CC BY
9
г и д р о э н е р г е т и к а
УДК 621.528
ИЗУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОИМПУЛЬСОВ НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПУЛЬСАЦИЯХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ВОДОРОДА
Кандидаты техн. наук, доценты КОЗЛОВ Д. А., ИВАШЕЧКИН В. В., ПРОКОПЧУК Д. А.
Белорусский национальный технический университет
Для подводной очистки поверхностей от обрастателей и загрязнений может быть использован газодинамический способ, который предполагает использование водородно-кислородной газовой смеси (ВКГС) в качестве энергоносителя [1, 2].
Удаление загрязнений - результат воздействия на поверхность импульсов давлений, возбуждающих на очищаемой поверхности необходимые нормальные и касательные напряжения. По гидродинамическим показателям после сжигания ВКГС в цилиндрической камере, обращенной к очищаемой поверхности, на ее выходе формируется нестационарная затопленная импульсная струя, параметры которой определяются начальными параметрами энергоносителя и геометрическими характеристиками камеры. К особенностям подводного взрыва ВКГС следует отнести тот факт, что его продуктами являются водяные пары, которые после расширения начинают конденсироваться, и парогазовый пузырь, со всевозрастающей скоростью уменьшаясь в объеме, втягивается в рабочую камеру, и на этой стадии в самой камере и вблизи нее формируется обратное течение. Таким образом, процесс расширения и схлопывания парогазового пузыря в рабочей камере сопровождается созданием знакопеременного гидропотока и излучением в жидкости волн давления.
Цель исследований заключается в экспериментальном определении параметров гидроимпульсов, образующихся в результате сжигания ВКГС в полузамкнутой цилиндрической рабочей камере и распространяющихся за ее пределами в ограниченном горизонтальной поверхностью и заполненном водой пространстве.
Лабораторная установка (рис. 1) представляла собой заполненный жидкостью призматический резервуар размером 0,7x0,6x0,15 м3, внутри которого с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси была смонтирована рабочая камера, снабженная свечей поджига, установленной в до-
полнительной камере. Рабочая и дополнительная камеры связаны трубкой с обратным клапаном, предотвращающим попадание жидкости на свечу и снижающим помехи при записи сигналов. В опытах использовалась цилиндрическая рабочая камера с наружным и внутренним диаметрами соответственно ¿4 = 95 мм и ¿/к = 50 мм, длиной полости / = 50 мм и геометрическим объемом К, = 100 см3.
Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - взрывная камера; 2 - свеча по джига; 3 - дополнительная камера; 4 - трубопровод; 5 - обратный клапан; 6 - дозатор; 7 - пластина; 8 - датчик давления; 9 - датчик трения; 10 - запускающий датчик
Перпендикулярно оси рабочей камеры была установлена с возможностью перемещения в горизонтальном направлении плоская пластина из оргстекла, в которой на одном уровне закреплялись пьезоэлектрический датчик давления [3] и электрохимический датчик трения [4], предназначенные для измерения соответственно нормальных и касательных напряжений на пластине. Датчик давления с чувствительным элементом из пье-зокерамики ЦГС-19 и наименьшей собственной частотой до 0,3 МГц градуировался методом «скачка давления» [5], его чувствительность составила 5 В/МПа.
Датчик трения представлял собой электрод из платиновой проволоки, запаянной в стеклянную трубку. Датчик закреплялся под углом к поверхности пластины и тщательно зашлифовывался. Градуировка датчика трения осуществлялась в специальном гидроканале. В качестве электролита использовался водный раствор фериферроцианида концентрацией 0,025 моля. Градуировочный график зависимости тока на электрохимическом датчике от скорости жидкости, построенный в логарифмических координатах, представлял собой наклонную прямую линию (< 30°). Оба датчика работали в комплекте с запоминающим осциллографом С8-13. Синхронизация процесса запуска развертки осциллографа осуществлялась от отдельного пьезодатчика, установленного в полости рабочей камеры.
Записанные осциллограммы переносились с экрана осциллографа на прозрачную пленку и анализировались. Для датчика трения сопротивление
7
цепи г = 1000 Ом, поэтому согласно закону Ома напряжение в один милливольт на осциллограмме соответствовало току на электрохимическом датчике в один микроампер.
Типичные сигналы нормальных и касательных напряжений приведены на рис. 2.
а „ б
р, кПа
х. Па Ш
X, мс
ад а? но м
¡а да ш (,,
Рис. 2. Типичные сигналы нормальных (а) и касательных напряжений (б) на пластине: а -р = Хг); А1, А2 - амплитуды 1-го и 2-го пиков давлений; Ть Т2 - длительность фазы сжатия 1-й и 2-й волн; Тр - длительность фазы разрежения; б - т = у(Г); ть т2, т3 - амплитуды 1...3-го пиков касательного напряжения; Гь Г2 - длительности 1-го и 2-го пиков касательного напряжения
Параметры регистрировались в точках, удаленных от оси взрывной камеры на расстояниях по горизонтали Я = (0 - 6)а?к, при этом взрывная камера располагалась от плоскости пластины на удалении к' = (0,5 - 6)^к.
Рассмотрим результаты измерения амплитудно-частотных параметров импульсов давления. Фаза сжатия первой волны давления длительностью Т вызвана первым расширением продуктов взрыва ВКГС. В течение времени Тр давление водяных паров в газовом пузыре ниже гидростатического. После частичной конденсации водяных паров и схлопывания парогазового пузыря под действием сил гидростатического давления в жидкость излучается второй пик давления с фазой сжатия Т2. Амплитуда второй волны давления может в несколько раз превысить амплитуду первой. Это соотношение зависит от условий охлаждения, степени конденсации и растворения водяных паров.
Сигнал давления, излучаемый в жидкость при подводном взрыве газовых смесей, является сложной функцией различных параметров [5]
р(0 = Лрг, X, П, Ук, п, Д
где рг - исходное давление газовой смеси перед воспламенением, которое при открытой снизу цилиндрической камере равно сумме атмосферного и гидростатического давлений; X - время; У0 - объем газовой смеси; Ук - геометрический объем взрывной камеры; п - коэффициент адиабаты, учитывающий вид химического превращения (горение или детонация); /- коэффициент, учитывающий геометрию взрывной камеры.
Зафиксированные датчиком сигналы давления могут быть в общем виде аппроксимированы выражением
р = А + Л2)е-а + (пА + Ар) ^ - Ар
где („ - период пульсации (время между началом движения продуктов взрыва ВКГС и моментом их первого максимального сжатия); а, в - коэффициенты, зависящие от условий эксперимента (объема ВКГС); п - множитель, равный А1/А1.
Профиль первого пика давления можно аппроксимировать экспонентой
_ 1
Р = Ае и ,
где 0 - постоянная времени (время, в течение которого давление уменьшается в е раз относительно максимального давления А1); ^ - время, отсчитываемое от момента прихода волны в данную точку жидкости.
На рис. 2а приведена осциллограмма волны давления от взрыва ВКГС в цилиндрической открытой снизу камере при к = I и объеме У0 = Ук = = 100 см3. Датчик давления располагался на пластине на расстоянии к = 0,05 м от среза камеры при Я = 0. Длительность фазы сжатия первой волны составила Т1 = 0,002 с, а постоянная времени 0 = 0,0008 с.
Теоретические решения для определения 0 при взрывах газовых смесей в открытых снизу цилиндрических камерах отсутствуют.
Известно [5], что в случае взрыва в открытой снизу стальной трубе с разными отношениями диаметра к длине при одинаковом объеме камеры и максимальном заполнении ее смесью амплитуда как первой, так и второй волны имеет наибольшее значение при й = I.
Если камера содержит водяную пробку длиной 11, то происходит снижение давления первой и второй волн, причем в большей степени снижается амплитуда А1. Для сигнала давления камеры с водяной пробкой характерно наличие излома на фазе сжатия первой волны, который обусловлен увеличением излучающей поверхности из-за выхода продуктов взрыва за пределы камеры при расширении. Амплитуда акустической волны увеличивается, хотя давление в продуктах взрыва вследствие расширения уменьшается [5].
На рис. 3 показано изменение амплитуды А1 первого пика давления по длине пластины. Из графиков видно, что характер изменения давления в зависимости от относительного расстояния Я/с1к качественно подобен для различных относительных расстояний к'/йк. Из графиков следует, что амплитуда А1 первого пика давления достигает наибольших значений в точке С (на оси удара) с координатой Я = 0 и убывает по экспоненциальной зависимости с ростом Я во всем диапазоне к'/йк, причем абсолютные значения А1 тем больше, чем меньше расстояние к .
Следовательно, наибольшее волновое воздействие первой волны давления проявляется при незначительных расстояниях от нижнего среза камеры до плоской стенки.
Предельное минимальное расстояние от нижнего среза камеры до горизонтальной поверхности определяется способностью продуктов взрыва увеличиваться в объеме при расширении в 4.. .5 раз по отношению к первоначальному объему У0.
Учитывая, что для надежной работы датчиков горизонтальная поверхность должна находиться за пределами досягаемости границ парогазового пузыря при его выходе из камеры, минимальное расстояние в опытах принималось кЧс1к = 0,5.
Амплитуда А\ первого пика давления в плоскости контакта волны давления с плоской стенкой зависит от следующих факторов:
А1 = Др>взр; ЯШк),
где рюр - давление взрыва ВКГС в рабочей камере (для горения оно примерно в 10 раз превышает исходное давление рг на границе газ - жидкость в камере; рвзр ~ 10рг [5]).
Зависимости, представленные на рис. 3, могут быть описаны следующей эмпирической формулой:
4 (ь' Т1 Ч!
4 = чл^) е '
где а1 - коэффициент, учитывающий затухание давления в рабочей камере и в ближней зоне взрыва к'Шк < 0,5; в - коэффициент, учитывающий затухание волны в радиальном направлении. Для условий эксперимента а1 = 0,11, в = 0,25 при к'Шк = 0,5; в = 0,15 при к'Шк = 1,0; рЮр = 106 Па.
С увеличением энергии импульса, которая определяется количеством газовой смеси во взрывной камере постоянного объема, амплитуда А1 первого пика давления монотонно возрастает, однако характер ее изменения в пространстве сохраняется.
Длительность Т1 первого пика давления в описываемых опытах составила 1,5...3 мс, причем меньшее значение соответствует более близкому расположению рабочей камеры к плоской стенке. Длительность Тр фазы разрежения между первым и вторым пиками давления значительно больше и равна 5.12 мс, что составляет (3...4)ТЬ При взрыве ВКГС фаза разрежения более значительная по длительности, чем при использовании других способов генерирования гидродинамических импульсов (пневмовзрыв, электроразряд), так как здесь, кроме конденсации перегретых водяных па-
ров, разрежению способствуют и химические факторы: из 3 молей ВКГС после реакции получается 2 моля воды.
Длительность Т2 второго пика давления практически равна длительности Т1 первого пика. С увеличением количества ВКГС длительность фаз монотонно возрастает, причем в основном сохраняются полученные соотношения: Т2 = Т1; Тр = (3. 4)Т1.
Благодаря конденсации водяных паров и схлопыванию парогазового пузыря жидкость втягивается внутрь рабочей камеры, что приводит к торможению потока в ее торце. Возникает гидроудар, и в жидкость излучается второй пик давления, амплитуда А2 которого обычно в несколько раз превышает амплитуду А1 первого пика давления.
В опытах исследовалось влияние безразмерного расстояния к'/йк на соотношение Л2/Ль Анализ полученных данных показывает, что при увеличении к'/йк от 1,7 до 4,5 соотношение Л2/Л1 возрастает от 2 до 8 практически во всем диапазоне Я/йк. Этот факт можно объяснить улучшением условий для расширения и схлопывания продуктов взрыва при удалении от плоской стенки, т. е. снижением ее влияния на процесс пульсаций парогазового пузыря.
Полученные соотношения справедливы в том случае, когда в рабочей камере имеется водяной поршень достаточной толщины 11. Иначе парогазовый пузырь, расширяясь, выходит за пределы рабочей камеры и может дробиться о близко расположенную пластину, в результате чего второй пик давления снижается в несколько раз и может быть существенно меньше первого пика давления.
Была проведена серия опытов по исследованию амплитудно-частотных параметров волн давления, распространяющихся в растворе полиоксиэти-лена концентрацией 5.40 ррт (1ррт = 10-4 %), так как известно, что динамические характеристики струй воды с добавками полимеров и их разрушающая способность значительно улучшаются [6]. Этот эффект проявляется вблизи сопла, что связано с временем релаксации растянутых молекул полимера. Однако существенного изменения амплитудно-частотных характеристик волн давления, распространяющихся в растворе полимера, в опытах не было обнаружено.
Амплитуда А1 первого пика давления при введении добавок полимера возросла на 25.30 %, а амплитуда А2 второго пика давления снизилась на 30.40 %, причем влияние концентрации раствора в исследованном диапазоне 5.40 ррт отсутствовало.
Типичный сигнал, регистрируемый электрохимическим датчиком трения на пластине (рис. 2б), представляет собой два пика касательного напряжения трения т1 и т2 продолжительностью ^ и ¿2 и третий пик с амплитудой т3.
На рис. 4 показано изменение амплитуды первого пика касательного напряжения т1 по длине пластин для различных значений к'/йк. На уровне кромки рабочей камеры Я ~ 0,5йк начинается ярко выраженный пик величины т1, который тем больше, чем ближе рабочая камера к пластине. На удалении от оси взрывной камеры Я = 0,65йк величина т1 имеет максимальное значение и с ростом Я быстро уменьшается; при Я > 2йк величина т1 на один-два порядка меньше максимального значения при Я = 0,65йк. Под от-
верстием рабочей камеры (Я < 0,65ак) значение Т1 быстро убывает при удалении от кромки рабочей камеры и достигает минимального значения при Я = 0.
Рис. 4. Изменение т по длине пластины
Максимум т2 сдвинут примерно на один диаметр камеры dk по отношению к максимуму т1 и располагается на расстоянии R ~ 1,7dk от начала отсчета. По величине т2тах равен примерно половине т1мах при том же удалении h' рабочей камеры от стенки.
Характер изменения давления и характер изменения касательных напряжений во времени отличаются между собой, так как, во-первых, максимальная скорость струи, а следовательно, и наибольшие касательные напряжения достигаются в конце периода разгона гидропотока в рабочей камере, когда давление в парогазовом пузыре уже снижено переходом части его потенциальной энергии в кинетическую, а во-вторых, электрохимический датчик трения не указывает направление движения жидкости, поэтому первый импульс касательного напряжения т1 является интегральной характеристикой процесса прямого и обратного гидропотоков, возникающих при расширении и схлопывании парогазового пузыря. При R > 2dk значения т1 настолько уменьшаются по сравнению со значениями т1 вблизи камеры, что не имеют существенного практического значения.
В опытах также изучалось влияние толщины водяной пробки в рабочей камере на параметры касательных напряжений. Установлено, что при h' = const и увеличении относительной толщины водяной пробки l1/l от 0 до 0,2 происходит снижение значения т1 на 10.15 %, однако при дальнейшем повышении l1/l от 0,2 до 0,6 происходит монотонное увеличение т1, которое при l1/l = 0,6 примерно в 7.10 раз превышает значение т1 при l1/l = 0,2.
Величина т1 при l1/l = 0,6 принимает максимальное значение при R = 0 и быстро убывает с ростом R. На расстоянии одного калибра от оси камеры R = dk величина т1 снижается в 2 раза, а на удалении двух калибров (R = 2dk) - в 22 раза.
Водяная пробка является той порцией жидкости, которая выбрасывается из камеры после сжигания ВКГС и образует импульсную струю. В то же время разрушающая способность импульсной струи зависит от условий ее
формирования. Поэтому для образования компактной струи, в полной мере обеспечивающей преобразование потенциальной энергии сгоревшего газа в кинетическую энергию жидкости, необходимо струеформирующее устройство, которое, являясь продолжением камеры, должно иметь гладкую обработанную поверхность, чтобы избежать турбулизации пограничного слоя, и содержать успокоитель, например пластинчатой конструкции крестообразной формы, который рассекает поток на части и способствует гашению поперечных циркуляций. Максимальная величина водяной пробки характеризуется предельной степенью расширения продуктов сгорания ВКГС. По экспериментальным исследованиям (скоростная фотосъемка) [7] степень расширения продуктов сгорания ВКГС составила п = 4.5, следовательно, максимальная высота водяной пробки ¡1И = 4/5 = 0,8. Увеличение этого соотношения нецелесообразно из-за возрастания потерь напора и инерционных потерь в рабочей камере.
ВЫВОДЫ
1. Разработана методика измерения импульсов давлений и касательных напряжений, возникающих на горизонтальной поверхности, расположенной под рабочей камерой цилиндрической формы при сжигании в ней ВКГС.
2. Выявлены основные закономерности распределения давления и касательных напряжений вдоль горизонтальной поверхности при различных удалениях от камеры.
3. Установлено, что нахождение водяной пробки в рабочей камере при неизменном объеме ВКГС снижает параметры импульсов давления, но способствует усилению гидропотока и повышает касательные напряжения на стенке. Это следует учитывать при назначении режимов обработки в зависимости от вида загрязнений.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. с. 1740327 СССР. Устройство для регенерации фильтросных плит аэротенков / В. В. Ивашечкин, А. Н. Кондратович, В. Г. Щербаков и др. // Бюл. изобр. - 1992. - № 22.
2. А. с. № 1650279 СССР. Способ очистки подводной поверхности / В. В. Ивашечкин, И. В. Поворотный // Бюл. изобр. - 1991. - № 19.
3.Логинов В. Н. Электрические измерения механических величин. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1976. - 104 с.
4. Н а к о р я к о в В. Е., Б ур д у к о в А. П. Электродиффузионный метод диагностики турбулентных потоков // Материалы второго всесоюзн. совещания по экспериментальным методам и аппаратуре для исследования турбулентности. - Новосибирск: Ин-т теплофизики, 1976. - С. 7-8.
5. Балашканд М. И., Ловля С. А. Источники возбуждения упругих волн при сейсморазведке на акваториях. -М.: Недра, 1977. - 129 с.
6. Никонов Г. П., Шавловский С. С. Гидродинамические исследования струи с полимерными добавками // Научные сообщения ИГД им. А. А. Скочинского. - М., 1974. -Вып. 126. - С. 67-74.
7. И в а ш е ч к и н В. В., К о н д р а т о в и ч А. Н., П р о к о п ч у к Д. А. Экспериментальное исследование газодинамического способа воздействия на фильтр и прифиль-тровую зону скважин // Водное хозяйство и гидротехническое строительство. - Мн., 1987. -Вып. 16.-С. 41-46.
Представлена кафедрой
гидравлики Поступила 29.04.2004
