CC BY
234
УДК 621.22:621:512
Е. Ю. НОСОВ А. Г. КРАМОРОВ
Омский государственный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА СТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ ГИДРОДИОДЫ_
В статье рассматривается работа резистивных гидродиодов в стационарном потоке жидкости. Описана экспериментальная установка, предусматривающая визуализацию подкрашенного потока. Приведены полученные изображения прямого и обратного потока при разном характере течения жидкости и сравнения экспериментальных результатов по определению сопротивления гидродиодов с расчетом.
Традиционно гидродиоды (струйные диоды) нашли наибольшее применение в системах струйной автоматики [1 — 3 и др.]. Гидродиод — это проточный элемент без подвижных механических частей, обладающий существенно разным сопротивлением при протекании через него жидкости в противоположных направлениях. Направление, при котором гидродиод обладает минимальным сопротивлением, называется прямым, противоположное направление называется обратным.
Существует два принципиально разных типа гидродиодов — резисторные (работают за счет деформации обратного потока, приводящего к значительному увеличению его гидравлического сопротивления) и дефлекторные (уменьшение обратного потока организуется за счет отклонения струи, ее турбулизации
») 0)
Рис. 1. Схема резисторного гидродиода диафрагменного типа, а - протекание прямого потока, б - протекание обратного потока: 1. Канал. 2. Набор фасонных диафрагм
или закрутки в проточной камере). На рис. 1 изображены наиболее вероятные для практического использования схемы резисторных гидродиодов.
Из анализа выражений [2] для расчета гидравлического сопротивления и диодности (отношения расхода прямого потока к обратному) последовательно установленных в гидролинии идентичных гидродиодов следует, что общая (суммарная) диодность гидролинии существенно зависит от соотношения гидравлических сопротивлений гидродиодов и гидролинии. Чем выше собственное суммарное сопротивление гидродиодов по сравнению с сопротивлением трубопровода гидролинии, тем выше диодность и наоборот.
Таким образом, если установка гидродиодов в гидролинии преследует цель получить максимальную диодность потока, а гидролиния имеет существенное гидравлическое сопротивление, то возникает необходимость последовательной установки нескольких гидродиодов. Именно такой случай может быть характерен для жидкостной системы охлаждения ротационного компрессора, описанной в [4]. В этой системе гидродиоды устанавливаются в трубопроводах радиатора охлаждения, которые могут иметь сравнительно большую протяженность и, соответственно, значительное гидравлическое сопротивление.
В связи с этим встает вопрос о том, на какой дистанции могут монтироваться гидродиоды, т.к. при
Рис. 2. Конструктивная схема установки для испытания гидродиодов: 1. Корпус. 2. Паз. 3. Пластины. 4. Соединительные муфты. 5. Дифференциальный манометр. 6. Герметизирующие крышки. 7. Стеклянные стенки. 8. Дроссель слива. 9. Расходомер. 10. Дроссель подачи. 11. Манометр. 12. Устройство для ввода подкрашивающего вещества
Рис. 3. Схема фото- и киносъемки потока жидкости: 1. Поперечное сечение установки для испытания гидродиодов. 2. Фото- или кинокамера. 3. Матовый экран. 4. Источник света
Рис. 5. Типичное распределение прямого потока через
гидродиод при турбулентном режиме течения: А - зона дестабилизации потока перед входом в гидродиод, составляет примерно (2-4)0; Б - зона стабилизации потока после выхода из гидродиода, составляет примерно (4-6)0; ю' - фактическое сечение потока через сопло гидродиода (ю'<ю); а и б - устойчивые зоны затопления; в - устойчивая зона вихреобразования; Д - смещение сечения сужения потока относительно выходного сечения гидродиода; I и II - соответственно сечения потока до дестабилизации и после стабилизации
Рис. 4. Типичное распределение прямого потока через
гидродиод при ламинарном режиме течения: А - зона дестабилизации потока перед входом в гидродиод, составляет примерно (3-4)0; Б - зона стабилизации потока после выхода из гидродиода, составляет примерно (8-10)0; ю' - фактическое сечение потока через сопло гидродиода (ю<ю); а и б - устойчивые зоны затопления; I и II - соответственно, сечения потока до дестабилизации и после стабилизации
слишком малом расстоянии их взаимное влияние может практически нивелировать диодный эффект.
Для разрешения этой задачи была использована установка для измерения диодности, частично описанная в [4] (см. рис.2, 3)
В качестве рабочей жидкости была выбрана вода из сетевого водопровода, обладающая хорошо изученными свойствами и высокой прозрачностью.
Подкрашивающая жидкость впрыскивалась в подводящий трубопровод обычным медицинским шприцем через штуцер и металлическую иглу с внутренним диаметром 0,51 мм.
Предварительные эксперименты по выбору типа подкрашивающей жидкости показали, что наилучшими свойствами обладает отработанное моторное масло, которому содержащиеся в нем частицы износа деталей двигателя придают контрастный черный цвет, его плотность близка к плотности воды, и оно не растворяется в последней. Впрыск масла через иглу позволял получать одновременно частицы размером от 0,1 до 1 мм, что помогало их идентифицировать при просмотре отснятого видеокамерой материала.
На рис. 4 — 7 изображены обобщенные результаты, иллюстрирующие распределение и векторы скорости движения жидкости в зоне действия единичного гидродиода при прямом и обратном ламинарном и турбулентном режимах.
Рис. 6. Типичное распределение обратного потока через
гидродиод при ламинарном режиме течения: А - зона дестабилизации потока перед входом в гидродиод, составляет примерно (6-8)0; Б - зона стабилизации потока после выхода из гидродиода, составляет примерно (10-12)0; ю' - фактическое сечение потока через сопло гидродиода (ю<ю); а и б - устойчивые зоны затопления; 8- прямолинейный участок; I и II - соответственно сечения потока до дестабилизации и после стабилизации
Рис. 7. Типичное распределение обратного потока через
гидродиод при турбулентном режиме течения: А - зона дестабилизации потока перед входом в гидродиод, составляет примерно (2-4)0; Б - зона стабилизации потока после выхода из гидродиода, составляет примерно (6-8)0; ю' - фактическое сечение потока через сопло гидродиода (ю<ю); а - устойчивые зоны затопления; в - устойчивые зоны вихреобразования; Д - смещение сечения сужения потока относительно выходного сечения гидродиода; I и II - соответственно сечения потока до дестабилизации и после стабилизации
Результаты наблюдений позволяют сделать следующие выводы:
1. Изменение сопротивления диодов, связанное с переменой направления потоков происходит при
Рис. 8. Зависимость коэффициентов сопротивления прямого (£ПР) и обратного (£ОБ) потоков двух гидродиодов от числа Рейнольдса Re при угле а = 45° и ю = 10 мм; в скобках указано отношение L/Q
Рис. 9. Экспериментальная зависимость коэффициентов сопротивления прямого (£ПР) и обратного (£ОБ) потоков через два гидродиода от числа Рейнольдса Re при угле а = 45° и ю = 4 мм; в скобках указано отношение 1У О
ламинарном движении жидкости в основном за счет изменения сужения потока (отношение ю'/ю). В то же время при турбулентном режиме движения жидкости увеличение сопротивления связано и с явлением вихреобразования. Поскольку последнее, как широко известно, связано как с общей формой диода, так и с формой кромок его выходного отверстия, последний конструктивный фактор может использоваться для повышения эффективности работы диода.
На рис. 8 и 9 изображены типичные зависимости гидравлического сопротивления £ от числа Рейнольдса Re при некоторых конструктивных размерах диодов.
Из приведенных графиков и сравнения их с аналогичными результатами при установке единичного гидродиода можно сделать вывод о том, что удаление одного диода от другого во всем исследованном диапазоне Re приводит к существенному росту гидравлического сопротивления. Данное обстоятельство характерно для всех исследованных вариантов и еще раз подтверждает сделанные выше выводы о том, что для получения полного эффекта диоды должны устанавливаться на расстоянии, превышающем сумму длин зон дестабилизации и стабилизации потока. Визуальные наблюдения за потоком жидкости при установке пары диодов также подтверждают этот вывод. В частности,
при отношении Ь/О , равном 2, визуально процесс протекания жидкости практически соответствует протеканию через один диод.
Библиографический список
1. Елимелех И. М., Сидоркин Ю. Г. Струйная автоматика. Л.: ЛЕНИЗДАТ, 1972. - 211 с.
2. Лебедев И. В., Трескунов С. Л., Якрвенко В С. Элементы струйной автоматики.М.: Машиностроение, 1973. — 360 с.
3. Залманзон Л. А. Теория элементов пневмоники. М.: Наука, 1969. — 507 с.
4. Носов Е.Ю., Павлюченко Е.А. Интенсификация охлаждения ротационных компрессоров с катящимся ротором/ Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». № 10(48), декабрь 2006 г. С. 55 — 58.
НОСОВ Евгений Юрьевич, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины». КРАМОРОВ Александр Георгиевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
Дата поступления статьи в редакцию: 03.12.2007 г. © Носов Е.Ю., Краморов А.Г.
