Исследование потоков жидкости в дроссельных каналах при возникновении кавитации
Автор: Кузнецов Валерий Сергеевич
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 1 (52) т.11, 2011 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты экспериментальных исследований некоторых гидродиамических параметров истечения жидкости через дроссельные каналы цилиндрической и плоской форм. Проанализирован характер распределения давления в различных точках рассматриваемых каналов.
Эксперимент, жидкость, дроссель, давление, кавитация
Короткий адрес: https://sciup.org/14249498
IDR: 14249498
Текст научной статьи Исследование потоков жидкости в дроссельных каналах при возникновении кавитации
Введение. Из анализа литературных источников [1-4] следует, что в 70 – 80-е 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.
Постановка задачи. В задачу данной работы входило исследование особенностей гидродинамических процессов в осесимметричных потоках на основе изучения течения жидкости в плоских и цилиндрических щелевидных дроссельных каналах и оценка вероятности нарушения сплошности потока жидкости в дроссельных каналах.
Результаты экспериментов и их обсуждение. В целях накопления знаний в области рассматриваемых процессов на стендах кафедры «Гидромеханика, гидромашины и гидропнемо-автоматика» МГТУ им. Н.Э.Баумана проводятся экспериментальные исследования процесса истечения воды в атмосферу из дроссельных каналов цилиндрической (рис.1) и плоской щелевидной (рис.2) форм. Модели дроссельных устройств изготовлены из полированного оргстекла.
Следует отметить, что исследования гидродинамики потоков в плоских щелевидных и осесимметричных каналах предпринимались и ранее. Однако вопросы гидродинамики потоков в осесимметричных каналах на основе данных, полученных при исследовании плоских потоков, в явном виде не рассматривались.
Критериями оценки некоторых гидродинамических процессов в осесимметричном потоке на основе изучения процесса течения жидкости в плоском щелевидном канале на первом этапе исследований предполагались:
– идентичность качественной и количественной степени зависимости поля распределения давления в дроссельном канале от давления на его входе;
– степень визуальной идентичности гидродинамических процессов движения жидкости в осесимметричных цилиндрическом и плоском дроссельных каналах.

Рис.1. Дроссельный канал цилиндрической формы


Рис.2. Дроссельный канал плоской щелевидной формы
Для достижения поставленной цели в процессе эксперимента измеряли:
-
– в цилиндрическом канале – давление на входе ( р вх ) и величину вакуума в двух точках 1 и 2 на поверхности стенки канала (см. рис.1);
-
– в плоском щелевидном канале – давление на входе ( р вх ) и в десяти точках внутри канала в соответствии со схемой, приведенной на рис.2;
-
– атмосферное давление;
-
– температуру жидкости в струе на выходе.
Избыточное давление измеряли 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, для измерения температуры – ртутный лабораторный термометр.
На рис. 3 приведены полученные экспериментально графики изменения величины абсолютного давления в двух точках 1 и 2 цилиндрического дроссельного канала и в идентичных с ними (в геометрическом отношении) точках 6 и 7 плоского щелевидного дроссельного канала в функции от абсолютного давления на входе р вх .
Анализируя результаты экспериментальных исследований на графиках, приведенных на рис.3, можно сделать вывод о качественном и удовлетворительном количественном совпадении закономерности изменения давления в идентичных точках кавитационной полости цилиндрического дроссельного канала и его плоской модели в функции от давления на входе. Некоторое смещение графиков изменения давления в идентичных точках кавитационной полости цилиндрического канала и плоской модели отчасти, вероятно, связано с тем, что точка 2 дроссельного ка- нала расположена на расстоянии от входной кромки 12 мм, а точка 7 плоской модели расположена на расстоянии 15 мм.
Рабе. кПа


Рис.3. Диаграммы изменения абсолютного давления
Приведенные данные, а также визуально наблюдаемое совпадение гидродинамической картины потока в кавитационной зоне (см. рис.5, 6) позволяют сделать вывод о возможности описания поведения гидродинамических процессов в других осесимметричных потоках на основе изучения их плоских моделей.
На рис.4 приведены результаты измерения давления в точках 3 – 10 плоской модели в функции от давления на входе р вх .




Рис.4. Диаграммы результатов измерения давления


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. 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.
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 с. Технические возможности видеокамеры позволяли производить покадровую съемку с частотой 25 Гц.
На рис.5, а приведен снимок потока жидкости в цилиндрическом дроссельном канале при выдержке 1/25 с, а на рис.5, б – тот же поток, но при выдержке 1/8000 с.

а )

б )
Рис.5. Течение потока жидкости в цилиндрическом дроссельном канале: а – время экспозиции 1/25 с; б – время экспозиции 1/8000 с
Снимок, представленный на рис.5,б, указывает на нестабильность геометрии кавитационной зоны в хвостовой ее части. Отсюда следует, что из ядра потока в кавитационную полость постоянно выделяется газ, содержащийся в жидкости. Очевидно, что масса газа в газовой полости растет во времени, увеличивая давление. Это, в свою очередь, вызывает увеличение сил от давления газа на поверхность потока и приводит к изменению количества движения массы жидкости в ядре потока, а также к изменению геометрии хвостовой части каверны и пульсации в ней давления.



в )
Рис. 6. Течение потока жидкости в плоском дроссельном канале: а – время экспозиции 1/25 с.;
б – время экспозиции 1/8000 с.; в –содержание полости между потоком и стенкой канала при большом увеличении
На рис.6, а приведен снимок потока жидкости в плоском дроссельном канале при времени фиксации кадра 1/25 с., а на рис.6, б – тот же поток при времени фиксации кадра 1/8000 с. Из этих снимков 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 давления на его границе, то можно предположить, что возникновение газовой, а тем более паровой кавитации внутри ядра потока мало вероятно.
Выводы. Анализ результатов исследований выявил важные особенности протекания гидродинамических процессов в осесимметричных потоках на основе изучения течения жидкости в плоских щелевидных дроссельных каналах, а также позволяет уточнить методологию расчета и профилирования дроссельных каналов различных гидравлических устройств.
Список литературы Исследование потоков жидкости в дроссельных каналах при возникновении кавитации
- Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки/Б.Н. Сиов. -М.: Машиностроение, 1968. -140 с.
- Бирюков О.Я., Котлов А.Б., Фомичев В.М. Влияние противодавления на гидравлические характеристики дросселирующего устройства: сб. «Рипорт», 1974. Деп. в ВИМИ. №1, №ВМ ДР00959.
- Попов Д.Н. Кавитационные течения вязкой жидкости в дроссельных устройствах/Д.Н. Попов, П.В. Отрошко, А.Г. Бочаров, В.С. Кузнецов//Вестн. машиностроения. -1980. -№2. -С.5-8.
- Попов Д.Н. О влиянии противодавления на кавитационные течения жидкости в дроссельных устройствах/Д.Н. Попов, П.В. Отрошко, А.Г. Бочаров, В.С. Кузнецов//Вестн. машиностроения. -1981. -№11. -С.68-70.
- Siov B.N. Istechenie jidkosti cherez nasadki/B.N. Siov. -M.: Mashinostroenie, 1968. -140 s. -In Russian.
- Biryukov O.Ya., Kotlov A.B., Fomichev V.M. Vliyanie protivodavleniya na gidravlicheskie harakteristiki drosseliruyuschego ustroistva: sb. «Riport», 1974. Dep. v VIMI. №1, №VM DR00959. -In Russian.
- Popov D.N. Kavitacionnye techeniya vyazkoi jidkosti v drossel'nyh ustroistvah/D.N. Popov, P.V. Otroshko, A.G. Bocharov, V.S. Kuznecov//Vestn. mashinostroeniya. -1980. -№2. -S.5-8. -In Russian.
- Popov D.N. O vliyanii protivodavleniya na kavitacionnye techeniya jidkosti v drossel'nyh ustroistvah/D.N. Popov, P.V. Otroshko, A.G. Bocharov, V.S. Kuznecov//Vestn. mashinostroeniya. -1981. -№11. -S.68-70. -In Russian.