Динамическое воздействие возбужденного гидравлической струей потока на лесотранспортные единицы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Сухов, А. Выхлоп чище воздуха / А. Сухов // За рулем. - 2001. - № 2. - С. 40-42.

2. Сизых, В.А. Судовые энергетические установки / В.А. Сизых. - М.: РКонсультант, 2003. - 264 с.

3. Интернет-сайт http://www.festo.ru.

4. Кудрин, В.А. Руководство по эксплуатации В2-РЭ / В.А. Кудрин. - М.: Внешторгиздат, 1990. - 186 с.

5. Успенский, В.А. Пневматический транспорт / В.А. Успенский. - М.: Металлург, 1959. - 254 с.

6. Хаджикоз, Р.Н. Повысить эффективность пневматических установок / Р.Н. Хаджикоз // Уголь Украины. -1965. - № 7 с.

---------♦------------

УДК 630.37 В.П. Корпачев, Д.Н. Седрисев

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОЗБУЖДЕННОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТРУЕЙ ПОТОКА НА ЛЕСОТРАНСПОРТНЫЕ ЕДИНИЦЫ*

В работе рассматривается теоретическое решение определения параметров движения лесотранспортной единицы в потоке, возбужденном затопленной гидравлической струей.

Строительство ГЭС внесло изменение в гидрологический режим естественного потока. Скорости потока на акватории водохранилища стали близки к нулевым значениям, снизились скорости потока и на устьевых участках рек, впадающих в водохранилище. В связи с этим, при разработке технологий транспортного освоения водохранилищ используются различного типа потокообразователи потока для продвижения лесоматериалов. Для совершенствования их конструкций, расчета производительности необходимо определить основные параметры движения лесоматериалов в потоке, возбужденном затопленной гидравлической струи.

Физическая картина движущегося в водном потоке, возбужденном затопленной гидравлической струей (ГС), лесоматериала очень сложна [1]. Если учитывать физическое взаимодействие всех действующих сил (нестационарность движения, ветровое и волновое сопротивление, сопротивление воды при вращательном движении и т.д.), то при решении поставленной задачи возникают большие математические трудности. Поэтому при изучении движения лесоматериала в водном потоке мы вынуждены вводить определенные ограничения.

Неравномерное движение лесоматериалов в потоке, возбужденном ГС, описывается известным из физики законом Ньютона

М■йУ^ = ^ - Я, (1)

йг

где Г - сила давления возбужденного ГС потока на лесоматериал;

R - сила сопротивления движению лесоматериала в возбужденном ГС потоке;

йУТ

М - масса тела, —- - линейное ускорение. йг

Здесь все силы спроектированы в направлении движения и приложены к центру тяжести тела: если

йУт _ ^ п йУт „

—т > 0, то Р > 0, а если —- < 0, то Р<0.

йг йг

Гидравлическое сопротивление жидкости движению лесоматериалов и воздействующая сила опреде-

лятся по зависимостям:

* Работа выполнена при финансовой поддержке совместного гранта РФФИ и ККФН «Енисей-2007» №07-05-96800.

для поперечной щети

F1 = [S 1ОМИД + f1nL БР d БР \' PV П (V П - VT ) (2)

R ! = 0,5 [s [МИД + f 2nL БР d БР ] p(V П - VT )2; (3)

для продольной щети

F2 = [s3ОМИД + f 3ООБ \pVП (П — VT ), (4)

R2 = 0,5 [S4 (ОМИД + f 4 (ООБ \ (П — Vt )2, (5)

где Fi, F2 - сила давления возбужденного ГС потока на лесоматериал;

R1, R2 - сила сопротивления движению лесоматериалов в возбужденном ГС потоке.

В дальнейшем для упрощенной формы записи выражений (2)-(5) сумму в квадратных скобках заменим символом К для сил, вызывающих движение, и К1 для сил, оказывающих сопротивление движению лесоматериалов.

Коэффициенты сил давления S, f определяются по результатам экспериментальных исследований для каждого вида движения лесоматериалов.

Коэффициенты S, f для сил сопротивления движению лесоматериала исследованы профессором В.П. Корпачевым: f2=0,025; S4=0,98; f4=0,099. Коэффициент S2 зависит от количества бревен в щети [2]. Таким образом, для исследования гидродинамического взаимодействия возбужденного ГС потока можно воспользоваться классическими зависимостями давления струи на тело и зависимостями, определяющими сопротивление воды движению лесоматериала в водном потоке. Однако в эти зависимости необходимо ввести скоростные параметры возбужденного ГС потока, полученные для заданных условий.

Согласно гипотезе квазистационарности [3], при исследовании неравномерного движения тела по свободной поверхности потока реальной жидкости и вблизи от нее гидравлическое сопротивление его движению принимается таким же, как и при равномерном движении со скоростью, численно равной мгновенным значениям скорости неравномерного движения. Но при этом коэффициент присоединенной массы тела n состоит из суммы коэффициента присоединенной массы при движении этого же тела в безграничном потоке идеальной жидкости и добавки к нему, учитывающей нестационарность процесса движения тела в реальной жидкости и наличие свободной поверхности потока.

Таким образом, с учетом коэффициента присоединенных масс, уравнение неравномерного движения тела в жидкости (1) принимает вид

dV

M (1 + n)^-T = F + R. (6)

dt

Определим основные параметры движения лесоматериалов в возбужденном гидравлической струей

потоке

Интегрирование дифференциального уравнения (6) рассматривалось в работах [5-7], где F=const. Тема наших исследований подразумевает неравномерное движение лесоматериалов в возбужденном ГС потоке, поэтому F является переменной величиной. Трудность интегрирования связана с большим количеством переменных, поэтому принимаем массу тела М и коэффициент присоединенной массы n на всем пути неравномерного движения величинами постоянными.

Как известно, присоединенная масса возникает при неустановившемся движении тела. Характерным признаком наличия присоединенной массы является наличие дорожки Кармана за движущимся телом. Однако в случае движения тела под воздействием давления струи на тело, дорожка Кармана разрушается, то есть можно предположить отсутствие дорожки Кармана и это подтверждают натурные наблюдения, что дает основания считать коэффициент присоединенной массы n=0. Тогда

М (1 + n) = Мд = const , (7)

где Мд - действующая масса тела.

Запишем уравнение (6), используя расчетные зависимостей (2)-(5).

На процесс движения лесоматериалов в возбужденном потоке существенное влияние будет оказывать воздействие силы ветрового сопротивления

Rв = 0,5 p рвоз ®пов Vв ,

(8)

где Опов - поверхностная площадь щети лесоматериалов;

Ув - скорость ветра;

р- коэффициент сопротивления ветра, зависящий от скорости ветра;

Рвоз - плотность воздуха.

Учитывая нестационарность движения лесоматериалов и произведя подстановку а =

p рвоз ®пов Vв

ветровое сопротивление движению запишется как

Я, =а(ув ± УТ )2.

(9)

Знак минус ставится при попутном ветре и плюс при встречном ветре. С учетом самых неблагоприятных условий рассмотрим вариант со встречным ветром.

Скорость возбужденного потока У„, образованная струеобразующим насадком, определяется по зависимостям [4] (опыты СибГТУ).

Известно

dVT = dVT dS = V dVj,

= *т

dt dS dJ

dS

(10)

где Э - расстояние от струеобразующего насадка до заданного поперечного сечения. С учетом значений скорости Уп, уравнение (6) принимает вид

дУт

м Д ут—т

Д 1 dS

Kp28,09V

2

0

/

0,74S

V d0

- +1,99

1- т

V уп)

K1p28,09V0

2

0,74S V d0

\

+1,99

1 - ^

V уп)

J

(11)

Сделаем в уравнении (11)замену:

G = Kp; m = 28,09V02; n =

0,74

Kp.

; А = ——; m1 = 5,3V0. dn 2

(12)

Исследования показали, что отношение скорости движения тела к скорости потока в одном и том же сечении основного участка возбужденного потока можно считать постоянным, следовательно

C

V

const.

(13)

п J

Выражая скорость тела Ут через Уп, получим

Vп =

V

1 - C

, Vт = V п (1 - C)

(14)

2

2

2

2

2

2

2

и, подставляя принятые замены (12) в уравнение (11), получим M V dVT _ GmC

Д T dS = {nS +1,99)2 ( +1,99)

AmC2______ау2 _ 2aVвml{1 _C)

а

(1_ c )2

(15)

Опуская операции по интегрированию уравнения (15), запишем конечный результат для определения скорости движения лесотранспортной единицы в потоке, возбужденном гидравлической струей, У = ^Э).

К _

1

2 (ОшЄ - ЛшЄ 2 _аш (1 _ Є )2)

І

Ґ / \ 2 Л

' 3,96 (3,9^ А

2п

5 к +

• arctg -

3,98

2п

_ 2(^(1 _ Є))

,( 3,96 ( 3,98 > 2 ^

п п

Ы д п

1п| пБ к +1,99|

2аvB Б к

Ы

Д

2(є- ЛшЄ2 _ аш(1 _ Є)2)

Ы Д п ( 3,96 ( 3,98 ^2

V п2 V V 2п У у

arctg -

3,98

2п

( 3,96 ( 3,98 У ^

- +

п

V 2п у

+ 2(2а^ш1 (1 Є й • 1п|пБН +1,991 + БН

Ы д п

Ы

Д

(16)

где Эн, Эк - расстояние от сопла струеобразующего насадка до заданного начального и конечного сечения

возбужденного ГС потока.

Для определения зависимости 1 = \ (Ут) можно использовать уравнение (6), представив его в соответствующих заменах (12)-(14)

dV V2 V2

ыД —L _ С—^Є _ л—^Є2 _ 2аVвVт _ аУ2. Д ^ (1 _ Є)2 (1 _ Є)2 в 1 т

Интегрируя уравнение (17), получим значение 1 = \ (Ут)

Ы

t _

Д

В

2

• 1п

аУв

В

+

аУв

V В у

2 Л

1

Ы

Д

В

аВ

В

+

аУв

В

• • 1п

(( т, 2 / т, \2>Л

аV2 + ( аVB

Vv

В

В

УУ

в

(( т, 2 / Т,

а^2 + ( аVв

Vv

V

аVк

Т .н

уу

В

(18)

где Утя, Ут.к- начальная и конечная скорость движение лесоматериала в возбужденном ГС потоке.

Таким образом, в результате решения уравнений неравномерного движения получены зависимости Ут=І (Б) и 1 = \ (Ут).

Полученные значения позволяют определить производительность гидравлической установки (потокообразователей) при продвижении лесоматериалов на акваториях с отсутствующими скоростями течения.

1

2

Литература

1. Корпачев, В.П. Общий вид дифференциальных уравнений движения лесотранспортных единиц в водном потоке / В.П. Корпачев // Технология, комплексная механизация лесозаготовительных работ и транспорт леса: сб. науч. тр. ЛТА им. С.М. Кирова. - Л., 1972. - Вып.145. - С. 112-117.

2. Корпачев, В.П. Транспорт леса. Теоретические основы водного транспорта леса: учеб. пособие для вузов / В.П. Корпачев. - Красноярск: Изд-во КГТА, 1997. - 254 с.

3. Войткунский, Я.И. Сопротивление воды движению судов / Я.И. Войткунский. - Л.: Судостроение, 1964. - 542 с.

4. Корпачев, В.П. Некоторые вопросы неравномерного движения тела при продвижении его по воде / В.П. Корпачев // Лесоинженерное дело и механическая технология древесины: сб. науч. тр. СТИ. -Красноярск, 1967. - Вып. 41. - С. 78-88.

5. Корпачев, В.П. Движение лесотранспортных единиц в водном потоке на участках разгона / В.П. Корпачев // Водный транспорт леса: межвуз. сб. науч. тр. КГУ и СТИ. - Красноярск, 1977. - Вып.5. - С. 21-26.

6. Корпачев, В.П. Теоретические исследования параметров плота при его разгоне / В.П. Корпачев // Лесосечные, лесоскладские работы и сухопутный транспорт леса: межвуз. сб. науч. тр. ЛТА. - Л., 1972. -Вып. 1. - С. 82-87.

7. Корпачев, В.П. Некоторые теоретические исследования процесса движения лесосплавных единиц на основном участке потока, возбужденного гидравлическим ускорителем / В.П. Корпачев, В.Г. Алексеев // Водный транспорт леса: межвуз. сб. науч. тр. СТИ. - Красноярск, 1973. - Вып. 1. - С. 33-36.