CC BY
36
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.155М 1994-0408_
Экспериментальные исследования гидродинамических параметров потоков жидкости в дроссельных каналах
77-30569/230378
# 10, октябрь 2011
Кузнецов В. С., Шабловский А. С., Трошин Г. А.
УДК. 62- 62 543.2:532.528
МГТУ им. Н.Э. Баумана e10bmstu@rambler.ru
Shabl@bmsty.ru
Из анализа литературных источников [1, 2, 3, 4] следует, что в 70 - 80-ые годы прошлого столетия в отечественной науке велись достаточно обширные исследования гидродинамики потоков жидкости в дроссельных каналах при возникновении в них кавитационных явлений. Однако механизм процессов, сопровождающих такие течения, в полной мере раскрыть не удалось.
В целях накопления знаний в области рассматриваемых вопросов на стендах кафедры «Гидромеханики, гидромашин и гидропнемоавтоматики» МГТУ им. Н.Э.Баумана проводятся экспериментальные исследования процесса истечения воды в атмосферу из дроссельных каналов цилиндрической (рис. 1) и плоской щелевидной форм (рис. 2). Модели дроссельных устройств изготовлены из полированного оргстекла. Дроссельный канал плоской щелевидной формы позволяет как бы разрезать осесимметричный поток в цилиндрическом канале и, следовательно, оценить гидродинамические параметры потока в его поперечных сечениях.
Следует отметить, что исследование гидродинамики потоков в плоских щелевидных и осесимметричных каналах предпринимались и ранее. Однако оценки возможности анализа гидродинамики потока в осесимметричных каналах на основе данных полученных при исследовании плоских потоков в явном виде не приводилось.
В настоящей статье излагаются некоторые результаты экспериментальных исследований, целью которых являлось:
1. Выяснение принципиальной возможности судить о гидродинамических процессах в осесимметричных потоках на основе изучения течения жидкости в плоских щелевидных дроссельных каналах;
2. Оценка возможности нарушения сплошности потока жидкости в дроссельных каналах.
Критериями оценки возможности анализа некоторых гидродинамических процессах в осесимметричном потоке на основе изучения процесса течения жидкости в плоском щелевидном канале на первом этапе исследований предполагались:
- одинаковость качественной и количественной степени зависимости поля распределения давления в дроссельном канале от давления на его входе;
- степень визуальной идентичности гидродинамических процессов движения жидкости в осесимметичном и плоском дроссельных каналах.
Рис.1 Модель дроссельного канала цилиндрической формы
_А
2 9,7 28
Т.6 23
Рис.2 Модель дроссельного канала плоской щелевидной формы
В процессе эксперимента измерялись: 1. В цилиндрическом канале (рис. 1) - избыточное давление на входе (рвх) и величина вакуума в двух точках 1 и 2 на поверхности стенки канала;
В щелевидном канале (рис. 2) - избыточное давление на входе (рвх) и в десяти точках внутри канала в соответствии со схемой приведенной на рисунке;
2. Атмосферное давление;
3. Температура жидкости в струе на выходе.
Избыточное давление измерялось с помощью образцовых манометров класса точности 0,4, а вакуум с помощью образцового вакуумметра класса точности 0,25. Для измерения атмосферного давления применялся образцовый барометр, а для измерения температуры -ртутный лабораторный термометр.
Рабе. кЛа
Рабе, кЛа
100 80 60 40 20 0
V
\ N Плоская модель т.6
V Ч *
ч * V * гг
Цилидри' модель т. еская ч
100 80 60 40 20 О
ч Плоская одель 1.7
1
А Ч
t л *
í
Цилин модег — дрическая ь т.2 - 1 / X 1*41»
100 150 200 250 Рабе.вхкПа
100 150 200 250 Рабс.вх.кПа
Рис. 3.
На рис. 3 приведены полученные на основе эксперимента графики изменения величины абсолютного давления в двух точках т. 1 и т. 2 цилиндрического дроссельного канала и в сходных с ними (в геометрическом отношении) точках т. 6 и т. 7 плоского щелевидного дроссельного канала в функции от абсолютного давления на входе рвх.
Рис 4.
На рис. 4 приведены результаты измерения давления в точках с т. 3 по т. 10 плоской модели в функции от давления на входе рвх .
В процессе эксперимента проводилась съемка потока жидкости в исследуемых дроссельных каналах с помощью видеокамеры с разным временем экспозиции каждого кадра. Минимальное время экспозиции кадра составляло 1/8000 сек. Технические возможности видеокамеры позволяли производить покадровую съемку с частотой 25 Гц.
а) время экспозиции 1/25 сек.
б) время экспозиции 1/8000 сек.
Рис. 5
На рис. 5а приведена фотография потока жидкости в цилиндрическом дроссельном канале снятая с выдержкой 1\25 сек., а на рис. 5б фотография того же потока, но при выдержке 1/8000 сек.
а) время экспозиции 1/25 сек. б) время экспозиции 1/8000 сек.
в) фотография содержания полости между потоком и стенкой канала при большом увеличении
Рис. 6
На рис.ба приведена фотография потока в плоском дроссельном канале при времени фиксации кадра 1/25 сек, а на рисунках 6б того же потока выполненные при времени фиксации кадра 1/8000 сек.
Из анализа результатов экспериментальных исследований следует:
1. Приведенные на рис. 3 результаты эксперимента позволяют сделать вывод о качественном и, в известной мере, количественном совпадении характера изменения давления в сходных точках кавитационной полости цилиндрического дроссельного канала и его плоской модели в функции от давления на входе. Некоторый сдвиг между графиками изменения давления в сходных точках кавитационной полости цилиндрического канала и плоской модели отчасти вероятно связан с тем, что точка т. 2 дроссельного канала расположена на расстоянии от входной кромки 12 мм, а точка 7 плоской модели расположена на расстоянии 15 мм.
Приведенные данные, а также визуально наблюдаемое сходство гидродинамической картины потока в кавитационной зоне (рис. 5 и 6), позволяют утверждать, что о некоторых гидродинамических процессах в осесимметричных потоках можно судить на основе изучения их плоских моделей.
2. Из графиков, приведенных на рис. 4 следует, что внутри ядра потока давление всегда выше, чем на его границе. Минимальное давление на границе ядра потока, как в цилиндрической, так и в плоской моделях всегда превышало давление насыщенного пара (при данных термодинамических параметрах) на 800 - 1500 Па. Из этих графиков следует, что внутри ядра потока давление всегда выше, чем на его границе. Следовательно, если давление в
замкнутой полости (в том числе и на границе ядра потока) не может быть ниже давления насыщенного пара протекающей жидкости, а давление внутри ядра всегда выше давление на его границе, то можно предположить, что возникновение газовой, а тем более паровой кавитации внутри ядра потока мало вероятно. Следовательно, разрыв сплошности потока невозможен. Этот же вывод следует и из анализа видеофильма, визуализирующего гидродинамическую картину потока в диапазоне изменения давления на входе от минимального до давления, соответствующего переходу от безотрывного режима истечения к отрывному.
3. Фотография, представленная на рис. 5б, указывает на нестабильность геометрии кавитационной зоны в хвостовой ее части. Из фотографий представленных на рис. 5в следует, что из ядра потока в кавитационную полость постоянно выделяется газ, содержащийся в жидкости. Очевидно, что масса газа в газовой полости растет во времени. В результате в полости взрастает давление. Это в свою очередь вызывает рост силы давления газа на поверхность потока и, как следствие, к изменению количества движения массы жидкости в ядре потока, приводящее к изменению геометрии хвостовой части каверны и пульсации в ней давления.
Список литературы
1. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки. М.: Машиностроение, 1968. 140 с.
2. Бирюков О .Я., Котлов А.Б., Фомичев В.М. Влияние противодавления на гидравлические характеристики дросселирующего устройства. Деп. в ВИМИ сборник «Рипорт» №1, 1974, № ВМ ДР00959.
3. Попов Д.Н., Отрошко П.В., Бочаров А.Г., Кузнецов В.С., Кавитационные течения вязкой жидкости в дроссельных устройствах. Вестник машиностроения,1980, №2, с. 5-8.
4. Попов Д.Н., Отрошко П.В., Бочаров А.Г., Кузнецов В.С., О влиянии противодавления на кавитационные течения жидкости в дроссельных устройствах. Вестник машиностроения,1981, №11, с. 68-70.
