Об оптимальной форме сечения струи

Л.С.Котоусов упоминает о том, что исследовались сопла различной формы, в том числе «с круглым, овальным и кольцевым выходными каналами». К сожалению, нет более подробных сведений о влиянии формы просвета сопла и, следовательно, сечения струи на выходе из него, на степень проявления обнаруженного эффекта. Тем не менее, здесь можно сделать несколько предположений.

Если эффект обусловлен обжатием струи внешним воздухом, то важно максимально увеличить отношение поверхности струи к её объёму. Для этого струю надо сделать как можно более плоской (при соблюдении некоей минимальной толщины, меньше которой влияние поверхностных сил будет слишком негативным). При этом увеличения мощности можно добиться, увеличивая ширину этой струи без изменения её толщины, тем самым сохраняя отношение площади к объёму практически неизменным и наращивая расход. Очевидно, что плоская струя в силу большей площади поверхности будет быстрее разрушаться воздухом, чем круглая с той же площадью сечения, однако на расстоянии нескольких сантиметров от среза сопла, где струя набирает практически всю дополнительную энергию, это не слишком актуально.

В случае же, если верно предположение И.Е.Андреева, то основное выделение энергии происходит в центре струи в зоне кавитации при обеспечении обжатия этой зоны радиальными струйками воды со всех сторон. В этом случае наиболее эффективной будет круглая форма сечения струи. Эта же форма в силу наименьшего соотношения площади поверхности и объёма струи обеспечит наибольшую длину компактной части, сведя к минимуму её разрушение из-за сопротивления воздуха.

О продольном профиле сопла

Хочу обратить внимание, что, судя по графику, именно сопло №1, являющееся, по утверждению Котоусова, аналогом самого простейшего случая — отверстия в тонкой стенке, — является для обнаруженного эффекта и наиболее оптимальным, — практически во всём диапазоне входных давлений и на разных растояниях от среза сопла. Очевидно, на него или на его аналог — обычное отверстие в плоской стенке (как наиболее простое и технологичное в изготовлении) и следует ориентироваться при практической работе с эффектом Котоусова.

И ещё один интересный факт. На этом графике коэффициенты q для всех сопел, кроме абсолютно «антиобтекаемого» ступенчатого №3, сближаются по мере приближения к давлению 3.5 атм. Можно предположить, что с ростом давления влияние различий профиля сопла на эффективность получения дополнительной энергии снижается, а коэффициент q (по сути, КПД эффекта Котоусова) стабилизируется в районе 3.. 3.5.

О нагнетающем давлении

В отличии от размеров струи, для давления на входе сопла, нагнетающего жидкость наружу, в общем случае рекомендация однозначна — чем оно выше, тем большую дополнительную мощность с этого сопла можно получить. На первый взгляд, это противоречит приведённому Котоусовым графику зависимости q от входного давления. Однако вдумаемся, — ведь q — это параметр относительный, энергетическая эффективность, своего рода КПД эффекта Котоусова. И хотя по мере роста давления он несколько снижается, однако всё равно остаётся более чем в 2 раза больше единицы, а для некоторых типов сопел затем начинает несколько расти.

Что означает q > 2? Это означает, что на каждый джоуль, затраченный на нагнетание воды в сопло, в струе мы получим более 2 Дж энергии (правда, это без учёта потерь на трение). А значит, чем больше мощности мы «вкачиваем в накачку», тем больше дополнительной мощности (в абсолютном выражении) мы получим в струе! Таким образом, повышение давления (по крайней мере в исследованном Котоусовым диапазоне до 3.5 атм) однозначно выгодно, поскольку повышает абсолютный выход дополнительной мощности с сопла. Возможно, именно этим обусловлен тот факт, что в своём весьма мощном двигателе (около 350 л.с.) Ричард Клем использовал столь высокие давления (20.. 35 атм). Кстати, чуть ниже мы увидим, что этим выгоды от повышенного давления не ограничиваются.