Более сложная картина возникает при резком (неплавном) переходе потока из канала в полость. При этом возникает струя газа и ещё одно явление турбулентного типа. Дело в том, что полость — это большое количество неподвижного газа, который может турбулентно подмешиваться в поток, а в застойных зонах на рис. 131 объемы газа малы, и они постоянно обновляются за счет поступления направленного потока и уходом взвихренного потока.

Рис. 132. Схема образования турбулентного пограничного слоя в составе свободной затопленной струи. Крупные белые стрелки — вихри газа струи. Крупные чёрные стрелки — вихри подсасываемого (эжектируемого) газа.

Рис. 133. Движение газов в полостях: а — стеснённая тупиковая затопленная турбулентная струя; б — стеснённая транзитная затопленная турбулентная струя; в — бестурбулентное расширение и сужение канала с ламинарным течением (трубка тока Бернулли, рис. 43). 1 — вход (исток) струи, 2 — выход (сток) струи, 3 — граница расширяющейся струи, разделяющая ламинарный газ и турбулентный газ в струе, 4 — встречный газовый поток, 5 — подсасываемый (подмешивающийся, эжектируемый) газ, 6 —тупиковая застойная зона, 7 — граница сужающейся струи, 8 — удаляемый из струи газ, 9 — число стрелок показывает величину расхода газа в струе, 10 — начало стеснённого расширения струи.

Рис. 134. Горячая струя в холодном газе, набегающая с подъёмом на стенку. Мелкие стрелки — эжектируемый газ. α — коэффициент теплопередачи, δ — толщина ламинарного пограничного слоя, ц — циркулярный поток (обратный).

Газовый поток, вырывающийся из трубки в открытое пространство (заполненное тем же газом, из которого состоит сам поток), называется свободной затопленной струей (рис. 49). Наиболее важной особенностью затопленных струй является образование газодинамически неустойчивой границы между неподвижным и подвижным газом, которая взвихривается и образует всё более расширяющийся конусом пограничный слой — так называемый турбулентный след струи (рис. 132). При этом струя как бы «всасывает» внешний газ, а на самом деле просто смешивается и за счёт своей инерции подталкивает ранее невозмущённый газ. Объёмы захватываемого в движение (эжектируемого, подтекающего, всасывающегося) газа могут многократно превышать объёмы газа, истекающего из канала и зависят от геометрии ввода. Так, например, рис. 129,е отличается от рис. 129,б именно отсутствием подсосов у дна колпака. Подсос исчезает (а струя разрушается) и при плавном расширении канала в полость.

Если газовая струя является горячей и вырывается в холодный газ, то струя горячего газа за счет подмешивания холодного газа быстро (по мере удаления от входа струи) охлаждается или, как говорят в химической промышленности, «закаливается» (по аналогии с закаливанием металлических изделий путем резкого охлаждения). Поэтому передача тепла из горячей струи в холодное окружающее пространство представляется очень эффективной (по крайней мере, по сравнению со случаем, когда горячий газ тёк бы без подсосов в герметичной трубе), что и используется в тепловых завесах и тепловых пушках.

Тем не менее, при истечении струй в полости такая теплопередача (из горячей струи «в пространство») не является теплопередачей в стенки полости («в печь»). Ведь тепло передается пока только из горячего газа в холодный, то есть тепло как бы «размазывается» по значительно большему количеству газа. В результате из малого количества горячих газов получается большое количество теплых газов, снять тепло с которых весьма затруднительно из-за малой (уменьшенной) разницы температур газов и стенок полости. Поэтому в теплотехнике всегда предпочитают работать только с горячими газами, а теплые (недостаточно горячие) газы порой экономически выгодней попросту сбрасывать в атмосферу (как это делают на теплоэлектростанциях). Во всяком случае в тепловых аппаратах стараются не разбавлять горячие газы холодными.

Чтобы все же отобрать тепло от не очень горячих (теплых) газов необходимо использовать следующие известные приемы: использовать большие площади теплосъема, обеспечивать высокие линейные скорости набегания и создавать турбулентные режимы обтекания. Ясно, однако, что в полостях линейные скорости газов низкие (ниже, чем в каналах), а обычная инерционная турбулентность, как мы выяснили, в полостях подавляется (как в глушителе автомобиля). Так что остаются лишь возможности использования больших теплопоглощающих площадей и энергичного набегания самой турбулентной струи (до ее полного распада, то есть в режиме дальнобойности) на стенки полости.

Объем полости растет как куб характерного размера полости, а поверхность полости растет как квадрат характерного размера полости. Поэтому, с увеличением размера полости температура струи снижается (из-за смешения с большим количеством газов в полости) быстрее, чем растет площадь теплосъема. Это значит, что газ не успевает охлаждаться в полости и начинает выходить из нее с более высокой температурой. Действительно, такая картина реально наблюдается, когда стенки полостей (каналов) поддерживаются при фиксированной температуре. Получается так, что газ в крупной проточной полости может охлаждаться хуже, чем в маленькой, что весьма необычно. Кажущееся противоречие снимается тем умозрительным соображением, что газ в трубе (канале) течет в тесном контакте с теплосъемными стенками, а газ в полости (той же длины, но расширенной по сравнению с трубой) течет струей по оси в «теплоизоляции воздушным зазором» — в окружении газов полости, которые плохо передают через себя тепло в теплосъемные стенки. Поэтому на практике полости всегда (когда допустимо повышение газодинамического сопротивления) преобразуют в системы каналов (того же объема, но с повышенным теплосъемом). Если же температуры стенок не фиксированы, а постепенно разогреваются, то полость может оказаться более эффективной, чем труба той же длины (но только за счет лучшей внешней теплоотдачи), но система труб того же объема сохранит свои теплопередающие преимущества перед полостью всегда. Так, глядя на обычную кирпичную отопительную печь, сразу осознаешь, что пустая «коробка» печи («скорлупа») хуже уловит тепло дымовых газов, чем та же «коробка», сплошь пронизанная внутри дымовыми каналами.

Рис. 135. Струя в сдувающем потоке (а); плоская стелющаяся холодная струя в горячем газе, набегающая на выступ (б); горячая струя в холодном газе, стелющаяся по потолку и сталкивающаяся с выступом (в); выпуск дыма из курной бани в более низкое отверстие в стене приводит к более равномерному прогреву помещения, но за счёт худшего прогрева потолка.

Тем не менее, полости в печах бывают просто необходимы, например, как демпферы перед системой параллельных каналов. При этом ситуация в полостях может изменяться в зависимости от дальнобойности струй, то есть по существу в зависимости от плавности перехода канала в полость.

Если затопленная струя развивается в ограниченном пространстве, то её называют стеснённой. Видов стеснённых струй множество, мы рассмотрим лишь простейшие случаи. Если вход (исток) и выход (сток) газа происходит из одной и той же стенки замкнутого сосуда, то такую струю называют тупиковой (рис. 133,а). Ясно, что в истинных колпаках мы всегда имеем только тупиковые струи той или иной геометрии. Если вход и выход газа организованы в противоположных стенках сосуда, то такую струю называют транзитной (рис. 133,б). В канальных печах мы имеем преимущественно транзитные струи. В самом общем случае, входы и выходы газа могут находиться в любых стенках, такие струи называют транзитно-тупиковыми. В печном жаргоне иногда тупиковую схему рис. 133,а называют колпаковой, а транзитную схему рис. 133,б — прямоточной (сквозной). Прямоточные схемы являются полностью проточными (полностью вентилируемые). Колпаковые (тупиковые) схемы бывают и проточными (вентилируемыми) при малой глубине тупика, и частично проточными при большой глубине тупика.

Стеснённые струи могут быть и набегающими (рис. 134 а, б), сталкивающимися со стенкой, но свободными в направлении вверх вдоль стенки. Набегающие струи обеспечивают локальный нагрев (например, при сварке), причём в пятне контакта достигается не просто максимальная температура, но и максимальный коэффициент теплопередачи а ввиду малости толщины пограничного слоя 5, который попросту «сдувается». Струи в низком колпаке являются промежуточным случаем между тупиковой и набегающей (рис. 134,в). Струя в перевале соединяет две транзитные струи (рис. 134,г). Струи также бывают не просто всплывающими (рис. 134) за счёт своей «лёгкости» из-за высокой температуры, но и сносимыми газовым потоком (рис. 135,а).

Особый класс струй, интересный в низких колпаках, составляют плоские струи в полуограниченном пространстве (рис. 130,ж), сталкивающиеся с бортиком (выступом, плотиной) с образованием турбулентных барьеров (рис. 135,б и в). Ясно, что эти струи даже в случае очень малых скоростей в режиме ламинарности далеки от идеальных течений Вернулли (рис. 133,в).

Тупиковая турбулентная струя в замкнутой полости (сосуде, ёмкости) развивается следующим образом (рис. 133,а). Сначала ламинарный поток 1 расширяется самым обычным турбулентным образом с захватом внешнего газа (рис. 132 и 49) до заполнения 22-25% площади поперечного сечения ограничивающей полости. Затем струя уже начинает чувствовать стеснение 10, и угол её расширения постепенно уменьшается (рис. 133,а). После того, как сечение струи составит 42-45% площади поперечного сечения струи, подтекание (захват) окружающего газа в струю становится практически невозможным из-за, как иногда говорят, «увеличенного сопротивления». Имеется в виду, что линейная скорость газов в струе сравнивается с линейной скоростью встречных внешних (возвращающихся из тупика) газов 4, так что газы струи уже не в состоянии увлечь за собой подтекающие встречные массы внешнего газа. А если говорить точнее, то направленный турбулентный поток в струе попросту перемешивается с противоположно направленным турбулентным потоком газов 4 и превращается в некую единую стоячую турбулентную зону 6 (застойную). Иными словами, струя (или полость) «запирается». При этом, если увеличить длину полости (вплоть до бесконечности), то картина рассматриваемого нами начального участка практически не изменится (в изотермическом случае равенства температур струи и полости). Это значит, что можно говорить о дальнобойности струи в конкретной полости: вся струя до разрушения характеризуется некой «длиной». Если длина струи больше длины полости, то такая полость считается проточной. Аналогичная картина наблюдается и при падении струи (из шланга) на поверхность бассейна: струя воды, попадая в воду бассейна, уходит вглубь лишь на конечную глубину, и возмущения на поверхности могут достичь, а могут и не достичь дна водоёма.

Струя в тупиковой полости (рис. 133,а) «затапливается» не в неких абстрактных «газах полости», а во вполне определённых газах, тех, что раньше вошли в тупик. Других газов в тупиковых полостях просто нет. Струя фактически развивается во встречном потоке возвращающихся газов. Газ входящей струи турбулентно захватывает газ той же самой струи, но уже побывавшей в застойной зоне. Поэтому мы имеем дело, по существу, с неким смесительным аппаратом, смешивающим газы из разных (пространственных и временных) участков струи. Любая полость является смесительной, причём, чем полость крупнее, тем больше проявляется это смешение.

Транзитная турбулентная струя в замкнутой полости (сосуде, ёмкости) развивается во многом аналогично тупиковой струе (рис. 133,б). Этот неожиданный результат получается из-за того, что струя обычно захватывает в единицу времени большие массы газа из полости (много больше, чем вводятся самой струёй в единицу времени в полость), но выйти через патрубок 2 может только то количество газа, которое вошло через патрубок 1. А это значит, что захватываемые струёй массы газа должны постоянно возвращаться к истоку струи, создавая тем самым тот же встречный поток 4 (ветер), который характерен и для тупиковых струй. Если полость очень длинная и имеет вид трубы, то застойная зона 7 превращается в протяжённую турбулентную область (с медленным поступательным движением), постепенно переходящую в ламинарный поток. В этом проявляется структура расширяющегося перехода, создающего местное газодинамическое сопротивление. Как и в случае тупиковых струй, транзитная струя при входе охлаждается подсасываемыми (эжектируемыми) объёмами газа полости. При этом резко снижается лучистый теплообмен, существенный при высоких температурах, особенно при задымлениях газа. Но если полость, газы в ней и газы струи имеют одну и ту же температуру, то никаких охлаждений, естественно, происходить не может.

В набегающих и обтекающих струях (рис. 134 и 135) также наблюдается подсос внешних газов в начальные участки струи с соответствующей закалкой струй и даже с уменьшением теплоотдачи (рис. 134,а и 134,б). Соответственно, в турбулентных колпаках (в отличие от ламинарных) всегда присутствует циркуляционный поток Ц, создающий смесительную крутку. Становится ясным, что противоточная схема на рис. 134,г обеспечивает более высокий теплосъём с потока газа, чем колпаковая схема на рис. 134,в, но за счёт перегрева перекрытия. Но колпаковая схема обеспечивает более высокую однородность температур в полости, но эти температуры будут сниженными по сравнению с прямоточной схемой (рис. 135 г, д). В стелющихся струях (рис. 135 б, в) обтекаемая поверхность не даёт подмешиваться в струю каким-либо газам с её стороны, обеспечивая повышенный теплосъём. Но есть неожиданности. Так, уступ на рис. 135,б увеличивает теплоотдачу до уступа, поскольку не даёт вихрю А залезть под всплывающую струю. А на рис. 135,в уступ (колпак) снижает теплоотдачу из-за образования перед уступом застойной зоны.

Прямоточная и колпаковая схемы (рис. 135 г,д) удачно иллюстрируются «водоводной моделью» на примере широко известной черной (курной) бани (избы). Если открыто выпускное отверстие (дымник) наверху у потолка (рис.135г), то дым стелется по потолку и нагревает только его. Если же выпускное отверстие опущено (рис.135,д), то теплый дым накапливается под потолком, вследствие чего прогретой оказывается вся верхняя часть помещения до выпускного отверстия. Механизм прогрева помещения в последнем случае (в режиме колпака) отличается тем, что горячий дым уже не может всплывать к потолку в горячей припотолочной зоне из-за исчезновения подъемной силы и течет по слою горячего газа в выпускное отверстие. При этом температура потолка бани уменьшается (по сравнению с прямоточной схемой), что снижает пожарную опасность. Кроме того, верх помещения заполняется дымом, не поддерживающим горение искр от открытого огня (далее на рис.143).

Особой спецификой обладают «плоские» (высокие и широкие, но узкие) полости в виде вертикальных или горизонтальных «щелей». Не являясь ни чисто объёмными, ни чисто канальными системами, такие полости с зазором 0,05-0,1 м (четверть или полкирпича) между стенками обладают хорошей, но очень неоднородной теплосъёмочной способностью. Газодинамические характеристики таких щелей сильно зависят от геометрии ввода и вывода газов (поперёк или вдоль щели, вверх или вниз), поэтому такие «щели» в печах встречаются лишь с рассечками, переводящими полость в многооборотный дымоход плоской формы, обычно называемой отопительным щитом.

В заключение отметим, что экспериментальные исследования явлений в полостях печей сложны — до сих пор не выработана даже общепринятая методика таких исследований. Поэтому исследования физических явлений зачастую подменяются техническими испытаниями конкретных конструкций печей (например, по ГОСТ 3000-45). В результате, как остроумно и точно подметил американский конструктор А. Чернов, зачастую главным выводом трудоёмких экспериментов является заключение о том, что нужны дополнительные эксперименты (www.stovemaster.com). Во многом это объясняется тем, что разные газодинамические режимы испытываются в разных конструкциях печей, вследствие чего невозможно получить сопоставимые данные (www.woodheat.org; www.heatkit. сот; www.kamicenter.ru и др.). Так что трудности таятся не в сложности техники эксперимента (в частности, в трудности замеров значений скоростей газовых потоков или перепадов давлений на уровне 1 мм водяного столба и менее), а в методике (идеологии) исследований.

Исследования должны мыслиться именно как проверка какой-либо модели явления (гипотезы), например, какой-нибудь закономерности течений газов полостях. Такие исследования (как выявление принципов конструирования) не могут быть выполнены, как правило, на обычных конкретных бытовых печах и требуют специальных (хотя бы простейших) «стендов», обеспечивающих постоянство хоть одного какого-нибудь параметра. Так, даже при использовании некой «универсальной» схемы печи (рис. 136), способной легко и мгновенно переходить из колпаковой конструкции в канальную (противоточную, многооборотную) путём простого переключения задвижек, становится ясным, что закрывая и открывая задвижки, мы одновременно меняем скорости сквозного потока газов через печь и режим работы даже тех узлов, которые, казалось бы, никак не связаны с этими задвижками.

Рис. 136. Макетная схема печи с задвижками (пронумерованными цифрами), меняющими режимы работы полостей и каналов.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008