Струйные преобразователи. 
Пневматические системы автоматики

В основу работы струйных преобразователей положены три аэрогидродинамических явления: соударение струй, эффект Коанда и турбулизация ламинарного потока в результате воздействия внешних возмущений.

Соударение струй представляет собой столкновение двух струй, направленных под углом друг к другу, которое приводит к образованию результирующей струи, не совпадающей по направлению с направлением соударяющихся струй. Направление результирующей струи определяется геометрической суммой количеств движения соударяющихся струй.

Эффект Коанда — это свойство струи изменять направление течения из-за прилипания к расположенной вблизи твердой стенке. Это название явление получило по имени румынского инженера Г. Коанда, который впервые описал его в 1933 г. Эффект заключается в том, что свободная струя, вытекая из сопла, увлекает за собой частицы окружающей среды. Это приводит к образованию вторичного течения на периферии струи, которое дополнительно поддерживает захваченные частицы. Если вблизи струи отсутствуют стенки, то струя называется свободной, и давление во всей области течения остается постоянным. При этом струя не меняет направления течения. Если вблизи струи поместить твердую стенку, то поперечное сечение вторичного течения уменьшается со стороны твердой стенки. Происходит увеличение скорости потока и уменьшение статического давления вблизи стенки. Указанное приводит к отклонению струи к стенке под действием внешнего атмосферного давления до тех пор, пока струя не коснется стенки и не наступит равновесное состояние. В объеме, заключенном между краем струи и стенкой, образуется циркуляционная область с высокой скоростью вторичного течения и низким давлением.

Если в область низкого давления ввести через дополнительный канал управляющий сигнал, эта область начнет увеличиваться, зона прилипания струи в стенке сместится по течению струи, удаляясь от дополнительного канала. Когда расход управления станет равным расходу переключения, произойдет отрыв струи от стенки, что обусловит изменение направления ее течения.

Если по относительно длинному гладкому каналу, являющемуся соплом, подается поток, то струя, вытекающая из сопла, является ламинарной при Re < 2300. На некотором расстоянии от среза сопла происходит переход ламинарного течения в турбулентное течение. Длина ламинарной части струи может уменьшаться под действием внешних возмущений — вибраций, звуковых волн и сгруй малой мощности. Последнее используется при создании преобразователей, получивших название турбулентные усилители. Турбулентное течение свободной струи характеризуется гораздо большей шириной струи, чем ламинарное. Это приводит к уменьшению осевой скорости турбулентной струи. Если на оси ламинарной струи расположить приемную трубку, то при отсутствии внешнего воздействия свободная струя достигнет ее, сохранив ламинарный характер, и в приемной трубке сформируется некоторое давление. При подаче управляющего сигнала происходит турбулизация струи и давление в приемной трубке резко падает.

Струйные преобразователи можно условно разделить на аналоговые и дискретные. Наибольшее развитие получили дискретные струйные преобразователи.

Струйные преобразователи подразделяются также на активные и пассивные. К активным преобразователям подводится питание от внешнего источника, а к пассивным внешнее питание не подводится. В них используется только энергия входных управляющих сигналов. Активные преобразователи обладают усилительным эффектом, так как в них возможно при помощи слабых входных сигналов управлять мощной струей питания.

Методика расчета соударяющихся струй основана на рассмотрении структуры струи. Турбулентная струя состоит из начального и основного участков (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Расчет турбулентной струи: а — схема струн; б — график изменения скорости вдоль оси струи;

1 — полюс струн; 2 — ядро струн; 3 — пограничный слой;

Iначальный участок; IIосновной участок; 111 — переходное сечение

Она имеет зону ядра, где скорость постоянна, и пограничный слой, в котором скорость убывает к границе струи.

Рассмотрим методику расчета соударения двух струй, вытекающих из питающего канала О и управляющего канала У (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Расчетная схема взаимодействия турбулентных струй

Примем такую расчетную схему, когда на основную свободную и затопленную струю питания, вытекающую со скоростью v₀ из канала О, имеющего площадь поперечного сечения f₀, действует свободная и затопленная струя управления, вытекающая со скоростью vy из канала У, имеющего площадь поперечного сечения /у. Для простоты рассмотрения будем считать, что угол у между направлением вытекающих струй равен 90°. Величины давления, расхода и скорости результирующей струи в сечении ВВ обозначим соответственно р_в, Qb. Vb

Наибольший интерес с точки зрения возможности построения струйных элементов представляет определение угла отклонения, а результирующей струи. Зная этот угол, можно соответствующим образом расположить в определенном месте приемный канал. Важно также определить скорость, расход и давление в приемном канале.

Основные допущения при динамических расчетах подобного рода сводятся к следующим:

• — направление результирующего потока и его размеры определяются силовым взаимодействием струй только в области, расположенной вблизи кромок каналов, из которых вытекает поток. Далее результирующая струя считается сформированной и распространяется как турбулентная струя;
• — статическое давление во всей области взаимодействия струй не изменяется;
• — течение жидкости или воздуха рассматривается при малых перепадах давления, поэтому сжимаемостью рабочей среды можно в первом приближении пренебречь и принять плотность р = const (изохорический процесс);
• — течение считается плоским.

При этих допущениях можно применить теорему о количестве движения и неразрывности потока для результирующей струи. Учитывая предположение о неизменном статическом давлении для всей области взаимодействия струй, для количества движения в проекциях на оси х и у справедливы следующие выражения:

где Go, Gr, Gb — массовые расходы в каналах питания, управления и в зоне взаимодействия струй, и₀, и_г, о_в — скорости течения вдоль осей потока.

Разделив второе уравнение на первое, получим:

Учитывая, что количество движения потока Gu = pfv¹, а квадрат скорости и₂ = /?, после подстановки последних величин в формулу для определения угла, а окончательно получаем:

Для нахождения расхода суммарного потока рассмотрим результирующую струю как одиночную затопленную струю, берущую начало в плоскости, которая проходит через точку пересечения осей питающего и управляющего каналов и составляет с осью канала управления угол а. Результирующая струя при сделанных допущениях вытекает из канала шириной /_в со скоросгью v_B.

Для построения струйных логических элементов необходимо знать распределение скоростей течения и полного избыточного давления, характеризующих результирующую струю в пределах ее основного участка, расположенного вне области взаимодействия сгруй. Как и для одиночной турбулентной струи, основной участок начинается при x/h_B ~5, где И_в- ширина канала.

Найдем значение скорости и_в в плоскости ВВ, являющейся условным срезом сопла для результирующей струи, и сечение f_B этого сопла. Для нахождения скорости v_B составим два уравнения. Первое уравнение — уравнение количества движения для двух соударяющихся струй.

или.

Второе уравнение — уравнение неразрывности потока в начальной об ласти взаимодействия струй:

Решая последнее уравнение относительно и_н и fj, с учетом предыдущих формул получим: