Гидродинамический стенд для моделирования движения морской воды Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532.517

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ

Е.И. Есипенко, Дальрыбвтуз, Владивосток

Разработана структурная схема гидродинамического стенда для моделирования движения морской воды. Определены основные параметры элементов стенда. Предложена методика расчета скорости движения морской воды в рабочем участке стенда. Определена зависимость скорости движения морской воды в рабочем участке от величины напора воды.

Существующие метрологические стенды можно разделить на группы по конструктивным особенностям, обеспечивающие способ создания потока жидкости, и метрологическому значению.

По конструктивным признакам существующие метрологические стенды можно разделить на два типа:

- стенды замкнутого петлевого типа, в которых жидкость движется по замкнутому контуру; перепад давления, создающий движение жидкости, в таких стендах обеспечивается с помощью насоса, работающего за время измерений или эксперимента в непрерывном режиме;

- стенды гравитационного типа, в которых перепад давления обеспечивается за счет разности уровней двух баков; движение жидкости может носить как циклический (прерывный) так и непрерывный характер.

Стенды второго типа весьма разнообразны по способу создания перепада давления.

Наибольшую точность воспроизведения единицы скорости потока обеспечивают в настоящее время гравитационные стенды.

Погрешность воспроизведения единицы скорости стендами этого типа может быть до 0,2 %,

По метрологическому функциональному назначению в настоящее время наметилось разделение гидродинамических стендов на два типа:

- стенды для поверочных режимных работ с несколькими, часто фиксированными значениями скорости потока. Все остальные параметры (температура, давление, соленость, пульсации этих параметров) имеют нормальное значение, измеряются, но регулированию в широких пределах не подлежат;

- стенды для метрологического исследования разрабатываемых первичных преобразователей (скорости потока, температуры, давления, солености и пульсационных характеристик этих параметров) обычно изготавливаются с плавной регулировкой скорости потока, солености, давления, температуры, пульсацией этих параметров в

широких пределах, соответствующих натурным условиям используемых измерительных преобразователей.

К гидродинамическим стендам, используемым для поверки образцовых измерителей скорости потока, относятся стенды гравитационного типа. В гидродинамических стендах гравитационного типа скоростной поток жидкости создается давлением столба жидкости. Истечения жидкости из сосуда через отверстие, поперечное сечение которого мало по сравнению с площадью сосуда, не зависит от физических свойств жидкости и определяется высотой столба жидкости. Этот вывод дает возможность создавать гидродинамические стенды, в которых скорость потока зависит от высоты столба жидкости и может быть с большой точностью отградуирована в зависимости от высоты столба жидкости. Поэтому для стенда, предназначенного для исследования пульсаций магнитного поля, индуцированных потоком турбулентной морской воды, использован гравитационный принцип.

Стенд может работать в двух режимах: воспроизведения средней скорости и воспроизведения регулярных пульсаций скорости потока. В первом случае скорость потока в рабочем участке при каждом заданном значении остается постоянной; во втором режиме на постоянную скорость потока накладывается регулярная переменная составляющая. При этом и постоянная, и переменная составляющие скоростей потока могут изменяться в широких пределах.

Конструктивно стенд представляет собой гидродинамическую трубу гравитационного типа с органами управления потока. Гравитационный стенд имеет два режима работы (рис. 1):

- свободный слив из напорного бака в сливной через трубопровод, включающий рабочий участок, под действием напора столба воды в напорном баке;

- слив из напорного бака (1) в сливной бак (2), включающий рабочий участок, под действием напора столба воды в напорном баке и разрежения в сливном баке.

В первом режиме наполнение напорного бака осуществляется поршневым насосом (9), перекачивающим воду из сливного бака (2) при открытых (4, 7) и закрытых (3, 5, 6, 10) вентилях. Рабочий режим - слив жидкости из напорного бака в сливной через рабочий участок -происходит при открытых вентилях (3, 4, 5, 7, 10), т.е. в этом случае рабочий цикл происходит при свободном доступе атмосферного воздуха в напорный и сливной баки.

Во втором режиме наполнение напорного бака производится перекачкой жидкости поршневым насосом сливного бака в напорный при открытых (4, 5) и закрытых (3, 6, 7, 10) вентилях.

Рабочий режим обеспечивается здесь открытием вентилей (3, 10) при заливке жидкости из сливного бака в напорный, в сливном баке создается разрежение (сообщение с атмосферой перекрыто), а слив жидкости из напорного бака в сливной происходит под напором столба жидкости напорного бака и одновременного действия разрежения в

сливном баке. К основным узлам гидродинамического стенда (ГДС) относятся: конфузор, спрямляющие решетки, диффузор, рабочий участок.

Рис. 1. Структурная схема ГДС: 1 - напорный бак; 2 - сливной бак; 3,4,5,6,7,10 - вентили; 8 - канал; 9 - насос

Профиль конфузора рассчитан по формуле Витошинского:

где тк =

Х

и

расстояние от входного сечения; 1-к - длина

конфузора; по - поджатие конфузора (выбрано равным 9); Я - радиус расчетного сечения; Яо - радиус на входе конфузора.

Профиль образующей для этих условий приведен на рис. 2. Конфузор выполнен как единое целое с рабочим участком и спрямляющим аппаратом.

Рис. 2. Профиль конфузора для п0 = 9 Скорость на выходе конфузора равна

пи.

V по)

где 5 - приращение скорости, т.е. конфузор уменьшает относительное изменение скорости в п2 раз, где п0 - степень поджатия конфузора.

Для эффективного уменьшения вариаций осевой скорости профильной компоненты по сечению и уменьшению масштаба турбулентности (до 0,1 %) применен сотовый спрямляющий аппарат из 4 решеток. Соотношение длины сотовой ячейки к ее поперечному размеру составляет 6. Это условие связано с пространственным масштабом корреляции движения элементарных струй жидкости.

Для выбора размеров спрямляющего участка и

стабилизирующего участка используется соотношение,

определяющее степень турбулентности:

1и2 2 а

V и п1'2 X ’

где а - размер ячеек выпрямителя; по - поджатие конфузора; Х - длина стабилизирующего участка.

Зависимость изменения степени начальной турбулентности от расположения спрямляющих решеток в широкой части трубы приведена на рис. 3.

Е%

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Ю 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 3. Зависимость изменения степени начальной турбулентности от расположения спрямляющих решеток

Угол раскрытия диффузоров более 7° нежелателен, так как появляется поперечная неустойчивость потока жидкости. Из этих и конструктивных соображений выбирается угол раскрытия 5°.

Скорость жидкости в канале ГДС гравитационного типа есть функция напора столба жидкости плюс разрежение в сливном баке и сопротивление движению жидкости (распределенных и местных).

Потери напора в гидроканале состоят из потерь на трение по длине канала и потерь на местных сопротивлениях (внезапное сужение, кран, тройник, колено, диффузор и т.п.).

Внезапное сужение £ = 0,5, кран £, - 1,8, выход £ = 1,0, плавный поворот на 90°.

£ =

0,2-

0,001

100С

где И - радиус закругления; б - диаметр трубы (в эту формулу входят и потери на трение по длине канала).

Сопротивление диффузора:

где £расш - сопротивление расширения струи;

С

4р. =-

8эт-

2

1-

Г0

- сопротивление трения:

где а определяется по формуле:

* а

tg- = -

2

_ аВ 2,1----------Оп

21

где Го, - площадь входного и выходного сечения диффузора; / -длина диффузора; Оо - диаметр трубы на выходе в диффузор; а , В -размеры сторон прямоугольника.

Сопротивление расширения драсш определяется в зависимости от

угла раскрытия диффузора.

Угол раскрытия для выхода с квадрата на круг определяется по формуле:

аВ

а 0,-2^—

(9 2 21 '

где 01 - диаметр круга; а, В - размеры сторон квадрата; / - длина перехода.

б

Потери в конфузоре состоят в основном из потерь на трение и могут быть при криволинейном контуре конфузора для круглого или прямоугольного сечений определены как:

4 /

-С-

9 Dm п512 С -1'

где п - степень поджатия конфузора (в нашем случае п = 9); I - длина конфузора.

Потери на рабочем участке состоят из потерь на трение и определяются в зависимости от числа Рейнольдса Я?е и относительной шероховатости е.

=С$еС

Dr

Сопротивление широкой части трубы:

I 1

C-

f r- A5/2

F

F0

n

где Г - площадь поперечного сечения широкой части трубы; Г -площадь сечения рабочей части трубы.

Сопротивление спрямляющей решетки:

1

реш

d

r

^ 4т0 г-

где dr = —- ; по - периметр отверстия; то - площадь отверстия; Ft -

п0

площадь сечения трубы в месте установки решетки.

После просчета суммарного сопротивления контура ГДС прохождению жидкости как функции от напора Н и сопротивления 1Е, .

По расчету жидкости и сечению рабочего участка канала определяем скорость течения жидкости.

Время понижения уровня в закрытом сосуде при Ризб= const в общем случае определяется выражением:

I ^л129^ + РиэВ,/г1

где Н - переменный напор; Бо = f (Н) - площадь свободной поверхности воды при временном напоре; СН - понижение напора за время Л;

1

-------коэффициент расхода.

Результаты расчета сведены в таблицу и отражены на графике (рис. 4).

Зависимость расчетной скорости потока от высоты жидкости в

напорном баке

Н м 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05

V м/с 3,6 3,54 3,48 3,41 3,35 3,29 3,22 3,15 3,08 3,01

Н м 1,0 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55

V м/с 2,24 2,87 2,79 2,71 2,63 2,55 2,46 2,37 2,28 2,18

и. м/с

1.4 13 >2 || , 09 0 8 0.7 0 6 0»

Рис. 4. Зависимость скорости потока от уровня воды в напорном баке Библиографический список

1. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 2003. 278 с.

2. Фонарев А.Л. Гидромеханика. М.: Колос, 1996. 192 с.