1. Поясните понятия “свободная струя”, “незатопленная струя”, “затопленная струя”, “сплошная струя”, “раздробленная струя”. Причины распада сплошных струй и как обеспечить получение дальнобойных пожарных струй.
Свободной струей жидкости называется поток не ограниченный твердыми стенками. Свободная струя истекающая в жидкость, называется «затопленной». Незатопленная струя – струя вытекающая в атмосферу (окруженная газом, воздушной средой).
Водяные струи подразделяются на сплошные, получаемые от ручных и лафетных стволов, и распыленные, образуемые от специальных насадков-распылителей.
При больших напорах в струе можно выделить две ее части: сплошную или компактную, и раздробленную
На рис. 21 показаны составные части свободной струи.
Рис. 21. Составные части свободной струи
Компактная (сплошная) струя начинается возле отверстия, через которое истекает жидкость, и продолжается на некотором расстоянии от него. Обычно это расстояние составляет от нескольких сантиметров до метра с небольшим и зависит от множества условий, среди которых не только скорость истечения и вызвавший её перепад давлений, но и вязкость жидкости, сила её поверхностного натяжения, а также сопротивление внешней среды (воздуха). На протяжении сплошной части струя сохраняет свой средний диаметр практически неизменным.
Раздробленная струя характеризуется началом разделения струи на отдельные очень мелкие капли, однако они не разлетаются далеко, а продолжают «сопровождать» ядро струи. При этом значительная часть струи остаётся компактной и сохраняет монолитность, но по мере удаления от начала струи кажется, что ядро струи слегка сужается. Длина раздробленной части обычно примерно равна или несколько меньше длины компактной части струи.
На распылённой (капельной) стадии струя уже представляет собой расширяющийся поток отдельно летящих капель — в центре более крупных, по краям более мелких. Постепенно под действием воздуха крупные капли дробятся до тех пор, пока силы поверхностного натяжения не смогут компенсировать разрывающее воздействие скоростного напора воздуха.
Разрушение струи происходит под влиянием действующей на нее силы тяжести, сопротивления воздуха и внутренних сил, вызываемых турбулентностью струи и колебательно-волновым характером движения жидкости в ней. На определенной стадии распада струи в качестве дополнительных сил, способствующих распылению струи на капли, будут выступать силы поверхностного натяжения.
Для получения сплошных дальнобойных струй в пожарной технике используются стволы с насадками.
В насадке происходит преобразование потенциальной энергии давления в энергию движения. Для придания струе большой скорости диаметр выходного сечения насадка должен быть меньше диаметра подводящего трубопровода (рис. 22).
Рис. 22. Насадок пожарного ствола.
2. Методика расчёта огибающих кривых компактной и раздробленной части струи. Как зависит максимальная высота струи от давления перед насадком и диаметра насадка? Способы получения распылённых струй.
Если при одном и том же напоре у насадка постепенно менять угол наклона ствола, то конец компактной части струи будет описывать траекторию авс, которая называется огибающей кривой компактной струи, а наиболее удаленные капли струи – траекторию а1в1с1, называемую огибающей кривой раздробленной струи (рис. 23). Расстояния по прямой от насадка до граничных кривых соответственно называются радиусом действия компактной струи Rк и радиусом действия раздробленной струи Rр.
Рис. 23. Наклонные струи.
Расчет наклонных струй ведут по отношению к величинам Sк и Sв для вертикальных струй.
Огибающая кривая компактной струи авс мало отличается от дуги окружности, описанной радиусом, который для ручных стволов диаметром насадка не выше 25 мм можно принять равным Sк т.е.: Rк = Sк
Для насадков больших диаметров линия авс более вытянута вдоль горизонтальной оси. Расстояние от насадка до огибающей кривой раздробленной струи возрастает с уменьшением угла наклона Rр к горизонту θ. Величину радиуса действия раздробленной струи определяют по формуле:
где β – коэффициент, зависящий от угла наклона θ1
Высота вертикальной сплошной струи определяется по формуле Люгера:
Данная формула аналогична формуле (1):
Коэффициент φ может быть определен по эмпирической формуле (2):
где d – диаметр выходного сечения насадка, мм.
Анализируя данные формулы, можно установить, что увеличение длины вертикальной струи связано с увеличением диаметра насадка и напора. Но высота струи для каждого отдельного насадка не может расти неограниченно, а достигая своей максимальной высоты, не изменяется, как бы сильно не увеличивался напор. Так как величина φ зависит только от диаметра, то следует, что при больших напорах увеличение высоты струи возможно только при увеличении диаметра насадка. Применение в пожарном деле лафетных стволов с насадками большого диаметра объясняется не только необходимостью большой подачи воды, но и возможностью подачи воды при обычных напорах на большое расстояние.
Распыленная водяная струя представляет собой массу отдельно летящих капель. Для ее получения применяют специальные насадки, которые называются распылителями. Струйный распылитель представляет собой цилиндрический насадок, из которого вытекает струя жидкости, распадающаяся на капли и образующая факел с малым углом при вершине. Если насадок выполнен в виде узкой щели, то при выходе из него возникает плоская веерообразная жидкая пленка. На пленке возникают отверстия, которые увеличиваются до появления сетки, состоящей из тонких нитей. Эти нити распадаются и образуют цепочки мелких капель. На рис. 24 представлена классификация способов распыливания.
Рис. 24. Классификация способов распыливания.