Предположим, что из цилиндрического выхлопного трубопровода выпускной системы автомобильного ДВС в атмосферу выбрасывается смесь отработавших газов с начальной скоростью Vmp.
К движению, созданному струей – источником, близко подходит реальное течение в струе на большом удалении от насадки (выхлопного трубопровода), из которого она вытекает. Перед тем как рассмотреть особенности движения отработавших газов в струе источнике, обратимся к качественной коричные струи сжимаемой жидкости. Последнюю рассмотрим на частном примере стационарной плоской или осесимметричной струи газа, вытекающей в безграничную неподвижную среду. Для среды тех же динамических свойств, что и газ в струе, распространение струи сводится, по существу, к постепенному выравниванию начального профиля скорости.
Вследствие турбулентной вязкости струя вовлекает в движение окружающий воздух атмосферы, передавая ему часть начального импульса. При этом скорость на оси струи и в поперечных сечениях, естественно, падает.
Решение задачи о распространении струи потребовало бы очевидно, интегрирования уравнений движения и неразрывности при заданном законе внутреннего молекулярного трения и заданных граничных условиях. Последние должны включать в себя условия истечения, т.е. форму выходного отверстия, насадку и векторное поле скорости на выходе, а также условия в области невозмущенного выхлопного газа и, наконец, условия симметрии для течений с плоской или осевой симметрии.
В такой общей постановке есть анимистическое решение задачи, как правило, хотя именно она в ряде практически важных случаях представляет собой наибольший интерес.
Теоретические соображения показывают, что закономерности течения на значительном удалении от насадки приобретают свой для города универсальный характер. Течение в этой области практически не зависит от условий начального истечения. Такое течение – вдали от насадки – можно рассматривать, абстрагируясь от конкретных начальных условий, как результат действия точечного источника импульса, ориентированного в направлении оси симметрик.
Для аналитического решения задачи достаточно интегрального условия, роль которого играет задание характеристической величины начального значение полного потока импульса
где ρ – плотность отработавших газов;
Vxo– составляющая вектора скорости в выходном сеченииS реальной струи заменяемой эффективным источником.
Таким образом, струю-источник можно россматривать без цвета конкретной формы насадки и начального профиля скорости.
Практическая ценность понятия о струе-источнике определяется тем, что созданное ей движение автомоделирования, т.е. оно означает в математическом плане переход от уравнений в частных производных к обыкновенном дифференциальным уравнениям, в экспериментальном – возможность обобщения результатов опыта вследствие подобия профилей скорости.
Для струи-источника вязкого газа характерны векторная природа, направленность начального импульса, придающего всему движению ориентированный характер, своеобразную анизотропию течения.
Чрезвычайно существенно, что начальный поток импульса струи вязкого газа, распространяющегося в безграничной неподвижной среде при отсутствии внешних сил, сохраняется по величине и направлению.
С направленностью течения, созданного струей-источником, тесно связано и следующее характерное свойство движения – ограниченность поля возмущения в направлении, нормальном к начальному импульсу. Как видно из рисунка область изменения скорости в поперечном сечении струи сравнительно узка; поперечные градиенты скорости много больше, чем продольные; эти общие свойства струйных движений создают благородную почву для применения методов теории пограничного слоя.
В том случае, когда струя-источник наряду с потоком импульса вносят в окружающее пространство поток некоторого свойства – избыточного теплосодержания, концентрации и др., – процесс распространения струи сопровождается рассеянием этого свойства в окружающей среде. В этом рассеянии основную роль играет первичный процесс – рассеяние импульса. Для несжимаемой жидкости решение тепловой задачи строится на основе предварительного решения динамической задачи. В случае сжимаемого газа обе задачи должны решаться совместно. В обоих случаях – для жидкости и газа – существенное значение имеет соотношение между коэффициентами переноса импульса и тепла или вещества, определяемое так называемыми числами Прандтля.
Из общего класса струйных течений можно выделить движение несжимаемой жидкости, понимая под этим, как обычно, не только струи капельных жидкостей, но и струи газа при относительно малом извинении плотности. Последнее будет иметь место при скорости движения, малой по сравнению со скоростью звука, а также при малых перепадах температуры и наконец, прилизанности значений молекулярного веса газа в струе и в окружающей среде.
Разумеется, течения газа при ρ х const могут быть получены как частный случай течения сжимаемого газа.
Что касается струй сжимаемого газа, то среди них следует различить проявления сжимаемости, связанные с влиянием одного или нескольких одновременно действующих факторов сжимаемости, большой скорости движения, заметного различия в температуре или составе газа в струе и в окружающей среде.
К этому же признаку сжимаемости тесно примыкает подразделение струй на однородные и неоднородные. Последние в свою очередь бывают различными как по свойствам несущей среды, как и по роду примесей.
Таким образом, в струйном движении в том или ином виде может участвовать вещество в трех агрегатных состояниях газ, жидкость или твердые частицы.
Взаимодействия струи с окружающей средой целесообразно рассмотреть ещё два признака условия движения среды и ее геометрию.
По первому из них следует различать распространение струи в неподвижной или движущейся среде, в частном случае в не однородном с путном потоке, когда автомобиль движется противоположно к направлению движения струя выхлопного газа.
Что касается геометрии пространства, в которое происходит истечение, то здесь следует выделить распространение струи в практически бесконечном пространстве при отсутствии каких-либо твердых тел, взаимодействующих со струей, – такие течения называют свободными струями. Однако при низком расположении выходного трубопровода ДВС автомобиля необходимо учитывать «полуограниченные» струи, движущиеся вдоль твердой поверхности земли, струи «несвободные» – вытекающие в ограниченное пространство. Следует учитывать такие движение, возникающее при струйном обтекании тел, равняющейся передней лобовой поверхности последовательно идущего автомобиля.
Согласно роду переносимой субстанции различают динамическую, тепловую и диффузионную задачу. В рассматриваемом случае все три вида переноса взаимополагаются. Разнообразные граничные условия для тепловой задачи, а также для скорости свойственны также полуограниченным струям.
Струйные течения высокотемпературных отработавших газов ДВС автомобиля, сопровождающихся химическими реакциями или изменениями агрегатного состояния приобретают особое значение, образующий диффузионный факел.
Таким образом, после выбрасывания отработавших газов в открытое пространство атмосферы, они быстро начинают терять начальную скорость истечения из-за возникшего сопротивления воздуха. Затем выброшенные газы, подвергаются дополнительному сопротивлению лобовой площадью следом идущего автомобиля. В результате выброшенные отработавшие газы, двойного сопротивления самого атмосферного воздуха и твердой лобовой площади автомобиля перейдет к турбулентному положению с вихревыми движениями встречного потока. К этому процессу существенно влияет скорость и направления ветра, а также температура и влажность окружающей среды.
Загрязненный газовый поток, образующейся на полосе дороги из-за турбулентности движения принудительным образом вытесняются к обочинам и далее к проезжей части тротуара для пешеходов.
При отсутствии влияния ветра дальнейший процесс распространения загрязненного газового потока подчиняется законам изменения начальной концентрации исходного вещества.
По выходу из круглого соплового отверстия струя имеет не совсем идеальную цилиндрическую форму. На ее наружной поверхности появляются небольшие возмущения. На возникновение возмущения влияют следующие обстоятельства:
- завихрения ив сопла выхлопного трубопровода;
- колебания самого сопла трубопровода от вибрации рамы АТС при их движении из-за неровности и шероховатости дорожных покрытий;
- многофазность компонентов, т.е. присутствие сажи или пузырьки выхлопных газов в струе;
- первоначальное сжатие струи и расширение ее по выходе из соплового отверстия;
- воздействие окружающего атмосферного воздуха;
- турбулентность потока;
- сопротивление набегающих поверхностей следом идущих транспортных средств и сопротивление поверхности дороги снизу.
Под влиянием всех этих причин частицы от струи, находящиеся на ее поверхности, испытывают различные смещения, поверхность струи деформируется и отклоняется от равновесной формы. Увеличение свободной энергии поверхности, связанное с подобной деформацией, приводит к появлению капиллярных сил, стремящихся сократить общую поверхность струи, придав ей равновесную форму. Под действием этих сил частицы, смещенные из равновесного положения, стремятся вновь вернутся в него. Однако по инерции они проходят положение равновесия, поэтому вновь испытывают действие восстановительных сил и т.д.
В результате таких возмущений на поверхности струи возникают колебания. Первоначальные амплитуды этих колебаний иногда настолько малы, что невооруженным глазом распознать их не представляется возможным.
Так как начальные возмущения появляются одновременно и при этом могут накладываться друг на друга, то поверхностные колебания либо затухают, либо возрастают. Рост или затухание колебаний обусловливаются физическими параметрами струи и окружающей среды и режимными условиями вытекания из соплового отверстия.
При возрастании колебаний амплитуда волы увеличивается, устойчивость движения струи нарушается, и она распадается на отдельные части.
Деформация поверхности струи при развитии начальных возмущений может принимать очень сложную форму, причем вид её усложняется по мере увеличения скорости движения струи. Поэтому исследование распада вязкой струи при сложенных деформациях сопряжено с очень большими трудностями.
Мульи начальные возмущения, возникающие на поверхности струи, по мере развития становятся конечными. Ясно, что при распаде струи амплитуда возмущений должна быть такого же порядка, как и радиус струи.
Следовательно, при постановке задачи о распаде струи нужно исходить из конечных наложенных возмущений. Однако развитие конечных наложенных возмущений описывается нелинейными гидродинамическими уравнениями, точное решение которых не представляет возможным. Таким образом, проблема становится трудной.
Поэтому все работы, посвященные теоретическому исследованию устойчивости и распада струй сжимаемой и не сжимаемой жидкости исходят из метода малых возмущений.
Общее решение линеаризованных уравнений наложенных возмущений имеют бесконечное множество частных решений, каждое из которых можно рассматривать как соответствующее определенному начальному возмущению. Анализом этих частных решений устанавливается, какие из начальных возмущений будут затухать, а какие возрастать. Однако проведение подобного анализа является трудным и громоздким, а практическая ценность результатов его невелика.
Для установления самого факта неустойчивости нужно проанализировать хотя бы одно частное решение, соответствующее неустойчивой деформации, амплитуда которой увеличивается со временем. Исходя из этого анализа, можно установить условия при которых наступает неустойчивость движения струи, критерии, определяющие эту неустойчивость, количественное влияние всех критериев на развитие возмущений, а, следовательно, на дроблении струи при различных условиях ее движения.
Литература:
- Ахметов Л.А., Корнев Е.В., Автомобильный транспорт и охрана окружающей среды. – Т.: Мехнат, 1990. – 212с.
- Ахметов Л.А. Ерохов В., Багдасаров М. Экологические аспекты автотранспорта. – Т: Мехнат, 1988. – 170с.
- Базаров Б.И. Научные основы энерго- экологической эффективности использования альтернативных моторных топлива: Дисс. док. техн. наук. – Ташкент: ТАДИ, 2006. – 215 с.
- Вишневский Е.В., Машин Г.Р. Экология и страхование. – М.: ТИССО – Полиграф, 2005. – 128с.
