Брызгообразование под влиянием газовых потоков и удара тел о воду. (К вопросу забрызгиваемости судов) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат технических наук Маменко, Юрий Николаевич

• Маменко, Юрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маменко, Юрий Николаевич

Основные обозначения

Введение.

Глава I. Описание установки. Методика испытаний.

Результаты .предварительных исследований

§ I. Описание установки аппаратуры и методика исследования брызгообразования

§ 2. Определение скоростей в плоской газовой струе, текущей вдоль поверхности жидкости

Глава П. Исследование прогибов жидкой поверхности и волнообразования под воздействием плоских газовых струй.

§ 3. Состояние исследований прогибов жидкой

•поверхности.

§ 4. Постановка эксперимента

§ 5. Анализ изгиба жидкой поверхности с позиций теории размерностей и обсуждение результатов измерений.

§ 6. Расчетное определение параметров изгиба жидкой поверхности для тонких газовых струй и сравнение с экспериментальными измерениями

§ 7. Исследование подъема жидкой поверхности под газовой струей при наличии возвышения сопла

§ 8. Определение параметров волн на поверхности жидкости при воздействии на неё плоских газовых струй

§ 9. Постановка экспериментов и описание полученных результатов.

§ 10. Анализ вознообразования с позиций теории размерностей

Глава Ш. Исследование брызгообразования

§ II. Постановка эксперимента.

§ 12. Анализ физического механизма брызгообразования при помощи кинограмм, фотографий и визуализаций течений жидкости и газа

§ 13. Исследование критических условий, соответствующих началу брызгообразования, с вариацией сред газ-жидкость,.

§ 14,. Результаты опытных исследований интенсивности брызгообразования.

§ 15, Исследование законов интенсивности брызгообразования с поверхности жидкости . • • •

§ 16. Исследование дисперсности брызг, срываемых с поверхности жидкости воздушными потоками.

§ 17. Сравнения расчетов брызговых потоков с результатами исследований в ОНА.

§ 18. Оценка брызговых концентраций в приводном слое атмосферы и забрызгиваемости судов во время шторма.

§ 19. Брызгообразование при движении СВП

Глава 1У. Исследование брызгообразования при входе клиньев в воду.

§ 20. Изучение параметров брызговых струй

§ 21. Определение объемов воды, выбрасываемых брызговыми струями.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Брызгообразование под влиянием газовых потоков и удара тел о воду. (К вопросу забрызгиваемости судов)»

Проблема забрызгиваемости и её актуальность. Известно, что в процессе своей эксплуатации суда подвергаются воздействию целого ряда внешних факторов, одним из которых является забрызгивае-мость.

Забрызгиваемость судов может существенно влиять на их эксплуатационные характеристики. Так, при отрицательных температурах брызги вызывают интенсивное обледенение, что может привести к потере остойчивости и гибели судна /4, 39, 60, 73, 92., 94, 107, 114/. Оседание брызг на корпусе быстроходных аппаратов увеличивает их сопротивление /31, 35/. Частицы воды, попадая через воздухозаборники в двигательные установки, в различные палубные механизмы, в систему воздухопроводов, вызывают их эрозию и коррозию /4, 10, II, 35/. Брызги создают помехи работе навигационного оборудования, ухудшают видимость из ходовой рубки, затрудняют обслуживание механизмов и устройств, установленных в открытых местах /23/.

Перечисленные последствия забрызгиваемости с очевидностью указывают на практическое значение этой проблемы и необходимость её исследования.

Успешное исследование забрызгиваемости судов невозможно без знания законов и причин брызгообразования, а также поведения капель после их отрыва от поверхности моря.

Можно выделить два основных механизма образования брызг, участвующих в забрызгиваемости. Один из них связан с взаимодействием корпуса судна с водной поверхностью. Сюда относятся удары корпуса о воду /43/, образование брызговых струй при глиссировании /70, 79/. Другой механизм образования брызг связан с взаимодействием воздушных потоков с поверхностью воды. Такое брызгообразование особенно интенсивно во время сильных штормов, когда ветер срывает капли и частицы воды с гребней волн /55,57/. Аналогичные процессы происходят при движении судов с аэродинамическими принципами поддержания (суда на воздушной подушке, эк-раноплаыы). Здесь интенсивное брызгообразование обусловлено воздействием воздушных струй на водную поверхность А, 10, II, 35/.

Следует указать, что проблемы забрызгиваемости судов, брыз-гообразования и поведения капель после отрыва от поверхности воды, несмотря на их практическое значение, до сих пор остаются мало исследованными,. По-видимому это объясняется тем, что указанные проблемы сложны и зависят от большого количества факторов. С брызгообразованием связан весь комплекс свойств, который обычно опускается в целях упрощения рассмотрения задач. Вязкость, весомость, поверхностное натяжение, турбулентность, устойчивость, фазовые переходы - вот далеко не полный перечень факторов, влияющих на образование и последующее движение брызг. Все это создает существенные трудности как экспериментального, так и теоретического исследования,

С другой стороны на общем фоне повышения безопасности плавания и улучшения эксплуатационных характеристик судов вопросы, связанные с забрызгиваемостью, становятся все более актуальными и требуют своего решения.

Предмет исследования и состояние вопроса. Настоящая работа посвящена исследованию проблем, имеющих непосредственное отношение к забрызгиваемости; обычных судов, а также судов и аппаратов с динамическими принципами поддержания. Это - брызгообразование при воздействии газовых потоков на поверхность воды и брыз-говые струи, образующиеся при входе тел в воду. При проведении исследований основное внимание уделялось изучению физики этих процессов.

Имеющиеся работы по брызгообразоЕанию потоками воздуха с поверхности воды можно разбить на две группы, К первой относятся исследования, связанные со срывом брызг с поверхности океана под действием ветра. Эти исследования выполнены в основном специалистами, в области океанологии и физики моря. Во второй группе работ содержатся некоторые сведения о брызгообразовании при воздействии на поверхность воды воздушных струй, в основном вертикальных.

Первые результаты измерения брызговых потоков над океаном опубликованы Вудкоком /120/ и Блиновым /12/.

Блинов занимался измерением горизонтального потока солевых частиц и капель воды над сушей на расстояниях от береговой полосы от 20 до 600 м. Скорость ветра в процессе измерений находилась в пределах 10-16 м/сек. Улавливание производилось на приемные пластины, которые устанавливались на высотах от 0,5 до 6 м над уровнем моря. На небольших расстояниях от береговой полосы максимум брызгового потока оказался на высоте примерно 1,52,5 м. Этот факт в работе /55/ объясняется тем, что с уменьшением высоты измерений концентрация капель увеличивается, а скорость ветра, значит и капель уменьшается. Таким образом, поток капель, равный произведению скорости на концентрацию, будет иметь максимум на некоторой высоте от уровня моря. По измерениям Блинова средний размер капель в момент отрыва от поверхности моря равнялся 3,6*1СГ^м. Концентрация капель в 20 метрах от линии берега на высоте 2. м составила около it? капель м3. Блинов также установил, что спектр капель по размерам узок (80 % капель имеют радиус, ж) - Горизонтальный брызговой поток - количество капель, пролетающих в единицу времени, через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению ветра, жж)- Концентрация капель - количество капель в единице объема воздуха. отличающийся от среднего не более чем на 10"^ - 1,5 • м).

Вудкок /120/ проводил свои измерения на башне маяка на высоте 38 м над уровнем моря, скорость ветра равнялась 27-30 м/сек. Во время измерений определялся горизонтальный поток солевых ядер при помощи приемных пластин и сборников. Согласно полученным данным количество частиц соли в единице объема воздуха составляла (3 + 4) • I03 м""3. Диаметры капель находились в пределах 0,9*1СГ^м.

Очевидно, что такие размеры характерны для капель, поднимающихся на большую высоту в результате турбулентного переноса.

Позже были проведены исследования образования брызг в аэродинамической трубе. Так, Мур и Мейсон /10 Ч/ занимались определением скорости образования ядер соли с массой больше 2* кг при срыве брызг соленой воды. Максимальная скорость воздушного потока в аэродинамической трубе соответствовала скорости ветра

16 м/сек над морем на высоте 10 м. При этих условиях скорость об

5 ? Т разования ядер составляет 4*10 J м~~ сек . Этот результат, достаточно хорошо согласуется с оценкой, полученной теми же авторами, на основании анализа кривых распределения ядер по размерам над океаном.

Лабораторные измерения брызгообразования над поверхностью воды были выполнены Окуда и Хаями /10.8/. Эксперименты проводились в аэродинамическом лотке длиной 14,7 м глубиной воды 0,43 м и высотой слоя воздуха над водой 0,57 м. Брызговые измерения в этих экспериментах выполнялись с помощью листков фильтровальной бумаги, ж) Скорость образования ядер соли определяется как количество капель, образующихся с единицы площади водной поверхности в единицу времени, жж) При переходе от скорости воздуха в аэродинамической трубе к скорости ветра над морем на высоте 10 м авторы пользуются тем, что профиль скоростей в приводном слое воздуха в опытах и на море подчиняется логарифмическому закону. которые устанавливались на 5-10 сек у подветренного торца лотка перпендикулярно к продольной оои канала. Количество воды, попавшей на бумагу, определялось разностью веса листков до и после опыта. Срыв брызг начинался при ветре II м/сек и постепенно усиливался с ростом скорости. Горизонтальный поток воды в брызгах31^ уменьшался с ростом высоты над водной поверхностью. На высоте 0,30 м он составлял 10$, от величины потока на уровне 0,10 м. На результаты измерения не оказывали заметного воздействия волны, создаваемые волнопродуктором. Однако, с увеличением крутизны волн, скорость начала брызгообразования уменьшалась,

Тоба /117/ исследовал зависимость скорости образования брызг от скорости ветра. Измерения проводились в аэродинамическом лотке. На основании полученных данных для скоростей воздушного потока, соответствующих скоростям ветра 15-23 м/сек на высоте 10 м над уровнем моря, была получена следующая зависимость:

D =Д5есср[0)ЛСг1ю-15)] где D - скорость образования брызг

L15 - скорость образования брызг при = м/сек - скорость ветра на высоте 10 метров Тоба /116/ считает, что основной причиной образования капель является охлопывание на поверхности воды воздушных пузырьков, которые образуются при обрушении гребней волн, Аналогичных взглядов придерживается целый ряддругих авторов /55, .99, 121/. ж) Горизонтальный поток воды в брызгах - масса воды, переносимая в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению движения воздуха.

С помощью скоростной киносъемки были изучены различные фазы разрушения пузырьков на поверхности морской воды. Согласно полученным данным можно различить две стадии разрушвния пузырьков:

1) полусферическая оболочка пузырька лопается в наиболее тонкой верхней части, разбрызгиваясь при этом на множество мелких капель.

2) после разрыва верхней части жидкой оболочки со дна пузырька извергается струйка, при распаде которой образуется от I до 5 капель.

Если образуется одна капля, то её диаметр равен примерно I/IO диаметра пузырька.

Иной точки зрения на механизм брызгообразования придерживается Pay /112/.

Согласно его исследованиям процесс срыва брызг с гребней волн значительно более эффективен, и концентрация солевых ядер с то Г массой больше 10"" кг может достигать 10 частиц на один кубический сантиметр. Однако, Роль /57/ высказывает сомнение в том, что срыв брызг в лабораторных условиях должен быть таким же, как и в природе.

Работа Монагена /106/ интересна тем, что в ней сделана попытка сопоставить результаты измерений в натурных условиях с лабораторными данными. В этой работе содержатся наиболее полные сведения о брызгах в непосредственной близости от морской поверхности. Его экспериментальная установка состояла из фотокамеры и осветителя, установленных на специальном поплавке. Поплавок ориентировался по ветру с помощью плавучего якоря таким образом, чтобы брызги пролетали между осветителем и фотокамерой. Форма поплавка обеспечивала малые вертикальные перемещения установки относительно водной поверхности и приблизительное постоянство высоты камеры над поверхностью воды при волнении. Высота равнялась 0,13 м.

Камера была направлена навстречу лучу, идущему от осветителя, и изображение капли, пролетающей перед камерой, имело вид яркого диска с темной точкой в центре. Благодаря фокусировке объектива четкие изображения получались только для тех капель, которые попали в заданный объем (около 7,7*10"^ м3)« Источником света служила импульсная лампа-вопышка с экспозицией IZ млсек и интервалом между вспышками 1,5 сек. В процессе экспериментов производилось измерение скорости ветра. Наблюдения проводились в прибрежных и открытых районах Атлантического океана при разгонах от I до 900 км; и скоростях ветра до 16 м/сек.

Чтобы перейти от концентрации капель в воздухе к скорости их образования с единицы поверхности, Монаген предположил, что начальные вертикальные скорости капель определяются механизмом выброса струйки при охлопывании пузырьков, Скорости образования брызг при ветре II и 16 м/сек, вычисленные Монагеном по измеренным; концентрациям, оказались сопоставимыми с результатами Тоба /117/, полученными в лабораторных исследованиях.

Преображенский /54/ находил распределение по размерам брызг и зависимость массовой концентрации капель от высоты над морской поверхностью с целью оценки влияния брызгообразования на показания термоанемометра. Полученные им распределения капель по размерам качественно согласуются с результатами Монагена. Значения концентраций получились на 2-3 порядка ниже. Согласно результатам Преображенского распределение массовой концентрации брызг s по высоте 2- может быть аппроксимировано выражением

9$(г)=$>0ехр (- Н0-г) ж) Массовая концентрация капель - масса брызг в единице объема воздуха. где Н0 - постоянная, примерно равная высоте волны

- некоторая величина, зависящая от скорости ветра

Приведенные выше сведения о брызгообразовании соответствуют сравнительно небольшим скоростям ветра 16-20 м/сек. Однако,известно, что особенно интенсивное брызгообразование в море наблюдается при ветровых скоростях, превышающих 25 м/сек. Так, при скорости ветра 25-29 м/сек состояние моря по шкале Бофорта характеризуется следующим образом: "Поверхность моря покрыта слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость значительно уменьшена". Краус /37/ так характеризует состояние воздуха вблизи поверхности океана при ураганном ветре: ". он недостаточно плотен для того, чтобы плыть, но слишком плотен, чтобы в нем дышать". При таких условиях натурные измерения концентрации брызг никогда не проводились. Однако Буччинг /86/ попытался оценить брызговое сопротивление конструкций в море при ураганном ветре 50 м/сек. В сеоих расчетах он принял массовую концентрацию капель C)s = 2.0 кг/мЗ и скорость капель равной половине скорости ветра. Его расчеты привели к брызговой нагрузке в 8 раз большей аэродинамического сопротивления. При этом сам автор отмечает, что принятое значение возможно существенно отличается от действительных концентраций.

Интересные результаты о брызгообразовании содержатся в работе /102/, авторы которой занимались изучением профилей скорости в приводном слое воздуха с учетом наличия в нем брызг. Исследования проводились в аэродинамическом лотке при скоростях воздуха до 20 м/сек. В процессе экспериментов определялись зависимости от скорости и высоты над водой таких характеристик брызгообразования, как горизонтальные массовые потоки брызг, горизонтальный поток числа капель, брызговое ударное давление, массовая концентрация брызг. По оценке авторов этой работы, основанной на экспериментальных измерениях в лотке, брызговое сопротивление при ураганном ветре 50 м/сек (скорость ветра на высоте 10 м) составляет примерно от аэродинамического сопротивления, а массовая концентрация брызг на высоте 10 м имеет порядок 0,4: кг/м3. Полученные значения примерно в 50 раз меньше значений, полученных Бучингом и на несколько порядков превышают значения брызговых концентраций полученных в работах /54, 100, 106, 106, 117, 121,/.

Если допустить, что приведенные в /102/ сведения соответствуют действительности, то при расчетах остойчивости судов в условиях сильного шторма необходимо учитывать брызговое сопротивление; До сих пор этот фактор специалистами в области теории корабля никак не рассматривался.

Ряд сведений о брызгообразовании под действием вертикальных воздушных струй содержится в работах /19, 41, 80, 81, 82., 83/. Согласно этим исследованиям образование брызг происходит по следующей схеме. Струя воздуха, воздействуя на поверхность жидкости., образует впадину. Воздушный поток, двигаясь вдоль впадины, вырывается приблизительно по касательной к её контуру. Поверхность впадины теряет устойчивость, В результате образуются волны, с гребней которых происходит срыв брызг. Капли уносятся газовым потоком и дробятся. Траектории полета брызг определяются их размерами, и полем скорости, в газовой струе при выходе воздуха из впадины.

Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время существует множество нерешенных вопросов в области брызго-образования.

Так, отсутствует единое мнение о механизме брызгообразования. Одни авторы считают, что основная масса брызг возникает при охлопывании пузырьков воздуха, образующихся в результате обрушения гребней волн, другие полагают, что наиболее эффективен механизм брызгообразования, связанный со срывом пены и гребешков волн под действием ветра, а Л.А.Эпштейн и А.В.Савков объясняют брызгооб-разование стягиванием жидких пленок с гребней за счет касательных напряжений. Результаты расчетов и оценок брызговых характеристик отдельных авторов иногда отличаются на порядки. Таким образом, имеющиеся сведения по вопросу брызгообразования не позволяют достоверно) определить, какие факторы и при каких условиях являются главными!, а какими можно принебречь. До сих пор не ясно влияние на брызгообразование свойств газовой и жидкой сред, что не позволяет выявить критерии моделирования образования брызг, а также оценить масштабные эффекты при использовании лабораторных измерений для натурных условий. Как видно из обзора, большинство авторов при переносе лабораторных данных на морские условия не рассматривают возможные масштабные эффекты, принебрегая ими. Некоторые исследователи не согласны с этим /50, 57/, Например Роль /57/, как указывалось выше, сомневается в том, что срыв брызг в лабораторных условиях происходит так же, как и в натурных.

Существенное значение с точки зрения забрызгиваемости судов имеют вопросы, связанные с распределением брызг по размерам и зависимостью концентрации брызг от высоты над водной поверхностью. Однако, имеющиеся сведения не позволяют обоснованно оценить эти характеристики для различных реальных условий,

Б изучении брызгообразования и забрызгиваемости при ударах корпуса судна о воду можно выделить три основных направления. Первое связано; с исследованиями на натурных судах в море. Обширные экспериментальные исследования в этом направлении были, выполнены сотрудниками: научно-исследовательского института Арктики и антарктики /13, 24, 39, 40, 75 и др./. В этих работах собран интересный фактический материал о забрызгиваемости судов в морских условиях и о факторах, оказывающих существенное влияние на брызго<-образование.

Второе направление связано с экспериментальными исследованиями в опытовых бассейнах /76/. При этом обеспечивается моделирование по числу Фруда и считается, что такие испытания дают возможность сравнительной оценки забрызгиваемости судов и не дают представления о реальных параметрах брызгообразования, например о высоте подъема брызг, о количестве воды, поднимаемой при ударах корпуса о воду. Это связано с тем, что в условиях опытового бассейна не обеспечивается полное моделирование процесса брызгообразования.

Третье направление основано на изучении погружения плоских профилей в воду /4,3, 51/. При этом предполагается, что в первом приближении можно воспользоваться методом плоских сечений. Такая постановка задачи существенно упрощает вопрос и дает возможность использования теории погружения в идеальную жидкость клиньев /44, III, 118/. В работах этого направления роль основного параметра забрызгиваемости выполняет скорость в брызговой струе l3c > даны методы расчета этой скорости, получены формулы для определения критической скорости, соответствующей образованию всплеска воды над палубой, и формулы для расчета среднего числа всплесков над палубой за единицу времени, при движении судна в море. Таким образом материалы, приведенные в этих работах позволяют проводить сравнение различных судов с точки зрения их забрызгиваемости, но не дают представления о количествах воды, поднимаемых в виде брызг и высотах их подъема, а именно эти характеристики представляют существенный научный и практический интерес.

Важные результаты получены в работе Л.А.Зпштейна /79/, в которой выполнено теоретическое исследование масштабных эффектов при моделировании тонкой сводчатой струи,а также при определении размеров, высоты подъема и дальности полета брызг, образованных при глиссировании. Из работы следует, что масштабный эффект для сводчатой струи существенен, если величина —толщина сводчатой струи, l)c ~ начальная скорость вылета струи) сравнима с единицей, и что размеры струй, полученные при модельных испытаниях, будут относительно меньше натурных. При этом масштабный эффект в основном определяется размерами модели и практически не зависит от размеров натуры. Противоположные результаты получены при изучении размеров, высоты подъема и дальности полета брызг. Капли, из которых состоят брызговые струи у натуры, оказались по абсолютной величине меньше, чем у модели, высота и дальность полета капель относительно уменыпились. Масштабный эффект существенно усиливается при увеличении размеров натуры. При рассмотрении сводчатых и брызговых струй считалось, что начальные параметры выдета струй и капель известны.

В случае погружения клиньев в воду начальные параметры можно расчитать по формулам, которые получены в теории о входе клиньев в идеальную невесомую жидкость. Однако, при этом необходимо проверить насколько теоретические параметры брызговых струй будут совпадать с измерениями! при входе клиньев в реальную жидкость - воду.

Необходимо отметить, что при исследовании масштабных эффектов сводчатых струй /79/ предполагалось, что границы струи неподвижны относительно окружающей среды и поэтому влияние воздуха на её форму отсутствует. При погружении клиньев границы струи будут перемещаться относительно воздуха и это должно привести к дополнительным масштабным эффектам.

Таким образом имеющиеся сведения а брызговых струях при входе клиньев в воду и высотах подъема брызг ограничены, а вопрос об объемах воды, выбрасываемых при погружении клиньев практически не исследован.

Цель работы и постановка задач. Основная цель работы при исследовании брызгообразования потоками, воздуха заключается в выяснении физического механизма срыва брызг с водной поверхности, в определении закономерностей интенсивности брызгообразования с последующим использованием полученных результатов для оценки брызгообразования судами на воздушной подушке и забрызгиваемости обычных судов в условиях сильного шторма брызгами, сорванными ветром с гребней волн.

У судов на воздушной подушке и у некоторых типов экранопла-нов и гидросамолетов брызгообразование происходит под воздействием щелевых газовых струй. Поэтому для лабораторных исследований была выбрана сопловая модель установки, на которой воспроизводилось брызгообразование с поверхности жидкости под действием плоских газовых струй. Плоская постановка задачи позволяет сравнительно в упрощенной схеме изучать физику процесса брызгообразования. С другой стороны, исследование масштабного эффекта, связанного с увеличением размеров плоских газовых струй, решает вопрос о возможности использования полученных данных для оценки брызгообразования аппаратами: и ветром на море.

По литературным сведениям и результатам предварительных исследований было установлено, что брызгообразование, вызываемое воздействием воздушной струи на воду, сопровождается и тесно связано с такими явлениями, как: прогибы жидкости.', волнообразование, касательные напряжения и нормальные давления на водную поверхность.

В связи с этим были сформулированы следующие конкретные задачи:

1. Изучение полей скоростей газовых струй и сил трения газа о водную поверхность.

2. Исследование прогибов жидкой поверхности.

3. Исследование образования волн вдоль впадин.

4. Исследование механизма срыва брызг с гребней волн.

5. Исследование интенсивности брызгообразования с поверхности жидкости,а также изучение масштабных эффектов с использованием, вместо воздуха и воды, других сред газ-жидкость.

6. Исследование распределения сорванных объемов жидкости по размерам капель.

7. Использование проведенных исследований для оценки интенсивности брызгообразования и забрызгиваемости в натурных условиях.

При исследовании брызгообразования погружающимися в воду клиньями основными целями являлись:

1. Получение экспериментальных данных о параметрах брызговых струй в процессе погружения клиньев в воду и сравнение полученных данных с теорией для идеальной жидкости.

2. Экспериментальное исследование максимальной высоты подъема брызг.

3. Определение объемов воды, выбрасываемых брызговыми струями. Для упрощения исследований рассматривалась плоская постановка задачи. Скорость, погружения клина была равномерной. После погружения клиньев до верхней кромки производилась их мгновенная остановка и дальнейшее движение жидкости происходило по инерции.

Из-за сложности изучаемых вопросов основная роль в данной работе отводится экспериментальным методам исследований в сочетании с методами теории размерностей и подобия.

Научная новизна. При исследовании брызгообразования потоками воздуха получены следующие основные результаты:

Исследованы прогибы поверхности жидкости под действием наклонных плоских газовых струй, результаты обработаны в соответствии с теорией размерностей и подобия, получены формулы, определяющие величину прогибов в характерных точках, водной поверхности, аналогичные исследования выполнены по определению осредненных характеристик волнения, возникающего на поверхности впадин; исследован вопрос о критических условиях, соответствующих началу срыва брызг, причем в процессе экспериментов варьировались физические свойства сред газ-жидкость (были исследованы среды воздух-вода, воздух-ртуть, вода-ртуть), проведены исследования механизма срыва брызг с гребней волн с использованием визуализаций течений в жидкости и в газе, выполнены экспериментальные измерения интенсивности брызгообразования, установлены критерии моделирования и получена формула для расчета этой характеристики; исследован вопрос о распределении брызговых объемов по диаметрам капель, определены формулы для расчета кривых распределения ; на базе полученных результатов выполнены оценки интенсивности брызгообразования СВП и оценки брызговых концентраций над поверхностью моря при. сильном ветре ►

При исследовании брызгообразования клиньями получены данные о параметрах брызговых струй в процессе погружения клиньев, о максимальных высотах подъема брызг, а также об объемах воды, выбрасываемых брызговыми струями.

Практическая ценность диссертации состоит: в определении критериев моделирования и механизма брызгообразования с поверхности жидкости под действием газовых потоков, что может быть использовано при экспериментальных исследованиях забрызгиваем.ости судов и аппаратов с динамическими принципами поддержания (СВП, экранопла-ны); в разработке подходов к оценке брызговых концентраций над морем* при сильном ветре и брызговых объемов, срываемых в единицу времени, при парении СВП над поверхностью воды; в получении данных о брызгообразовании клиньями, что может быть использовано при изучении забрызгиваемости при ударах корпуса судна о воду.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первых трех главах изложены результаты исследования брызгообразования потоками воздуха. :В четвертой главе описаны исследования по брызгообразованию при входе тел (клиньев) в воду.

Заключение диссертации по теме «Теория корабля и строительная механика», Маменко, Юрий Николаевич

Результаты работы могут быть использованы научно-исследовательскими, проектно-конструкторскими и другими организациями, занимающимися исследованием мореходных качеств обычных судов и аппаратов с аэродинамическими принципами поддержания, исследованиями процессов взаимодействия приводного слоя атмосферы и океана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Б работе получены следующие основные результаты:

1. На базе экспериментальных данных, при получении которых широко использовались различные физические методы: вариация физических свойств жидкости путем специальных добавок в воду (глицерина, поверхностноактивных веществ) и заменой сред газ-жидкость (воздух-вода, воздух-ртуть, вода-ртуть), различные виды визуализации течений в газе и в жидкости, специальные методы кино и фотосъемок, опыты с использованием имитаторов (пленок на поверхности жидкости, жестких волновых профилей и т.д.) - исследован механизм брызгообразования с поверхности жидкости под действием плоских газовых струй.

2. Подробно изучены сопутствующие брызгообразованию явления, такие как - прогибы жидкости под действием газовых струй и образование волн, получены формулы для оценки параметров этих явлений.

3. Исследованы критические условия, соответствующие началу брызгообразования, получен безразмерный критерий, определяющий эти условия.

4. На базе экспериментальных измерений, исследований механизма срыва брызг с гребней волн, а также теоретического анализа получена формула для расчета интенсивности брызгообразования, исследован масштабный эффект при моделировании этой характеристики.

5. Исследован вопрос о распределении сорванных объемов воды по диаметрам капель, получены формулы для расчета кривых распределения.

6. Выполнен анализ возможности использования полученных формул для расчетов брызговых концентраций и брызговых потоков в приводном слое атмосферы при сильном ветре, разработаны подходы к оценке этих параметров.

7. Выполнены оценки интенсивности брызгообразования судами на воздушной подушке в режиме висения или медленного движения.

8. Исследованы параметры брызговых струй, образующихся при погружении клиньев в воду, получены формулы для оценки максимальной высоты подъема брызг при ударах килеватых профилей о воду, исследованы масштабные эффекты.

9. Показано, что при моделировании такой характеристики брызгообразования, как объем выбрасываемой воды при погружении тел в воду, необходимо учитывать масштабный эффект, связанный с влиянием критерия Эйлера.

Апробация работы основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ВУЗов Минрыбхоза СССР в г.Калининграде (1973 + 82 г.г.), Всесоюзных научно-технических конференциях "Экспериментальная гидромеханика судна" (г.Одесса, 1977 г.; г.Калининград, 1980 г., 1982 г.).

В полном объеме работа была рассмотрена и одобрена на заседании кафедры теории корабля Калининградского технического института рыбной промышленности и хозяйства (3 мая 1983 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Маменко Ю.Н. Исследование брызгообразования с поверхности жидкости воздушными потоками. - В сб: Тезисы докладов ХУ1 Всесоюзной конференции по экспериментальной гидромеханики судна (Калининград 1982 г.). - JI.: Судостроение, 1982.

2. Маменко Ю.Н. Исследование взаимодействия плоских газовых струй с жидкостью. - В сб: Экспериментальная гидромеханика судна. -Л.: Судостроение, 1980, вып. 336, с. 53-58.

3. Маменко Ю.Н. О форме и размерах впадин, образующихся при воздействии на поверхность жидкости наклонных плоских газовых струй. Труды / КТИ, "Мореходные качества промысловых судов".

Калининград, 1980, вып. 90, с. II3-II7.

4. Маменко Ю.Н. Определение условий начала брызгообразования при воздействии на поверхность жидкости плоской газовой струи. Труды / КТИ "Мореходные качества промысловых судов". -Калининград, 1980, вып. 90, с. I09-II2.

5. Маменко Ю.Н. Экспериментальное исследование брызговых струй, образующихся при входе клиньев в воду. Труды / КТИ "Анализ мореходных качеств промысловых судов". - Калининград, 1977, вып.73, с.61-64.

6. Маменко Ю.Н. Исследование брызгообразования при входе килеватых обводов в воду. - В сб.: Тезисы докладов ХП Межвузовской научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников Калининградских ВУЗОВ Минрыбхоза СССР. - Калининград, 1984, с.43-44.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маменко, Юрий Николаевич, 1983 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М. : Наука, 1976. - 888 с.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. -М. : Физматгиз, I960. 824 с.

3. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М. : Госэнергоиздат, 1948.

4. Адасинский С.А. Транспортные машины на воздушной подушке. -М. : Наука, 19 64. 108, с.

5. Астахов И.В. Влияние вязкости топлива и других факторов на мелкость, распыла. "Дизелестроение", 1939, № 2.

6. Бартковский P.O. О механизме взаимодействия океана и атмосферы при шторме. Труды / ГГО. ~ I. : ГГО, 1972:, вып.282,с.

7. Бай Ши-и. Теория струй. -М. : Физматгиз, I960.- 326 с.

8. Баренблат Г.И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке, занимающем, полупространство или плоский канал конечной глубины. Прикладная математика и механика, 1953, т.17, с.261-2;74.

9. Баренблат Г.И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке. Прикладная математика и механика, 1955, т.19,с.61 68.

10. Белавин Н.И. Экранопланы. JI. : Судостроение, 1977,- 281 с.

11. Бенуа Ю.Ю. и др. Основы теории судов на воздушной подушке. -JI.: Судостроение, 1970.

12. Блинов JL.K. О поступлении морских солей в атмосферу и о значении ветра в солевом балансе Каспийского моря. Труды /Г0ИН.~- Л. : Гидрометеоиздат, 1950, вып. 15, с. 67-112.

13. Борисенков Е.П., Панов В.В. Основные результаты иперспективы исследований гидрометеорологических условий обледенения судов. В сб. : Исследование физической природы обледенения судов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972, с.5-33.

14. Бородин В.А., Клячко Л.А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. М. : Машиностроение, 1977. - 207 с.

15. Бютнер Э.К. Динамика поверхностного слоя воздуха. -Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 158 с.

16. Витман Л.А., Канцельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкости форсунками* М. : Госэнергоиздат, 1962. - 264. с.

17. Волынский М«С. Изучение дробления капель в газовом потоке. ДАН СССР, 1949, т.68;, № 2., с.237-240.

18. Волынский М.С. О дроблении капель жидкости в потоке воздуха. ДАН СССР, 1948:, т.62., № 3, с.301-304;.

19. Вольгрот И.Э. Экспериментальное определение аэродинамической силы, действующей на диск центральной вертикальной газовой струей, направленной на воду. В сб. : Экспериментальная гидромеханика судна. - Л.: Судостроение, 1976, вып.241, с.75-79

20. Гире И.В^, Русецкий А.А., Нецветаев Ю.А. Испытания мореходных, качеств судов. Справочник. Л. : Судостроение, 1977.- 191 с.

21. Горшков А.С., Русецкий А.А. Кавитационные трубы. I: Судпромгиз, 1962. - 191 с.

22. Давидан И.Н. Зависимость вероятностных характеристик волн от ветра. В сб. : Теоретические и практические вопросы мореходных качеств судна. -Л. : Транспорт, 1967, с 236-255.

23. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И. На встречу со штормами.--JI. : Гидрометеоиздат, 1982. 136 с.

24. Доброклонский G.B., Контобайцева П.З., Ха За Хуэн.

25. Об эмпирических зависимостях элементов ветровых волн от скоростей ветра. Океанология, 1973, т.13, вып. 5, с.776-781.

26. Доронин Ю.П. Взаимодействие атмосферы и океана. Л. : Гидрометиоиздат, 1981. - 288 с.

27. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1975. - 456 с.

28. Злобин Г.П., Симонов Ю.А. Суда на воздушной подушке. --Л. : Судостроение, 1971. с.

29. Капица П.Л. К вопросу об образовании ветровых морских волн. ДАН СССР, новая серия, 1949, т. 64, с

30. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1970. - 284 с.

31. Колмогоров А.Н. О новом варианте гравитационной теории движения взвешенных наносов. Вестник МГУ, 1954, № 3,с. 41-45.

32. Колызаев Б.А., Косоруков А.И., Литвиненко В.А. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания. JI. : Судостроение, 1980. - 4:71 с.

33. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. М. : Физматгиз, 1963, ч.1 - 583 с.

34. Краус Е.Б. Взаимодействие атмосферы и океана. JI. : Гидрометеоиздат., 1976. - 276 с.

35. Крылов Ю.М* Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. JI. : Гидрометеоиздат, 1966. - 255 с.

36. Култашев Е.Н., Панов В.В. Результаты исследования обледенения судна типа СРТ в натурных условиях. В сб.: Технология судостроения. - Л.: Судостроение, 1970, № I, с.94-98.

37. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М. : Физматгиз, 1059. - 699 с.

38. Липис В.Б., Ремез Ю.В. Безопасные режимы штормового плавания судов. М. : Транспорт, 1982. - 117 с.

39. Логвинович Г.В. Гидродинамика течений со свободными, границами. Киев. : Наукова думка, 1969. - 208 с.

40. Луговский В.В. Динамика моря. Л.: Судостроение, 1976.- 199 с.

41. Лышевский А.С. Процессы распыливания топлива дизельными форсунками). М.: Матгиз, 1963. - 324: с.

42. Лышевский А.С. Распыливание топлива в судовых дизелях.- Л.: Судостроение, 1971. 248 с.

43. Маккавеев В.М. О процессах возрастания и затухания волнмалой амплитуды и о зависимости их от расстояния по наветренному направлению. Труды / ГТИ., 1937, вып. 3-5.

44. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Механика Турбулентности. М. : Наука, 1965, ч.1. - 639 с.

45. Океанология. Физика океана. М. : Наука, 1978, т. I.- 455 с.

46. Осипов О.А. Приближенное решение о погружении контура в весомую жидкость. Труды / ЦНИИМФ - JI.: Транспорт, 1972,вып. 14:0, с.

47. Пивоваров А.А. Термика океана. Изд.- МГУ, 1979. - 208 с.

48. Прандтль Л.М. Гидроаэромеханика. М.: Изд.иностр.лит., 1951. - 576 с.

49. Преображенский Л.Ю. Оценка содержания капель-брызг вприводном слое атмосферы. Труды /ГГО - Л.: Гидрометеоиздат, 19.72., вып.282,с.

50. Процессы переноса вблизи поверхности раздела океан атмосфера. - Л. ; Гидрометеоиздат, 1974. - 239 с.

51. Ржеплинский Г.В. Новый метод анализа и расчета элементов ветровых волн. Труды / ГОИН - Л.: Гидрометеоиздат, 1968, вып.93, с. 5-52.

52. Ролль Г.У. Физика атмосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 399 с.

53. Саламандра Г.Д. Фотографические методы исследованиябыстропротекающих процессов. М.:йаука, 1974. - 2.00 с.

54. Сведруп Г., Мунк В. Ветер, волнение и зыбь. Теоретические основы прогноза. В сб.: Основы предсказания ветровых волн, зыби и прибоя.- М.: Изд.иностр.лит., 1961, с.15-87.

55. Севастьянов Н.Б. Остойчивость промысловых судов. Л.: Судостроение, 1970. - 200 с.

56. Седов Л.И. Плоские задачи гидромеханики и аэродинамики*- М. : Наука, 1966. 448 с.

57. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 19.71. - 536 с.

58. Степанов Г.Ю. Особенности гидродинамического расчета струйной завесы над поверхностью воды. Судостроение, 1965, №9, с. 6-8

59. Стрет Д.В. Теория звука. М.: Гостехиздат* 1955, т.2.-- 476 с.

60. Темцев Б.Т. Техническая гидромеханика. М. : Машиностроение, 1978. - 463 с.

61. Трёш Г., Гроссман П. К закону распределения размеров капель при распыливании. Вопросы ракетной техники, 1954, вып. 4(22.), с. 77-80

62. Трёш Г. Распиливание жидкости. -Вопросы ракетной техники, 1955, вып. 4 (28).

63. Федяевский К.К., Войткунский Я.И., Фадеев Ю.И. Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1968. - 568. с.

64. Физика быстропротекающих процессов. М. : Мир, 1971.--519 с.

65. Филиппов А.И. Брызговые характеристики плоско-килеватой пластины, глиссирующей с постоянной скоростью по опокойной поверхности. Афтореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н.- Л.: ЛЖ, 1963. - 19 с.

66. Филлипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л. : Гидрометеоиздат, 1980. - 319 с,

67. Цельник Д.С, Нелинейная задача о тонкой струе, вытекающей на поверхность тяжелой жидкости. Изв.АН СССР, МЖГ, 1967, с.

68. Цой Л.Г. Анализ аварии СРТ "Бокситогорск" и аварийного состояния СРТ "Атамань". В сб.: Теоретические и практические вопросы остойчивости и непотопляемости, судов, - А. : Транспорт, 1968, с. 208-223.

69. Чугаев P.P. Гидравлика. JI. : Энергоиздат, 1982. --672 с.

70. Шарапов А.В. Об интенсивности обледенения судов типа ОРТ. В сб. Теоретические и экспериментальные исследования условий обледенения судов. -Л.: Гидрометеоиздат, 1971, с. 95-97.

71. Шмидт М.В. Исследования вопросов остойчивости морских судов в условиях брызгового обледенения. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - Л. : 1973. - с.

72. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М. : Наука, 1974. - 711 с.

73. Шулейкин В.В. Физика моря. М. : Наука, 1968.- 1083 с.79» Эпштейн Л.А. Методы теории размерностей и подобия взадачах гидромеханики судов. Л. : Судостроение, 1972. - 207 с.

74. Эпштейн Л.А., Вольгрот И.Э. Деформация водной поверхности под влиянием газовой струи. В сб. : Экспериментальная гидромеханика судна. - Л. : Судостроение, 1967, вып. 88, с.

75. Эпштейн Л.А», Вольгрот И.Э. О впадине, образующейся при воздействии вертикальной газовой струи, на поверхность жидкости*-Труды / ЦАГИ М„ i ЦАГИ, 1967, № 1061, с.

76. Эпштейн Л.А., Вольгрот И.Э. Некоторые вопросы взаимодействия газовой струи с поверхностью жидкости. Доклад на 3-ем Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике. - М. : 1968.

77. Эпштейн Л.А., Вольгрот И.Э. Некоторые задачи и методы исследования брызговых потоков и их воздействия на тела. В сб.: Экспериментальная гидромеханика судна. - Л.: Судостроение, 1973, вып. 193, с. 83 - 90.

78. Busching F., "Wave Speay Loadings on Of fs hose Steuctu-ees Undee 95yna:mic Loading ,ed. 1. HoEand , TapU PubBi-shess Moeway, 1976.

79. ChasnocK H. Wind 5teess on watee Surface "Quust. j.Roy. MeteosoE. Soc.", 195!), 51,№ 350, 639-6A0.

80. SDavis R., Каус Б.Н. Peoceedingso{ of Simposium of Dntesaction between Fluids and Pastures. Dnst. of Chen). 6nges , Lnd., 1962. 69. Fortmann E. Пбеге tur6u£ente StrahEansbreitung. Dngenieup Archiv, bd. 5 , № 1.42-54.1934.

81. Giffen 6. und Murasiew A. The atomisation of Ecguidfi^s. London , 1953.

82. GEauert Ю. The waff jet, Dournae of FEuid Ulecha-niss, vi ,№6, 1956.

83. Hay R.F.M. Meteorogica? aspects of the £oss of the

84. LoreEEa" and „ Roderigo" WocEd Fishing , juEv , 1956.

85. Hinze J . Fun da merit a £s of hydsodynamic mechanism of spEitting in dispersion process. American Dnstitute ChemicaE Engineering JouenaE , JNM , 1955.94. ШСО OFV-ШД Л. 09.05.

86. Jeffreys Н. On the formation of warter Ьц wind. „ Ргос.1. Roy Soc.", 1925, А11096. jenkins 9D.C. The acceEeeation water deops by atestream о| constant reEative velocity. London , 1961.

87. Johnson A. j. , Bsalda L. „The Canadian JournaP of

88. ChenucaE Engineering , Vol 35,1P4, 1957.

89. KeEvin ( TKo-mson W.) MatematecaE acid physleaE papers, v. IV, Gambridge University Press, 1910.

90. KneEman F. , £>on\6rowski N., Hewitt £>.M. Mechanism of the bursting bubb&es. Nature 173, 1954.

91. Lai R.J., Shem din O.M. Laboratory 5tudy o| the Generation o| Spray over Wates. JouznaE of GeophisicaE Reseaech , VoE.79, juPy 1974.

92. Littaye G. Sue une theorie de 8a puEverisation des jets Eicj,uid —Ccmpte Rendus hebdomdaires des seancesde E'AcadeTnie des Sciences Voe.217,1943.

93. Macha J. M. Norton S).3., Jensen S). Modeling the MariNe atmospheric boundary Eager including the effectsof sea spray ADAA"BO"0216 . January 14"1& . 19S0.

94. TTUEes JM 0r\ the generation of surface wavesby Sheas fEows. „ j. FEuid Ulech1957, VoE 3 , №2.

95. TRiEEer hJ. On the |iEEing of hurricane SDonna (1960) oves Eand. „ TflonthEy Weathes Rev." 1964, 92, №9, 389-406.

96. Moore , Mason BJ. The concentration , size distribution and production rate of Earge saEt nucEei over the oceans. Quart. Roy. MeteoroE. Soc.fiO. 1954.

97. Monahan E.G. Sea sprag as a ^unetion of Eowelevation wind Speed-J. Geophys. Res,V.73,№4 ,1966. 107. Oceanogsaphlc aiEas o| the Роба? Seas. Pub. 705,1. Washington, 1957-1956.

98. ЮВ. Okuda 5. , Hayamls, Experiments on evepozatlon ^com wavy water surface Rec. Ocean. Works Japan,V.S.,1, 1959.

99. Tleumann 0. Ubes die КотпрЕехе Tlatus des See-gangs. „ ^Deutsche Hydeog?. 2s" 1952, Bd 15 H2, 5.15

100. PhlEElps O.M. On the genesatlon o| waves 6y tu?bu

101. Cent wind. „ j.Ftuld TTlech." 1957,VoE2, №1.

102. Pierson 3.2X The penetuation o| a |£uld sur|ace by a wedge. -Dnst. Aeronaut. Sci. Rep. 551, 1950.

103. Rau W. Experimental Untersuchungen liber die Eczeugung von SaEitetbhen aus den Meeren . Geofls .

104. Рига APPe. 55, 115-120, 1956.

105. Japan , VoE.46, iT°-3 , J une 1966.

106. Wagnee H. Ubes Stoss und GEeitvosgange dtz Обегffcache you Ftusslgkeiten 2AMM,A, N9-215, 1932. 119. We is M., Wosskm C. AtomUatlon li\ high Ve(?ocUij сиг-streams „ A-mesican Rocket Society1. Jou^nae " 1959,VoL297 №4.