініями і утворюють кут, рівний приблизно 28 °. Точка перетину кордонів струменя називається полюсом струменя.
Розглянемо тепер, як змінюється швидкість на осі основного ділянки струменя. А Я.
Милович вперше встановив на підставі дослідів з газовими струменями, що осьова швидкість на основній ділянці осесиметричною струменя змінюється уздовж струменя по гіперболічної залежності.
де - осьова швидкість в перерізі, віддаленому від початкового на відстані; - досвідчений коефіцієнт; - швидкість в початковому перерізі струменя; - діаметр струменя в початковому перерізі.
Коефіцієнт j визначається за формулою, запропонованою Г.Н. Абрамовичем:
На початковій ділянці до перехідного перетину осьова швидкість дорівнює швидкості витікання, тобто . Тоді довжина початкової ділянки дорівнює
Діаметр струменя в перерізі, взятому на відстані від насадка, визначимо за формулою Г.Н. Абрамовича:
В.М. Коновалов досліджував водяні струмені, що випливають з насадка в простір, зайняте водою, що знаходиться в нерухомому стані. Для визначення він отримав формулу тотожну з формулою (6.33), в якій
Дослідженнями В.Я. Чичасова, проведеними з гідравлічними струменями, що випливають з насадков в потік рідини, встановлено, що при збігу напрямків руху струменя і потоку струмінь практично зникає (розсіюється) на відстані від насадка.
Таким чином, було визначено, що для затоплених струменів (газових і водяних) застосовні одні і ті ж рівняння, відмінність буде лише в визначенні експериментальних констант, що входять в рівняння.
Глава 7. несталий рух рідини.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР В ТРУБОПРОВОДАХ