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.