Методики аналитического и численного расчета гидравлических характеристик и конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат наук Константинов, Сергей Юрьевич

• Константинов, Сергей Юрьевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Константинов, Сергей Юрьевич

Оглавление

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние исследований эффекта кавитационной

стабилизации расхода жидкости

1.1 Кавитация: причины, виды, эффекты

1.2 Экспериментальные исследования

1.3 Теоретические исследования

1.4 Численные методы расчёта

1.5 Использование эффекта в гидроприводах

ГЛАВА 2. Рабочий процесс струйно-кавитационного стабилизатора расхода

2.1 Структура течения в СКСР

2.2 Методика расчёта гидравлических характеристик СКСР

2.3 Расчёт расходно-перепадных характеристик СКСР

ГЛАВА 3. Численная модель кавитационного массопереноса для расчёта

струйно-кавитационного стабилизатора расхода

3.1 Анализ структуры моделей кавитационного массопереноса

3.2 Оценка эффективности динамического компонента

3.3 Методика создания динамического компонента ЧМКМ

3.4 Новая ЧМКМ

3.5 Численное моделирования течения в СКСР

3.5.1 Методика моделирования

3.5.2 Расчётная сетка

3.5.3 Условия на границах сетки

3.5.4 Настройки параметров решателя

3.6 Результаты моделирования течения в СКСР

3.6.1 Моделирование без учёта кавитации

3.6.2 Моделирование моделью кавитации Zwart-Gerber-Belamri

3.6.3 Моделирование новой моделью кавитации

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования кавитации в струйно-

кавитационном стабилизатора расхода

4.1 Программа экспериментальных исследований

4.1.1 Объект и стенд для испытаний

4.1.2 Цель испытаний

4.1.3 Ход эксперимента

4.2 Обработка экспериментов в пакете Б1Ас1ет

4.2.1 Импорт данных в Б1Ас1ет

4.2.2 Фильтрование и аппроксимация данных

4.2.3 Визуализация результатов эксперимента в Б1Ас1ет

4.3 Результаты экспериментальных исследований

4.3.1 При постоянном давлении на входе

4.3.2 При постоянном давлении на выходе

4.3.3 Динамические характеристики СКСР

4.4 Верификация результатов численного моделирования с экспериментом

4.5 Верификация результатов аналитического расчёта с экспериментом

ГЛАВА 5. Исследование характера гидродинамических параметров струйно-

кавитационного стабилизатора расхода

5.1 Влияние геометрических и гидродинамические параметров СКСР на расход стабилизации и ширину зоны стабилизации

5.2 Методика расчёта конструктивных параметров СКСР

5.3 Пример расчёта конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Код методики аналитического расчёта гидравлических

характеристик струйно-кавитационного стабилизатора расхода

Приложение 2 Методика создания динамического компонента ЧМКМ

Приложение 3 Методика расчёта конструкционных параметров струйно-

кавитационного стабилизатора расхода

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики аналитического и численного расчета гидравлических характеристик и конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода»

Введение

Актуальность работы. Развитие гидравлических систем, связанное с повышением рабочих давлений, уменьшением массогабаритных характеристик, отказом от золотниковых управляющих элементов требует создания принципиально новых устройств гидроавтоматики, использующих в рабочем процессе эффекты механики многофазных сред. Одним из таких эффектов является газодинамический кризис истечения парожидкостного потока, иначе называемый - кавитационной стабилизацией расхода жидкости.

Кавитационная стабилизация расхода жидкости — положительный эффект гидродинамической кавитации, освещенный в трудах таких авторов, как Асекеге11., Кирсанов В. И., Уоллис Грэхем Б., Назаров Г. С., Лысенко В. Ф., Еремеев П. М., Мансуров В. И., Арзуманов Э. С., Нигматулин Р. И., Целищев В. А., заключающийся в «запирании расхода» при постоянном давлении на входе в кавитатор и переменном на выходе из кавитатора. Эффект кавитационной стабилизации расхода может широко применятся в гидроприводах для получения постоянной скорости гидродвигателя при различных нагрузках, разделения потока на две и более частей в различных пропорциях. Наиболее перспективным устройством, использующим эффект кавитационной стабилизации расхода жидкости и являющимся аналогом клапана расхода (регулятора расхода), является струйно-кавитационный стабилизатор расхода жидкости. Однако использование струйно-кавитационного стабилизатора расхода в гидроприводах ограничено несовершенством аналитических методик расчёта, которые не позволяют выполнить расчёт гидравлических характеристик (расхода стабилизации и ширины зоны стабилизации) на давлениях свыше 0,1 МПа, и численных моделей кавитационного массопереноса, которые не учитывают вязкость жидкости и, тем самым, не позволяют моделировать стабилизацию расхода для рабочих жидкостей с вязкостью свыше 10-15 сСт.

Таким образом, становится необходимым развитие аналитических методик и численных моделей кавитационного массопереноса для расчёта гидродинамических и конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода.

Работа выполнена в рамках реализации гранта по направлению «Ракетостроение» при участии в Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг. №П934 от 20 августа 2009 г. по теме «Разработка методов расчёта и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей», а также по НИР №2010 в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности на 2014 - 2016 гг.

Цель работы: Развитие аналитических методик и численных моделей кавитационного массопереноса для расчёта гидравлических и конструкционных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода.

Сформулированная цель и проведенный анализ проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследования диссертационной работы:

1) Анализ экспериментальных и теоретических исследований эффекта кавитационной стабилизации расхода, а также возможностей его использования в гидроприводах;

2) Разработка аналитической методики и численной модели для расчёта гидравлических характеристик струйно-кавитационого стабилизатора расхода;

3) Экспериментальные исследования гидравлических характеристик струйно-кавитационного стабилизатора расхода с последующей верификацией с результатами численного моделирования и аналитического расчёта;

4) Исследование влияния гидравлических и геометрических параметров на расход и ширину зоны стабилизации струйно-кавитационного стабилизатора расхода с последующей разработкой методики расчёта геометрических параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода.

Объектом исследования является струйно-кавитационный стабилизатор расхода жидкости типа «сопло-сопло».

Методы исследования базируются на системном анализе с применением: методов моделирования процессов механики жидкости и газа; методов современных средств численного моделирования многофазных течений; методов верификации на основе экспериментальных исследований.

Научная новизна результатов:

1) Методика аналитического расчёта гидравлических характеристик струйно-кавитационного стабилизатора расхода, основанная, в отличие от существующих, на теории турбулентных струй и сохранении пограничного слоя при кавитации, позволяющая рассчитать расход стабилизации, ширину зоны стабилизации, а также построить расходно-перепадные характеристики для давлений свыше 0,1 МПа;

2) Численная модель кавитационного массопереноса (ЧМКМ) для расчёта эффекта кавитационной стабилизации расхода, учитывающая, в отличие от существующих, вязкость жидкости, и позволяющая рассчитать гидравлические характеристики струйно-кавитационного стабилизатора расхода для рабочих жидкостей с вязкостью свыше 10 — 15 сСт;

3) Впервые предложена методика расчета конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода, позволяющая рассчитать его конструктивные параметры.

Обоснованность и достоверность результатов исследований и расчётов подтвериедается полнотой и обстоятельностью анализа процессов в струйно-кавитационном стабилизаторе расхода и адекватностью математических моделей, выбранных для решения поставленных задач; а также согласованностью с результатами экспериментальных данных, полученных при натурных испытаниях лично соискателем на уникальном стенде «Диагностика и идентификация гидросистем» производства компании Нус1ас (Польша) УНИЦ «Гидропневмоавтоматика».

Практическая значимость заключается в том, что разработанные методики по расчёту струйно-кавитационного стабилизатора расхода позволяют:

• на этапе исследований - провести анализ характеристик в широком диапазоне варьируемых геометрических и гидродинамических параметров для струйно-кавитационного стабилизатора расхода;

• на этапе проектирования - провести расчёт конструктивных параметров и гидравлических характеристик, разработку и доводку струйно-кавитационного стабилизатора расхода путём частичной замены натурных испытаний;

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях: всероссийская молодежная НК «Мавлютовские чтения» (Уфа, УГАТУ, 2009 -2014 гг.); всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2012 - 2014 гг.); международная молодёжная научная конференция «Королёвские чтения» (Самара, 2011, 2013); конференция «Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 14 публикациях, в том числе в 2 статьях в издании, рекомендованном ВАК и 2 статьях в издании, индексируемым в Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 75 наименований, содержит 131 страницу машинописного текста, в том числе 75 рисунков, 14 таблиц.

1 , 14

ГЛАВА 1. Современное состояние исследований эффекта кавитационной

стабилизации расхода жидкости

1.1 Кавитация: причины, виды, эффекты

Кавитация - это образование газовых пузырьков (каверн) в жидкости, возникающее в результате падения окружающего давления ниже давления газов (газовая кавитация) или давления насыщенных паров (паровая кавитация) [45, 7, 14]. Физической причиной кавитации является способность жидкости сопротивляться разрыву, иначе - разрывная прочность [22, 62, 59]. Воздействуя на жидкость (рис. 1.1) можно преодолеть или изменить предел разрывной прочности аж, тем самым вызвав кавитацию [62]. В соответствии с видом воздействий различают гидродинамическую, акустическую и тепловую кавитацию.

Гидродинамическое

Т— сопв!:; ож=р2",

Ок~Рпп1 "Т—>Рст|;

Рисунок 1.1 — Воздействия на жидкость, вызывающие кавитацию

Гидродинамическая кавитация. Согласно уравнению Бернулли для элементарной струйки жидкости [38]:

л+р£=Рг+е£, (1Л)

где р\, м>1 - давление и скорость в невозмущённой части струйки; м>2 — давление и скорость в точке кавитации; при возрастании скорости жидкости с туI до м?2 происходит падение статического давления р2. Если при этом статическое давление жидкости р2 упадёт ниже разрывной прочности ок, определяемой давлением насыщенных паров рш, начнётся гидродинамическая

кавитация. Характерной особенностью протекания гидродинамической кавитации является почти постоянная температура жидкости Т. Гидродинамическая кавитация возникает в диффузорах, трубках Вентури, центробежных насосов и на лопастях гребных винтов. Фотографии гидродинамической кавитации приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Гидродинамическая кавитация

Акустическая кавитация возникает при воздействии на жидкость ультразвуковых волн [11], которые понижают разрывную прочность жидкости ож ниже давления насыщенных паров, что приводит к активному парообразованию. Фотографии кавитационных областей при акустической кавитации приведены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Фотографии кавитационных областей (вода) на поверхности излучателя при различных интенсивностях ультразвукового поля [63].

Тепловая кавитация возникает при нагреве жидкости, когда давление насыщенных паров (или газов) возрастает до давления окружающей среды. Кавитация способна вызвать множество эффектов (рис. 1.4)

Рисунок 1.4 Эффекты кавитации

Тепловой эффект заключается в повышении температуры жидкости в потоке вследствие ударного повышения давления при коллапсе кавитационного пузырька [42]. В случае если пузырёк находится около стенки ударное точечное повышение давления приводит к разрушению поверхности. Значение давление можно найти различными методиками. Одна из методик нахождения значения давления представлена в работе [31]. Значения давления при схлопывании пузырька вычисляется в предположении, что происходит локальный гидравлический удар. Формула для нахождения ударного повышения давления:

-^гпах 5~ (1-2)

2 уа*

где: х — модуль упругости жидкости, А* - скорость звука, а* — радиус пузырька в момент схлопывания, р/ — плотность жидкости. В работе [36] произведён расчёт температуры нагрева жидкости при коллапсе одиночного кавитационного пузырька методом разбиения на сферы. Результаты расчёта показали, что жидкость вокруг пузырька способна точечно нагреться до 1300 С°. С целью использования полученной тепловой энергии создаются различные устройства, например, вихревые теплогенераторы [29].

Сонолюминисценция - свечение в кавитирующей жидкости в диапазоне от видимого света до рентгеновского излучения. Первое сообщение о данном явлении было опубликовано в 1933 году Маринеско и Трилатом. Экспериментальное изучение явления произвёл в 1964 году Ярмен. В 1966 году данное явление наблюдал Петерсон при кавитации в центробежном насосе. Полная история изучения данного явления приводится в работе [70]. В частности, исследования разделены на три этапа. На первом этапе (до 1940 г.) проводились эксперименты по фиксированию явления на фотоплёнку и оптические приёмники. Теоретических исследований при этом не проводилось. На втором этапе велись активные работы по установлению спектра сонолюминисценции. Так была обнаружена ультрафиолетовая часть спектра. Помимо этого были созданы некоторые теоретические модели сонолюминесценции. На третьем этапе (1970 - 2000 гг.) получено множество разнообразных фотографий с изображением явления. Было замечено, что часть фотографий является засвеченной. Методом проб и ошибок обнаружено рентгеновское излучение, которое засвечивало фотографии. Замерив интенсивность излучения, частоту, и применив к нему закон Вина, была теоретически вычислена температура в центре схлопывающегося пузырька -106 - 107 К и давление при сжатии каверны - 106 - 107 атм. В последнее время большинство исследователей считают верной электрическую природу сонолюминесценции [70, 51]. В работе [43] приводятся исследования сонолюминисценции при гидродинамической кавитации в сужающемся канале (рисунок 1.5). При опытах с веретённым маслом его исходный цвет изменялся по мере изменения давления. При давлении 25 - 30 атм. в объёме масла возникала турбулентность. В дальнейшем, при повышении давления турбулентность усиливалась. При давлениях 70 - 80 атм. в центральной и правой частях рабочей камеры появляется ярко светящийся, прямолинейный и слаборасходящийся пучок бело-голубого цвета (рисунок 1.5). Далее проводились насколько серий экспериментов с целыо выяснения характера

излучения детектором. Результатом эксперимента стала регистрация рентгеновского спектра излучения.

Рисунок 1.5 - Режимы работы камеры с кавитирующим веретенным маслом: а - исходная жидкость при малом давление Р < 20-25 атм.; б - давление в камере Р = 30 - 40 атм; в - яркое свечение направленной струи жидкости с кавитационными пузырьками при давление Р > 80 - 90 атм. [43]

Предполагается, что генерация рентгеновского излучения связана со схлопыванием пузырьков в жидкости. В дальнейшем возможно использование данного эффекта с целью получения рентгеновского излучения. На данный момент в качестве основной причины сонолюминисценции рассматривается электризация жидкости при кавитации. Электризация жидкости заключается в образовании некомпенсированных зарядов на границе межфазного раздела в кавитирующей жидкости. Для объяснения эффекта была создана теория локальной электризации жидкости [52]. Считается, что в факеле парогазовых пузырьков образуются некомпенсированные заряды, которые появляются на поверхности пузырька вследствие его деформации или расщепления надвое. В результате в потоке кавитирующей жидкости происходит пробой, провоцирующий люминесценцию.

Стабилизация расхода жидкости - положительный эффект гидродинамической кавитации, заключающийся в «запирании расхода» при

постоянном давлении на входе в жиклер и переменном на выходе из жиклера. При постоянном давлении на выходе из жиклера и переменном на входе эффект не наблюдается. Первые упоминания об изменении характера расходно-перепадных характеристик при кавитации появились в середине 30-х годов XX века в работах немецких инженеров [19]. В СССР аналогичные изменения характеристик наблюдал и описывал Кирсанов В. И. в 1951 г. [41]. Впервые эффект, как самостоятельный, был описан Уоллисом Г. в 1969 году [69] под названием «эффект запирания двухфазного одномерного течения в канале». Экспериментальные исследования эффекта в жиклерах были опубликованы Назаровым Г. С. в 1968 г. [55, 54], Лысенко В. Ф. и Еремеевым П. Ф. в 1970 году [47, 48]. В это-же время появились первые патенты на использование эффекта в гидроавтоматике [26]. Экспериментальные исследования эффекта кавитационной стабилизации расхода в струйных элементах типа «Сопло-сопло» были опубликованы Мансуровым В. И. в 1975 г. [49, 50]. Обобщение экспериментальных исследований эффекта в трубках Вентури и выявление общих закономерностей явления произвёл Арзуманов Э. С. в 1978 г. [28]. В 80-е годы XX века шло активное патентование стабилизаторов расхода и делителей потока различной конструкции, использующих данный эффект [61]. Впервые теоретическое объяснение данного эффекта на основе предположения с аналогией критического истечения газа из сопла было дано Нигматулиным Р. И. в 1988 г. [56]. Детальное исследование эффекта кавитационной стабилизации расхода в струйных рулевых машинах проводилось Целищевым В. А. в период с 1994 по 2000 гг. [34, 53, 40]. Результатом исследований стал новый струйно-кавитационный способ регулирования скорости гидропривода, а также гипотеза обратных струй для объяснения эффекта. В 2010 г. Целищев Д. В. впервые использовал для моделирования эффекта численные модели кавитации [72]. Стабилизация расхода может широко применятся в гидроприводах для получения постоянной скорости гидродвигателя при различных нагрузках, деления потока на две и более части в различных пропорциях. Однако

использование эффекта в гидроприводе ограничено связью р асхода стабилизации с давлением питания и геометрией, что ведёт к необходимости проектирования кавитирующего элемента под отдельно взятую гидравлическую систему. При проектировании кавитирующего элемента возникает проблема определения расхода стабилизации и ширины зоны стабилизации по давлению для заданной геометрии. В настоящее время расход стабилизации и ширину зоны стабилизации можно определить экспериментальным способом и численным моделированием.

1.2 Экспериментальные исследования

Эффект кавитационной стабилизации расхода возникает при одномерном двухфазном течении жидкости в трубках Вентури, насадках, струйных элементах и характеризуется изломом расходно-перепадной характеристики, за которым расход устанавливается почти постоянным и независящим от давления (расход стабилизации). Шириной зоны стабилизации принято считать разницу между давлением на входе в кавитатор и перепадом, при котором начинается излом. Поскольку эффект возникает только при постоянном давлении на входе в кавитатор, в экспериментах, как привило, изменяют давление на выходе насадка дросселем.

В насадках различной формы (рис. 1.6 а) эффект исследовался Назаровым Г. С. [55]. Эксперименты проводились с трубкой Вентури 1; диффузорами с различной длиной и диаметром критического сечения, но постоянным углом раскрытия 2, 3, 4; конфузорными насадками 5, 6, 7 с постоянным углом раскрытия и диафрагмами различной длины и диаметра 8, 9, 10. Конические элементы насадков выполнялись с углом раскрытия конуса 17°. Диаметры критического сечения насадков равнялись 3 или 4 мм. Выбранные размеры позволяли исследовать влияние геометрических параметров насадков на расход стабилизации и ширину зоны стабилизации, а выбор постоянного угла раскрытия конических элементов делал насадки геометрически подобными друг другу. Насадок устанавливался к изливу бака с постоянным уровнем 3 метра. Абсолютное давление на входе насадка составляло 1,3 атм.

б)

Рисунок 1.6 - Геометрические размеры а) и расходно-перепадные характеристики насадков б), исследованных Назаровым Г. С. [55]. Направление движения жидкости справа налево.

30 ш 30 ,

Полученные экспериментальные характеристики насадков (рис. 1.6 б) можно разделить на две группы: с эффектом стабилизации расхода 1, 2, 3, 4, 8, 9 и без эффекта стабилизации расхода 5, 6, 7, 10. Эффект стабилизации расхода возникает в трубке Вентури 1, диффузорах 2, 3, 4. Сравнивая их характеристики, можно сделать вывод о росте расхода стабилизации при увеличении диаметра критического сечения диффузора и трубки Вентури ((1ст1 < <2ст2 и £?стз < бстг). Ширина зоны стабилизации увеличивается с увеличением степени раскрытия диффузора и уменьшением его гидравлического сопротивления (Ар^ < Дрст3,4 < Дрстт)- Эффект не возникает в конфузорах 5, 6, 7. У диафрагм 8 и 9 с длиной критического сечения 4 мм и переменным диаметром расход стабилизации растёт с увеличением диаметра критического сечения (0Ст9 < бств) при постоянной ширине зоны стабилизации. В диафрагме 10 с длиной критического сечения 1 мм эффект не наблюдается.

Экспериментальные исследования эффекта стабилизации расхода в трубках Вентури различной конфигурации были выполнения Назаровым Г. С.

(влияние геометрических параметров) и Арзумановым Э. С. (влияние давления на входе) [55, 28].

Исследование влияния геометрических параметров (Назаров Г. С.) выполнялось при давлении на входе 0,85 атм. (рис. 1.7 а) для трубок Вентури трех групп: 1) канал - диффузор; 2) конфузор - канал; 3) диффузор. Диаметр трубопровода на входе и выходе в трубку Вентури был постоянным и равным 13,5 мм. Критический диаметр с1 и углы раскрытия а и Р трубок Вентури, а также длина канала / менялась у каждой группы (табл. 1.1).

{ж

■6м чч\\ч\\ч -4 ^ 1

\\\\\ЧЧЧЧЧ\Ч\*

№1

ш

а)

Рисунок 1.7 - Геометрические размеры а) и расходно-перепадные характеристики б) трубок

Вентури, исследованных Назаровым Г. С. [55]

Таблица 1.1 - Геометрические размеры трубок Вентури

Группа Номер Геометрические размеры трубок Вентури

каналов кривой с/, мм /, мм (3, град. а, град

1 5 30 5 —

2 5 30 7 —

1 3 6 30 12 —

4 6 30 20 —

5 3 20 50 —

Продолжение табл. 1.1— Геометрические размеры трубок Вентури исследованных Назаровым Г .С. [55]_

Группа Номер Геометрические размеры трубок Вентури

каналов кривой с1, мм 1, мм Р, град. а,град

6 3 20 7 —

1 7 3 30 12

8 3 30 14

9 3 20 — 60

2 10 3 20 — 45

11 3 20 — 30

12 3 — 5 —

3 13 3 — 7 —

14 3 — 10 —

15 3 — 12 —

Во всех полученных Назаровым Г. С. экспериментальных характеристик различных трубок Вентури наблюдается эффект кавитационной стабилизации расхода. Экспериментальные исследования трубок Вентури образованных каналом и диффузором (характеристики 1-8) показывают, что расход стабилизации растёт с ростом диаметра критического сечения (<2ст) < £>ст3) при безотрывном угле раскрытия диффузора (до 12°) и падает при увеличении угла раскрытия диффузора свыше отрывного (Ост4 < бстО- При постоянном диаметре и длине сопла и безотрывном угле диффузора наблюдался постоянный расход стабилизации (0СТб = бст7 = <2ст8 и 0СТ1 = ОСГ2)- Ширина зоны стабилизации уменьшается с ростом угла раскрытия диффузора (Л/?сх2 < ДрСТ1 и Д/?ст8 < Дрст7 < < А/?стб)> что объясняется ростом гидравлического сопротивления диффузора. Экспериментальные исследования трубок Вентури, образованных конфузором и каналом показывают, что при постоянном критическом диаметре 3 мм и постоянной длине канала 20 мм с ростом угла раскрытия конфузора наблюдается уменьшение расхода стабилизации (Остц > (2ст\о > О^), объясняемое ростом гидравлического сопротивления конфузора.

17

Экспериментальные исследования трубок Вентури образованных диффузором с постоянным диаметром 3 мм и углами 5, 7, 10, 12 градусов показывают незначительное падение расхода стабилизации при росте угла раскрытия диффузора, объясняемое погрешностями в измерении и изготовлении, и уменьшение ширины зоны стабилизации при росте угла раскрытия диффузора

(Л/?СТ12 > ААгг13 > ДРстМ > А/?СТ15).

Исследование влияния давления на входе (Арзуманов Э. С.) при течении жидкости в образованной каналом и диффузором прозрачной трубке Вентури (рис. 1.8) выполнялось для давлений 4,9; 6,9; 8,9; 10,4 атм. При этом проводились акустические замеры, позволившие, благодаря визуализации, определить моменты времени начала кавитации (Arc,) и образования устойчивой кавитационной зоны {km).

8 хГО5 Ла

Рисунок 1.8 - Геометрические размеры а) и расходно-перепадные характеристики б) трубки

Вентури, исследованной при различных давлениях на входе [28] Анализ экспериментальных характеристик показывает рост расхода

стабилизации и ширины зоны стабилизации с увеличением давления на входе в

трубку Вентури. Переход от бескавитационной зоны расходно-перепадной характеристики в зону стабилизации расхода происходит в определённом интервале перепадов давлений, который растет с увеличением давления на входе.

В струйных элементах впервые эффект исследовал Мансуров В. И. [49]. Объектом экспериментальных исследований послужил элемент типа «сопло-сопло», а целью стало определение оптимального соотношения диаметров приёмного и питающего сопла (безразмерного диаметра). Результаты экспериментов были сведены в безразмерные расходно-перепадные характеристики (рис. 1.9).

О

V 1,0

0,8 0,6 0,4 0,2

(1=1,8 / 1М /1,33

\ \ V

\ Щ

\ \ \

\ N

лД з,о \ 1,48/* 1,8 \ \ \\ \

0,72 / У2,0 \\ д

\ —V

у-1» 1 \

\ \ ь

\ л

О 0,2 0,4 О,В 0,8 р Рисунок 1.9 - Безразмерные расходно-перпадные характеристики струйного элемента типа «сопло-сопло» для различных безразмерных диаметров при

постоянном безразмерном расстоянии между соплами и давление на входе [49]

Результаты экспериментов показали, что эффект кавитационной

стабилизации расхода возникает при значенях безразмерного диаметра до 1,8. При большем значении безразмерного диаметра (от 2 до 3) эффект не наблюдался. Расход стабилизации увеличивался, а ширина зоны стабилизации уменьшалась с ростом безразмерного диаметра струйного элемента. Влияние геометрических параметров на расходно-перепадные характеристики струйного элемента «сопло-сопло» также исследовалось Целищевым В. А.

[34, 71]. Эксперименты проводились для давлений 14,3 МПа и 21,2 МПа с приёмным соплом постоянной геометрии. Результаты экспериментов были сведены в безразмерные расходно-перепадные характеристики (рис. 1.10).

Эксперименты показали, что с ростом диаметра струйной трубки, при постоянном давлении, расстоянии между соплами, диаметре приёмного сопла безразмерный расход стабилизации падает, что при переходе к безразмерному диаметру показывает рост безразмерного расхода стабилизации при росте безразмерного диаметра. Поскольку при

экспериментах оставалось постоянным расстояние между соплами и диаметр приёмного сопла, то при росте диаметра струйной трубки

происходило уменьшение

безразмерного расстояние между соплами, и соответственно, и падение безразмерного расхода стабилизации.

1.3 Теоретические исследования

Для объяснения эффекта стабилизации расхода существует две гипотезы: 1) «кризиса» двухфазного парожидкостного потока; 2) обратных струй.

Гипотеза «кризиса» двухфазного парожидкостного потока была впервые предложена Уоллисом (Wallis G. В.) [69] и основана на аналогии между критическим истечением из конического сопла с эффектом кавитационной стабилизации расхода. По этой гипотезе предполагается, что при кавитации смесь жидкости и газа становится критической, если при фиксированных параметрах торможения, изменяя давление на выходе из канала, невозможно добиться изменения расхода. Критической смесью, согласно гипотезе, является смесь, скорость течения которой равна скорости звука. Расход стабилизации через гидравлическое сопротивление при этом равен [56]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Константинов, Сергей Юрьевич, 2015 год

Список литературы

1.A. K. Singhai, h. Y. Li, M. M. Athavale, and Y. Jiang Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Asme Fedsm'Ol, New Orleans, Louisiana, 2001.

2. Acekeret J. Experimentelle und teoretische Untersuchungen über Hohlraumbuldung (Kavitation) im Wasser // Technische mechanik und thermodynamic, Berlin, 1930, №1. - ss. 1 - 22.

3. ANSYS CFX 12.0 Reference Guide. April 2009. ANSYS Inc.

4. ANSYS CFX 12.0 Theory Guide. April 2009. ANSYS Inc.

5. ANSYS CFX 12.0 User Guide. April 2009. ANSYS Inc.

6. ANSYS FLUENT 12.0 Theory Guide. April 2009. ANSYS Inc.

7. Brennen C. E. Cavitation and bubble dynamics - Oxford.; Oxford University Press, 1995.

8. DIAdem 11.0 Help. May 2008. National Instruments Ireland Resources Limited.

9. G. N. Schnerr, C. Vortmann, J. Sauer Numerical studies of flow in fuel injector nozzles - interaction of separation and cavitation. Buchbeitrag zum DFGSchwerpunktprogramm "Transiente Vorgange im mehrphasen Sustemen mit einer oder mehreren Komponenten", Wiley-VCH Weinheim, 1999.

10. G.H. Schnerr and J. Sauer Physical and Numerical Modeling of Unsteady Cavitation Dynamics. In Fourth International Conference on Multiphase Flow, New Orleans, USA, 2001.

11. Neppiras E. A. Acoustic cavitation // Phys. Repts. - 1980.

12. P.J. Zwart Numerical Modelling of Free Surface and Cavitating Flows. VKI Lecture Series, 2005.

13. P.J. Zwart, A.G. Gerber, and T. Belamri A Two-Phase Flow Model for Predicting Cavitation Dynamics. In Fifth International Conference on Multiphase Flow, Yokohama, Japan, 2004.

14. Pirsol I. Cavitation. Mills And Boon Ltd, London, 1972.

15. Plesset M.S. Bubble dynamics. Cavitation in real fluids. N.Y. 1965.

16. Plesset M.S. The tensile strength of liquid.. - Cavitation State of Knowledge. N

- Y, The ASME, 1969.

17. Plesset M.S. Zwick S.A. The growth of vapour bubbles in superheated liquids.

- Journ. Of Appl. Phys., 1954, v.25, N4, p.493-500.

18. Sauer J. Instationar kavitierende Strömungen - Ein neues Modell, basierend auf Front Capturing (VoF) und Blasendynamik - Karlsruhe, 2000 - 162 s.

19. Shell Tellus T Высококачественные гидравлические масла для широкого диапазона температур// Shell, 2011 - 3 с.

20. Vortmann С. Untersuchen zur Thermodynamik des Phasenubergangs bei der numerischen Berechnung kavitierender Dusenstromungen - Karlsruhe, 2001 - 132 s.

21. Wursthorn S. Numerische Untersuchung kavitierender Strömungen in einer Modellkreiselpumpe - Karlsruhe, 2001 - 185 s.

22. Young, F.R. Cavitation. McGraw-Hill Book Company, 1989.

23. Абрамович Г. H. Теория турбулентных струй. - М. Государственное издательство физико-математический литературы, - 1960. — 716 с.

24. Авторское свидетельство SU 1156014. Струйный стабилизатор расхода жидкости / Бочаров В. П., Коновалов В. М./ опубл. 15.05.1985 бюл. № 18.

25. Авторское свидетельство SU 356474. Стенд для проверки расходомеров и счётчиков жидкости / Бушуев В. А., Иванов А. Ф., Мальцев В. П., Сергеев Ю. Ф., Карпов Б. А./ опубл. 23.10.1972 бюл. № 32.

26. Авторское свидетельство SU 540152. Устройство для проверки и градуировки расходомеров / Ескараев Э. С./ опубл. 25.12.1976 бюл. № 47.

27. Авторское свидетельство SU 903816. Стабилизатор расхода жидкости / Ескараев Э. С., Заббаров А. Г./ опубл. 07.02.1982 бюл. № 5.

28. Арзуманов Э. С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. -М.: Энергия, 1978. - 304 с.

29. Ахметов Ю. М., Калимуллин Р. Р., Хакимов Р. Ф., Целищев В. А. Экспериментальные исследования вихревого течения жидкости в

теплогенераторе // Вестник УГАТУ: Научный журнал УГАТУ / УГАТУ. -Уфа: РИК УГАТУ, 2011 т. 15, №4 (44), с 169 - 174.

30. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. - М.: Мир, 1986. - с. 212.

31. Васильев А. П. , Павлов А. С. Ударное повышение давления при схлопывании изотермического кавитационного пузырька в вязкой жидкости // Вестник ОГУ 1 '(4) 2000. - стр. 80 - 84.

32. Газизов Р. К., Лукащук С. Ю., Соловьёв А. А. Основы компьютерного моделирования технических систем: учеб. пособие; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - УГАТУ, 2008. - 143 с.

33. Гидродинамика развитых кавитационных течений. Выпуск 2644. - М.: ЦАГИ, 2003.-116 с.

34. Гимранов Э. Г., Целищев В. А. Нестационарные гидрогазодинамические эффекты в системах гидравлических и пневматических приводов. — Уфа: УГАТУ, 2008.- 188 с.

35. Гиневский А. С. Теория турбулентных струй и следов. - М. Машиностроение, - 1969. - 401 с.

36. Дружинин Г. А. Влияние теплопередачи на нагрев стенки пульсирующего пузырька и и на переход периодических пульсаций в хаотические// Акустический журнал, 2008, том 54, №5 . - стр. 740 - 743.

37. Дьяконов В. П. Maple 9.5/10 в математике, физике и образовании — М.: СОЛОН-Пресс, 2006. - 720 с.

38. Емцев Б. Т. Техническая гидромеханика. - М.: Машиностроение, 1987. - 440 с.

39. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Госэнергоиздат, 1960. — 464 с.

40. Кириллов Ю.К., Русак A.M., Скорынин Ю.Н., Телицын Ю.С., Феофелактов В.И. Целищев В.А., Шараев В.А. Струйные гидравлические рулевые машины. - Уфа: УГАТУ, 2002. — 284с

41. Кирсанов В. И. Об истечении жидкости через жиклеры при больших перепадах давления. Оборонгиз, 1951.

42. Кнэпп Р., Дейли Д., Хэммит Ф. Кавитация - М.; Мир, 1974. - 687 с.

43. Корнилова А. А., Высоцкий В. И., Сысоев Н. Н., Десятов А. В. Генерация рентгеновского излучения при пузырьковой кавитации быстрой струи жидкости в диалектических каналах// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2009, №4 . - стр. 17 -26.

44. Лапчик М. П. Численные методы : учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / М. П. Лапчик, М. И. Рагулина, Е. К. Хеннер. - 4-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 384 с.

45. Левковский Ю.Л. Структура кавитационных течений - Л.; Судостроение, 1978.-224 с.

46. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

47. Лысенко В. Ф. Исследование расходных характеристик жиклеров. — Казань: РВКАУ, 1964. - 64 с.

48. Лысенко В. Ф., Еремеев П. М. О кавитационных характеристиках жиклеров// Известия ВУЗов: Казанский авиационный институт, 1970, №2 — стр. 118-123.

49. Мансуров В. И. Выбор конструктивных параметров струйных элементов// Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Вып. 3. - М.: Машиностроение, 1975, с. 271 -277.

50. Мансуров В. И. Исследование гидравлических струйных элементов с механическим отклонением струи. Дисс. - Киев: КИИГА, 1975. - 185 с.

51. Маргулис М. А. , Пильгунов В. Н. Свечение и электризация при течении диэлектических жидкостей в узком канале// Журнал физической химии, 2009, том 83, №8 . - стр. 1585 - 1590.

52. Маргулис М. А. Маргулис И. М. Современное состояние теории локальной электризации кавитационных пузырьков// Журнал физической химии, 2007, том 81, №1 . - стр. 136 - 147.

53. Месропян А. В., Целищев В. А. Моделирование струйных гидравлических рулевых машин. - Уфа: УГАТУ, 2008. - 211 с.

54. Назаров Г. С. К расчёту параметров кавитационного течения в гидравлических системах. - Инженерно-физический журнал, 1969, т. XVII, №3, - с. 423 - 429.

55. Назаров Г. С. Экспериментальное исследование кавитацнонных характеристик сужающихся насадков // Инженерно-физический журнал, 1968, т. XIV, №3, с. 1-3.

56. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Ч. II. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 360 с.

57. Патент на изобретение RU 2116524. Электрогидравлический следящий привод / Месропян А. В., Русак А. М., Феофилактов В. И., Целищев В. А./ опубл. 27.07.1998 бюл. №21.

58. Пермяков Г. С., Целищев Д. В. Исследование эффекта стабилизации расхода в струйных элементах// Вестник УГАТУ, 2010, том 14, №2 (37) - стр. 21-29.

59. Перник А. Д. Проблемы кавитации. - JL: Судостроение, 1966. - 120 с.

60. Развитие высокоскоростных затопленных жидких струй в режиме развитой кавитации / В. В. Воронин // Труды ЦАГИ, вып. 2427. - М.: БНИ ЦАГИ, 1957.-с. 17-32.

61. Расчёт и проектирование устройств гидравлической струйной техники/ В. П. Бочаров и др. - Киев: Техника, 1987. - 127 с.

62. Рождественский В. В. Кавитация. - JL: Судостроение, 1977. - 240 с.

63. Скоков В. Н., Решетников А. В. , Виноградов А. В. , Коверда В. П. Динамика флуктуаций и 1/f спектры при акустической кавитации// Акустический журнал, 2007, том 53, №2 . — стр. 168 - 172.

64. Стабилизированное турбулентное течение вязкой жидкости в плоском диффузоре. / Е. Е. Солодкин, А. С. Гиневский // Труды ЦАГИ, вып. 728. - М.: БНИ ЦАГИ, 1958. - с. 25 - 50.

65. Стенд «Диагностика и идентификация гидросистем с комплектом оборудования». Техническая документация. HYDAC Inc., ГОУ ВПО УГАТУ, 2008.-204 с.

66. Струтинский В.Б. Исследование характеристик гидравлических струйных элементов высокого давления.-Дисс.Киев.:КИИГА, 1979.- 177с.

67. Турбулентное течение вязкой жидкости в начальном участке диффузорного канала. / Е. Е. Солодкин, А. С. Гиневский // Труды ЦАГИ, вып. 728.-М.:БНИ ЦАГИ, 1958. - с. 3 - 24.

68. Турбулентный пограничный слой и сопротивление начального учатка осесимметричного расширяющегося канала с нулевым градиентом давления / Е. Е. Солодкин, А. С. Гиневский // Труды ЦАГИ, вып. 701. - М.: БНИ ЦАГИ, 1957.-с. 3-32.

69. Уоллис Грэхем Б. Одномерные двухфазные течения. - М. : Мир, 1972. — 440 с.

70. Хаврошкин О. Б., Быстров В. П. Сонолюминесценция и Sono-Fusion// Прикладная физика, 2007, №5 . - стр. 7 - 14.

71. Целищев В. А., Целищев Д. В. Гидравлическая машина со струйно-кавитационным регулированием // Вестник УГАТУ, 2006, т. 7, №2 с. 161 — 165.

72. Целищев Д. В. Методика расчёта струйно-кавитационной гидравлической рулевой машины с использованием методов математического и физического моделирования. Дисс. — Уфа, УГАТУ, 2010. - 289 с.

73. Целищев Д. В., Целищев В. А. Состояние и проблемы разработки струйных гидравлических рулевых машин // Вестник УГАТУ, 2004, т. 5, №2(10) с. 89-98.

74. Численное моделирование потоков в струйно-золотниковом гидроусилителе. / В. А. Целищев, Ш. Р. Галлямов, Д. В. Целищев // Вестник УГАТУ, Т.11, №2 (29). - Уфа: УГАТУ, 2008. - с.55-59.

75. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 712 с.