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.