О возникновении автоколебаний в струйной завесе, разделяющей области с различными давлениями Текст научной статьи по специальности «Физика»

Механика жидкости и газа 1062 Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 1062-1064

УДК 532.52

О ВОЗНИКНОВЕНИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ В СТРУЙНОЙ ЗАВЕСЕ, РАЗДЕЛЯЮЩЕЙ ОБЛАСТИ С РАЗЛИЧНЫМИ ДАВЛЕНИЯМИ

© 2011 г. В.В. Прокофьев, И.И. Козлов, С.А. Очеретяный

НИИ механики Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова

prokof@imec.msu.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Проведено исследование условий автоколебательных режимов при истечении струи жидкости в плоский канал с поддувом воздуха в заглушенную его часть с образованием воздушной подушки с повышенным давлением. Показано, что характеристики автоколебаний сильно зависят от объема каверны. При неизменном поддуве амплитуда автоколебаний падает с ростом объема каверны, и при некотором пороговом значении автоколебания прекращаются. При больших поддувах воздуха возникает прерывистый (помпажный) режим течения, проведено подробное изучение режимов течения с помощью скоростной видеокамеры.

Ключевые слова: кавитация, струя, каверна, автоколебания, помпаж, унос газа, неустойчивость Рэлея -Тейлора, скоростная видеосъемка, эксперимент.

Проведенные ранее исследования плоского струйного течения с образованием искусственной вентилируемой каверны с отрицательным числом кавитации [1, 2] ограничивались докри-тичекими и околокритическими режимами струйного течения (критический режим соответствует теоретическому предельному течению с присоединением каверны к стенке). Ниже речь идет о сверхкритических режимах.

Экспериментальная установка

Установка аналогична описанной в работе [2]. Все течение реализуется в зазоре между двумя прозрачными пластинами из оргстекла (расстояние между пластинами h = 5 мм). Жидкость (вода) через сходящееся сопло шириной D = 25 мм истекает в канал шириной H = = 50 мм перпендикулярно его оси. Струя жидкости взаимодействует со стенкой канала — экраном - и свободно истекает в атмосферу. С противоположной стороны имеется тамбур, где путем поддува газа образовывалась воздушная полость.

Обозначим Pk = Pk — Pa, P0 = Po — Pa (Pk, Po : pa — среднее давление в полости, давление напора воды и атмосферное давление соответственно), Qg — объемный расход поддуваемого в полость газа, Ql — средний расход жидкости. Введем следующие параметры: коэффициент давления в каверне Cd = Pk/P, коэффициент поддува газа в полость Cq = Qg/Ql. Введем еще

коэффициент Ck = ^ /DHh, характеризующий объем газовой полости. Объем полости ^ ограничен стенками тамбура, а неизвестная граница струи при вычислении объема ^ заменяется окружностью радиуса H.

Зависимость средних по времени параметров от величины поддува воздуха

Величина относительного объема каверны сохранялась постоянной Ck ~ 12. Данные рис. 1 хорошо согласуются с теоретической величиной коэффициента давления (^ ~ 0.59) при критическом режиме течения (для данной геометрии околокритическому режиму соответствует коэф -фициент поддува Cq ~ 1 [1]).

Cd

0.6

0.3

о о 8

0

Cq

10 20 , <^0=0.5 атм P0=0.7 атм* P0=0.9 атм

Рис. 1. Зависимость коэффициента среднего давления в каверне

Размах колебаний давления A на рис. 2 отнесен к P0. Видно, что автоколебания начинаются при коэффициентах поддува, больших некоторой величины Cq (в нашем случае ~ 3) и

далее монотонно растут. При Сд > 10 А/Р0 становится больше 1, здесь возникает ситуация, когда давление в каверне в некоторый момент становится больше среднего давления напора воды и возникают предпосылки к возникновению возвратного течения жидкости в сопле. Число Струхаля в том же диапазоне измерений слабо зависит от коэффициента поддува газа.

о 4 о 0°

/

0 10 20 Сд

<Р0=0.5 атм Р0=0.7 атмЛ Р0=0.9 атм

Рис. 2. Размах колебаний давления в каверне

Влияние объема каверны на автоколебания

На рис. 3 показана зависимость интенсивности пульсаций давления в полости (в терминах относительного размаха пульсаций А/Р 0) от величины коэффициента объема полости Ск при постоянных значениях коэффициента поддува Сд . Видно довольно сильное падение интенсивности пульсаций с увеличением объема полости, причем наклон уменьшается с ростом Сд . Пороговое значение Ск сильно зависит от величины поддува газа. Отметим, что с уменьшением Ск пульсации давления в полости интенсивно растут.

Исследование амплитудных спектров (здесь

А/Р0 2

1

0 40 80 Ск

ШСд = б,2А Сд= 10* Сд = Сд = 3^ Сд = 63

Рис. 3. Зависимость интенсивности колебаний

не приводятся) показывают существование в режиме автоколебаний одной частоты, слабо возрастающей с уменьшением объема каверны. При Ск большем порогового автоколебания исчезают,

V Ч ♦ ♦ < А А д

ч • • А А * ♦ ♦ ♦ • •

амплитуда колебаний падает на порядок, спектр меняется на «шумовой».

Визуальное исследование режимов течения

Наряду с измерением пульсаций давления проводилась скоростная видеосъемка картины течения камерой УІ8агіо-1500 со скоростью 4000 кадр/с. Проведено изучение процесса возникновения автоколебательных режимов, а при дальнейшем увеличении поддува — перехода от колебательного режима (струя совершает колебания около своих стационарных границ) к прерывистому (помпажному) режиму. На рис. 4 показано сопоставление результатов обработки видеоряда с осциллограммой для прерывистого режима течения (Сд ~ 80, Ск = 22.4, Р0 = =

0.2 атм).

Р/Р0

1

—1

У/И

0.5

0

Х/И —1 —2

0 4 8 12 Т

Рис. 4. Осциллограмма и обработка видео

В этом режиме процесс истечения струи разделяется на два этапа — истечение струи в канал, затем выбрасывание жидкой пробки из канала наружу. При выбрасывании пробки наблюдается развитие рэлей—тейлоровских (Р—Т) структур на задней границе пробки. Верхний график — осциллограмма безразмерного избыточного давления в каверне Р/Р0 , ниже — график изменения поперечной (Х/П) координаты головы истекающей из сопла жидкой струи от времени, внизу график изменения продольной (У/П) координаты переднего фронта Р—Т структур. Начало координат совпадает с правой кромкой сопла, характерный размер — ширина канала, время отнесено к характерной величине И/У^. На осциллограмме квадратами отмече- ны точки, соответствующие началу истечения струи из сопла; треугольниками

— моменты удара струи о стенку—экран; кружками

— моменты достижения Р—Т структур внешней границы жидкой пробки.

Работа поддержана РФФИ, гранты № 09-08-00211, 10-01-00392.

тА

+- і -І— 4- 7^

-Л % -С % г 4 А л •

Список литературы

1. Козлов И.И., Прокофьев В.В. Унос газа из вентилируемой каверны с отрицательным числом кавитации // Изв. РАН. МЖГ. 2001. №4. С. 92-106.

2. Козлов И.И, Прокофьев В.В., Пучков А.А. Исследование развития волновых структур на неустойчивой границе каверны с помощью скоростной видеокамеры // Изв. РАН. МЖГ. 2008. №2. С. 137-148.

ON THE OCCURRENCE OF SELF-OSCILLATIONS IN THE JET VEIL DIVIDING AREAS OF DIFFERENT PRESSURES

V.V. Prokofev, I.I. Kozlov, S.A. Ocheretyany

Conditions of the occurrence of self-oscillatory modes are investigated for a liquid flowing into a flat channel with air injection into its muffled part and with the formation of an air cushion of elevated pressure. It is shown that characteristics of selfoscillations strongly depend on cavity volume. For an invariable air injection, the amplitude of self-oscillations falls with the growth of the volume of the cavity, and for its certain threshold value the self-oscillation stops. For strong air injections, a faltering (pompage) flow mode appears. A detailed study of the flow modes using a high-speed video-camera is described.

Keywords: cavitation, jet, cavity, self-oscillations, pompage, carry-over of gas, instability of the Rayleigh-Taylor, a highspeed video shooting, experiment.