Прикладные задачи динамики течения жидкости в трубопроводе с ограниченной искусственной газовой каверной Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 705-707

УДК 532.529.5

ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ С ОГРАНИЧЕННОЙ ИСКУССТВЕННОЙ ГАЗОВОЙ КАВЕРНОЙ

© 2011 г. Е.Б. Гартиг, И.Г. Благовещенский

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва

[email protected]

Поступила в редакцию 16.05.2011

Дается обоснование возможностей создания пульсаций в потоке жидкости в результате автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны. Такая каверна может быть создана при подаче газа в зону отрыва потока за кавитатор, установленный в гидравлической магистрали, а ограничение развития каверны в осевом направлении обеспечивается установленным ниже по потоку местным гидросопротивлением типа дроссельной шайбы. На основе разработанной математической модели данного кавитационного течения выявлены условия возникновения в системе автоколебаний, показана возможность реализации пульсационных течений в широком низкочастотном диапазоне частот (2-100 Гц).

Ключевые слова: гидролиния, динамика течения жидкости, ограниченная газовая каверна, результаты эксперимента, автоколебания, технологические процессы.

Внедрение интенсивных инновационных технологий с использованием вибраций оборудования и пульсаций потока является одним из приоритетных направлений развития многих производств в пищевой, химической, энергетической, в других отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве. Колебательные режимы течения рабочих сред используются в процессах смешения, растворения, фильтрации, экстрации, мойки продуктов, промывки внутренних и внешних поверхностей оборудования, для интенсификации теплообмена и в других случаях. Создание пульсирующих потоков достигается применением разных способов и устройств, обеспечивающих создание потока среды с заданными параметрами колебательного движения. Наиболее широкое применение для создания пульсаций в технологических процессах получили способы, основанные на регулировании проходного сечения внутреннего потока с помощью различных механических устройств дроссельного типа. Для тех же целей используются последовательное подключение рабочего участка к магистралям высокого и низкого давления, гидродинамическая кавитация, автоколебания клапанов, вибрации мембран и другие приемы.

Проведенные исследования показывают, что возбуждения пульсаций течения жидкости в трубопроводе можно добиться путем создания в трубопроводе ограниченной газовой каверны, образующейся за кавитатором в результате под-

дува газа и замыкающейся на местном гидросопротивлении ниже по потоку. Такая ограниченная искусственная каверна является потенциально неустойчивой и может генерировать возмущения, передающиеся в поток протекающего компонента. Схема течения с ограниченной искусственной газовой каверной представлена на рис. 1, где 1 — подводящий трубопровод с потоком жидкости; 2 - магистраль подачи газа с установленной на ней критической шайбой; 3 — кавитатор; 4 — искусственная газовая каверна; 5 — дроссельная шайба на выходе трубопровода.

1 2 3 4

Р I I I и I]

О ж

ж

О г

п

3 -

2 3 4 5

Рис. 1

На основе теоретических и экспериментальных исследований данного вида кавитационного течения была разработана его математическая модель, получено выражение для входного импеданса ограниченной газовой каверны, исследована устойчивость рассматриваемой гидросистемы, вскрыт механизм автоколебаний, получены зависимости для амплитуд и частот автоколебаний, обоснована возможность перехода к релаксационным колебаниям в виде последовательности гидроударов.

Обобщение этих результатов дано в [1]. В работе показано, что данный способ создания колебаний не требует применения сложных дополнительных устройств, излишних энергозатрат и может быть реализован на стандартной, имеющейся на каждом производстве, материальной базе. Он является хорошо управляемым и может быть автоматизирован. На одно из направлений применения данного способа возбуждения колебаний получен патент [2].

Результаты обработки осциллограмм с записью изменения параметров пульсаций в гидросистеме при автоколебаниях ограниченной искусственной газовой каверны приведены на рис. 2. Здесь обозначено: кружочки - О - средний расход жидкости; квадратики - - средний

уровень давления в /-м сечении магистрали; треугольники - А, - отношение полуразности максимального и минимального значений давления, фиксируемых /-м датчиком, отнесенных к среднему его уровню; звездочки - ¥ - частота (рис. 2а - для частоты 10-16 Гц, рис. 2б - для частоты 50-102 Гц).

а)

1.0

0.5

¥, Гц Р МП< А

100 0.5 0.5

/

50 0.4 0.3 0.2 4 / 4, о

0.25 / □ :/• г\ \ д

0.2 0.4

б)

Рис. 2

р МПа

Характерный вид самих осциллограмм приведен на рис. 3. На рис. 3а видно, что в рассматриваемом примере в широком диапазоне

существования колебания имеют вид, близкий к гармоническому. Для случая релаксационных автоколебаний с периодом Т ~ 0.2-0.5 с осциллограммы показаны на рис. 3 б.

№4

б)

Рис. 3

Частотный диапазон колебаний в гидросистеме в рассматриваемых случаях достаточно широк и может регулироваться за счет изменения расходных параметров течения фаз, регулирования длины ограниченной газовой каверны, изменения собственных характеристик гидросистемы. Релаксационные колебания с размахом колебаний давления, соответствующим явлению гидроудара, и изменением расхода жидкости в расходном трубопроводе вплоть до изменения его направления можно реализовать также и при отсутствии кавитатора, производя вдув газа со стенки магистрали поперечно непосредственно в поток жидкости. На практике рассматриваемым способом в системе создавались колебания в частотном диапазоне от 2 до 100 Гц.

В написании статьи принимал участие П. М. Шкапов.

На последнем этапе исследования проводились при поддержке грантом Президента РФ для ведущих научных школ № НШ-5271.2010.8.

Список литературы

1. Шкапов П.М. Создание пульсирующих потоков жидкости на основе автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны // Хранение и переработка сельхозсырья. 2010. №9. С. 55-58.

2. Патент ЯИ №208496 С1 от 20.07.97. Способ осуществления / В.Г. Кинелев, П.М. Шкапов. Бюл. очистки различных поверхностей и устройство для его №20.

APPLIED PROBLEMS OF DYNAMICS OF THE LIQUID FLOW IN A PIPELINE WITH A LIMITED ARTIFICIAL GAS CAVITY

E.B. Gartig, I.G. Blagoveshchensky

Possibilities of creation of pulsations in a liquid flow as a result of self-oscillations of a limited artificial gas cavity are substantiated. Such a cavity can be created by pumping gas in the zone of separation of the stream behind the cavitator, installed in the hydraulic duct, while limiting the development of a cavity in the axial direction is provided with the local type of a throttle washer-type hydroresistance installed lower along the stream. Based on the developed mathematical model of the cavitation flow, conditions of realization of self-oscillations in the system are revealed; possibility of realization of pulsating flows in a wide low-frequency range (2-100 Hz) is shown.

Keywords: hydraulic line; dynamics of fluid flow, limited gas cavity, the results of the experiment, autooscillations, technological processes.