Экспериментальное исследование формирования нестационарных вихревых воронок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Штарёв, Александр Анатольевич

• Штарёв, Александр Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование формирования нестационарных вихревых воронок»

Актуальность работы: .3

Цели работы:.4

Научная новизна:.4

Практическая ценность:.5

На защиту выносятся:.5

Апробация работы:.6

Структура диссертации: .6

1. Обзор литературы

1.1 Исследование параметров вихревых воронок.8

1.2 Причины возникновения вихревых воронок.14

2. Описание установки

2.1 Экспериментальная установка.20

2.2 Основной бак.21

2.3 Дно бака.22

2.4 Устройство для плавного смещения сливного отверстия.23

2.5 Съемка на видеокамеру.25

3. Методы измерений

3.1 Измерение скорости опускания столба жидкости.27

3.2 Измерение расхода жидкости.32

3.3 Измерение угловой скорости вращения жидкости.37

3.4 Измерение размеров объектов и расстояний между объектами в наполненном жидкостью баке.39

4. Исследование основных причин возникновения вихревой воронки и измерение параметров концентрированного вихревого течения

4.1 Исследование влияния неустойчивости течения на возникновение вихревой воронки.46

4.2 Исследование влияния вращения жидкости на возникновение вихревой воронки.49

4.3 Исследование влияния симметрии граничных условий на возникновение вихревой воронки.50

4.4 Измерение расхода жидкости.64

6 Анализ полученных результатов

6.1 Причины возникновения вихревой воронки.75

6.2 Исследование изменения расхода жидкости при образовании 78 вихревой воронки.

7. Заключение.89

8. Список литературы.90

Введение.

Актуальность работы

Истечение из предварительно заполненных жидкостью емкостей через сливные отверстия небольшого диаметра реализуется во многих бытовых и технических устройствах. В некоторых случаях истечение сопровождается образованием у сливных отверстий интенсивных вихревых течений с воздушным ядром, в ряде случаев проникающим в сливное отверстие. Формирование такого рода течений, именуемых в дальнейшем вихревыми воронками, может приводить к ряду технических проблем, препятствующих нормальному функционированию этих устройств (проникновение воздуха в трубопроводы, изменение характеристик потока и т.д.). Исследование причин возникновения позволит управлять появлением и ростом концентрированных вихревых течений, что особенно важно при проектировании и обслуживании таких технических устройств, как баки, трубопроводы, различные сливные устройства и т.д.

Последнее время появилось много работ, посвященных исследованию различных характеристик и свойств вихревых воронок. Как правило, исследуются различные характеристики стационарных вихревых воронок. Нестационарные вихревые воронки, образующиеся при истечении жидкости из предварительно заполненной ёмкости, изучены значительно меньше. Систематических экспериментальных исследований данного явления выполнено недостаточно для определения причин образования вихря в каждом конкретном случае. Кроме того, данный вопрос является частью более общей проблемы, которая может быть охарактеризована как определение условий формирования концентрированного вихревого течения в системах, изначально не содержащих таких вихревых течений. Здесь можно отметить вопрос об условиях возникновения таких атмосферных явлений, как тайфуны, торнадо и т.д.

Можно указать на несколько возможных причин возникновения вихревых воронок при истечении жидкостей из емкостей: действие сил Кориолиса, неустойчивость течения, асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. Из этих причин детально изученным можно считать воздействие сил Кориолиса, которые приводят к вращению только в специальных условиях, не реализуемых обычно в бытовых и технических устройствах. Что касается трех остальных причин, то их влияние на возникновение вращения изучено недостаточно. Для того, чтобы изучить возможность возникновения вращения из-за влияния этих факторов, необходимы систематические экспериментальные исследования. Можно надеяться, что изучение условий возникновения концентрированного вихревого течения в конкретном течении поможет определить условия возникновения таких вихревых течений в других случаях.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:

1. Создание установки по изучению условий формирования вихревых воронок.

2. Исследование таких возможных причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

3. Изучение влияния вихревых воронок на истечение жидкости из предварительно заполненной ёмкости.

Научная новизна:

1. Проведено экспериментальное исследование таких условий возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

Заполнение емкости осуществлялось таким способом, что при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости истечение происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки. При исследовании асимметрии граничных условий было обнаружено, что расположение предметов, установленных внутри цилиндрического бака, при вытекании незакрученной жидкости не приводило к появлению вихревых воронок.

2.Исследовано влияние положения сливного отверстия на возникновение вихревой воронки при наличии в жидкости вращения. Обнаружено, что смещение сливного отверстия относительно оси бака приводит к значительному снижению высоты образования вихревой воронки. Построена зависимость высоты образования вихревой воронки от смещения относительно оси бака.

3. Исследовано поведение расхода жидкости при образовании вихревой воронки над сливным отверстием в зависимости от высоты наполнения бака, скорости вращения жидкости и диаметра сливного отверстия. В результате проведенных экспериментов получен ряд зависимостей расхода от высоты столба жидкости в баке при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Проведено сопоставление поведения расхода с появлением и ростом вихревых воронок. Выявлены фазы развития вихревых воронок.

Практическая ценность:

Создана экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений. Получены данные, о влиянии ряда факторов на появление концентрированных вихревых течений при истечении жидкости из предварительно заполненных емкостей. Построены зависимости высоты образования вихревых воронок от положения сливного отверстия и скорости вращения жидкости. Получены зависимости расхода жидкости от времени вытекания при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Собранные данные позволяют прояснить явление возникновения вихревых воронок при истечении из предварительно заполненных емкостей, а знание полученных зависимостей актуально при разработке различных технологических установок.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений.

2. Результаты экспериментов по исследованию таких причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

3. Результаты измерений параметров вихревых воронок при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий.

Апробация работы;

Основные результаты работы докладывались на Х1ЛУ научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2001г.), на международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность "Не-За-Те-Ги-Ус"» (Москва, 2004г.), на «Ломоносовской конференции» проводимой Институтом механики МГУ (Москва, 2004г.).

По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, список которых представлен в конце автореферата.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Штарёв, Александр Анатольевич

6. Заключение

1. Исследованы условия формирования вихревых воронок при истечении жидкости из предварительно заполненной цилиндрической ёмкости. Использовалось такое устройство для заполнения жидкости, при котором истечение жидкости при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки.

2. Проведенные исследования показали, что на образование вихревой воронки существенное влияние оказывает положение сливных отверстий.

3. Исследование зависимости высоты образования вихревой воронки от положения сливного отверстия показало, что высота образования воронки монотонно убывает при удалении сливного отверстия от оси бака. При фиксированном смещении сливного отверстия высота образования вихревой воронки возрастает с уменьшением скорости вращения жидкости.

4. Проведено сопоставление изменения расхода жидкости с появлением и ростом вихревой воронки. Выделены характерные этапы в зависимости расхода жидкости от высоты столба жидкости.

5. Исследование зависимости расхода жидкости при различных высотах наполнения бака и скорости вращения жидкости показало, что для каждого течения существует характерная скорость вращения при которой вихревая воронка проникает в сливное отверстие. При скорости, превышающей это характерное значение, зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания не зависала от скорости начального вращения. Зависимость, которая описывала зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания была названа «предельной». Получено уравнение предельной зависимости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Штарёв, Александр Анатольевич, 2005 год

1. Альтшуль А.Д., МарголинМ.Ш. Влияние вихревых воронок на коэффициент расхода при истечении жидкости из отверстий //Гидротехническое строительство. 1968. №6. с.32-34.

2. Альтшуль А.Д., Марголин М.Ш., Об истечении из отверстий с образованием вихревых воронок. Сборник трудов МИСИ, 1968г., №55, выпуск 1.

3. Марголин М.Ш., Об измерении окружных скоростей потоков с вихревыми воронками. Сборник трудов МИСИ, 1968г., №55, выпуск 1.

4. Camichel С. et Escande L., Similitude hidrodinamique et echnique des modeles réduits. 1938.

5. Kolf R.C., Zielinski P.B., The vortex chamber as an automatic flow-control device, Proc. ASCE, vol 85,1959, Nr Hv 12

6. Фокеев B.C. Гидравлические вихревые воронки, их исследование и практическое применение. 1959г.

7. Rochan К., Kurcovaniu profílu lievicovecho viru "Vodohospod, casop.", 1966,14, №1.

8. Марголин М.Ш., Расчет параметров вихревых воронок на гидротехнических сооружениях. Сборник трудов МИСИ, 1969г., №67.

9. Васильев О.Ф., Некоторые вопросы механики винтовых и циркуляционных потоков. Сборник трудов МИСИ, 1955г. №9

10. ГромекаИ.С., Некоторые случаи движения несжимаемой жидкости. Казань. 1881.

11. Жуковский Н.Е., Лекции по гидродинамике. 1886.

12. Милович А.Я., Основы динамики жидкости (гидродинамика). Энергоиздат. 1933.

13. Потапов М.В., Винтовое как частный случай циркуляционного течения в русловом потоке. Соч. Т.2. Сельхозгиз. 1951.

14. Потапов М.В., Винтовое движение жидкости в прямом открытом канале прямоугольного сечения. Соч. Т.2. Сельхозгиз. 1951.

15. Пышкин Б.А., Винтовое движение жидкости в круглых трубах. Известия АН СССР. ОТН №1. 1947.

16. Beltrami Е., Considerazioni idrodinamiche, Rendiconti del Reale Istituto Lombarrdo di scienze e lette, t.XXII. Milano. 1889

17. Lecornurb., Sur les tourbillons d'une veine fluide. Comptes rendus Acad. Sc., t.168. No 19. Paris. 1919.

18. Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя. Наука. 1969.

19. Калашник М.В., Формирование вихревой воронки стоком массы в модели мелкой воды//Изв. РАН. МЖГ. 2004. № 2. С. 120-132.

20. Lauffer Н., Einfluss der Oberflachenspannung auf den Ausfluss der Poncelet Offhungcn. VDJ. 1935. 11/V.

21. Swift H.W., Orifice Flow as affected by Viscosity and Capilarity. Philosoph Magazin, 1926, oct.

22. Альтшуль А.Д., О влиянии поверхностного натяжения на истечение жидкостей из отверстий. Сборник трудов МИСИ, 1968г., №55, выпуск 1.

23. Геллер З.И., Скобельцын Ю. А., Влияние гравитационных и поверхностных сил на коэффициент расхода внешних цилиндрических насадков. "Нефтяное хозяйство", 1963г., №9.

24. Альтшуль А.Д., Истечение из отверстий жидкостей с повышенной вязкостью. "Нефтяное хозяйство", 1959г., №2

25. Andersen A., Bohr A., Stenum В., J. Juul Rasmussen, and LautrupB., Anatomy of a bathtub vortex. // Physical review letters. September 2003. Phys. Rev. Lett. 91,104502.

26. Lundgren T.S., J. Fluid Mech. 155,381,1985.

27. Owen J,M., Pincombe J.R., Rogers R.H., J. Fluid Mech. 155,233, 1985.

28. Andersen A., Lautrup В., Bohr T., J. Fluid Mech. 487, 81,2003.

29. Фокеев B.C., Некоторые свойства устойчивой вихревой воронки. Гидротехническое строительство, 1951г. №5.

30. Фокеев B.C., Вихревые воронки их примененние на электростанциях. Издательство «Энергия»., 1964г.

31. Халпахчян А.Х., К вопросу истечения жидкости через донные отверстия. Изв.АН Армянской ССР том 1 1948г. Ереван

32. Исакян С.М., О воронкообразовании при осесимметричном истечении жидкости из донных отверстий. Изв.АН Армянской ССР, 1969г., том 22, №6, Ереван

33. Фокеев B.C., Опыт эксплуатации и расчет вихревых воронок. Гидротехническое строительство, 1955г. №4.

34. Гриднев И.Д., Побединский Л.Д., Пропуск шуги через турбины с помощью вихревых воронок. Гидротехническое строительство, 1952г. №6.

35. Фрадкин Б.М., Кусков Л.С., Борьба с донным льдом и шугой на гидроэлектростанциях. Гидротехническое строительство, 1951г. №5.

36. Токарев В.Е., Истечение жидкостей из емкости с образованием воронки. Известия высших учебных заведений. Серия "Авиационная техника". 1967г., №3, с89

37. Поликовский В.И., Перельман Р.Г., Воронкообразование в жидкости с открытой поверхностью. Госэнергоиздат, 1959г.

38. Беляев И.М., Шандоров Г.С., К вопросу воронкообразования без вращения при сливе через донные отверстия. Гидроаэромеханика, вып.2, 1965г. Издательство Харьковского университета.

39. Ведерников В.В., Об истечении из отверстий. Гидротехническое строительство, 1950г. №3.

40. Эйснер Ф., Экспериментальная гидравлика сооружений и открытых русел. ОНТИ. 1937.

41. Халпахчян А.Х., К вопросу о методе измерения интенсивности водоворотов. Труды гидравлической лаборатории МИСИ. Госстройиздат, 1958г.

42. Seddon А.Е., Anwar Н.О., Engineering. Vol.196. No5081. 1963.

43. Матинян (Исакян) C.M., Известия АН Арм. ССР, т.8, №2. 1955.

44. Shapiro А.Н., Bath-tub vortex. //Nature. 1962. Vol.196, -С. 1080

45. E. N. da Andrade, Bath-tub vortex. //Nature. 1963. Vol.197, №2, -C.480

46. Lloyd M, Trefethen, BilgerR.W., FinkP.T., Luxton R.E., Tanner R.I., Bath-tub vortex in the southern hemisphere // Nature. 1965. Vol.207, №2, -C.1084-1085

47. Faher Т.Е., Fluid Dynamics for Physicist. Cambridge: Univ.Press, 1995.440p.

48. Черно-белый фильм. Воронкообразование в жидкости. Сценарий Лобинов С. Консультанты: Альтшуль А., Марголин М. Союзвузфильм. 1975 год. 10 минут.

49. Kawakubo Т., Tsuchia Y., Sugaya М., Matsumura К. Experimental Studies of Some Phase Transitions in a nonequilibrium open systems. Suplement of the progress of theoretical physics, No. 64,1978.

50. Shosou Shingubara, Tatsuyuki Kawakubo., Formation of vortices around a sinkhole. //Journal of the Physical Society of the Japan. 1984. Vol.53, No.3, March, pp. 1026-1030

51. Kawakubo Т., Tsuchia Y., Sugaya M., Matsumura K., Formation of a vortex around a sink: a kind of phase transition in a nonequilibrium open system. Physics letters, 18 September 1978, vol. 68a, number 1, pp.65-66

52. Hayati L., Bailey I., Tadros Th.F., Nature 319. 41. 1986.

53. Shtern V., Barrero A., Instabiliti nature of the swirl appearance in liquid cones. // Physical Review 1995. July, Vol.52, No.l, pp.627-635

54. Shtern V., Barrero A., Bifurcation of swirl in liquid cones. // J. Fluid Mech. 1995. Vol.300, pp.l69-205

55. Shtern V., Goldshtik a., J. Fluid Mech. 218.483. 1990.

56. Torrance K.E., Natural convection in thermally stratifield enclosures with localized heating from below. J. Fluid Mech. Vol.95. 1979. p.477-479.

57. Funakoshi M., Inoue S., Surface waves due to resonant horizontal oscillation. J. Fluid Mech. Vol.192. 1988. p.219-247.

58. Мингалеева Г.Р., Механика движения жидкости и газа по спирали на участках крутого поворота тракта. Письма в ЖТФ, 2002, том.28, вып.15, с.79-85.

59. Незлин М.В., Снежкин Е.Н., Вихри Россби и спиральные структуры. Астрофизика и физика плазмы в опытах на мелкой воде. Наука. 1990.

60. Гальперин Р.С., Метод ликвидации воронкообразования. Гидротехническое строительство, 1947г. №2.

61. Павельев А.А., ШтарёвА.А. Эксперимент по формированию вихря при вытекании жидкости из бака //Изв. РАН. МЖГ. 2001. №5. С.203-207.

62. Штарёв А.А. Экспериментальное исследование расхода при нестационарном истечении жидкости из заполненной ёмкости //Изв. РАН. МЖГ. 2005. №2. С.114-122

63. Павельев А.А., Штарев А.А. "Условия формирования нестационарных вихревых воронок" Электронный журнал "Исследовано в России", 249, стр. 2673-2683,2004 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/249.pdf

64. Павельев А.А., Штарёв А.А. Эксперимент по формированию вихря при вытекании жидкости из бака. Тезисы докладов XLIV Научной конференции МФТИ. Часть III. Изд. МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2001.

65. Штарёв A.A. Исследование изменения расхода жидкости при формирования вихря вблизи сливного отверстия. Тезисы докладов конференции «Не-За-Те-Ги-Ус» (Нелинейные задачи гидродинамической устойчивости) Института механики МГУ. Москва. 2004. Тез. докл.

66. Павельев A.A., Штарёв A.A. Экспериментальное исследование условий формирования концентрированного вихря при вытекании жидкости из цилиндрической ёмкости. Тезисы докладов Ломоносовской конференции МГУ. 2004.

67. Штарёв A.A. Экспериментальное исследование влияние вихревой воронки на изменение расхода жидкости. Тезисы докладов Ломоносовской конференции МГУ. 2004.