МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 6 • 2013
УДК 532.52
© 2013 г. И. И. КОЗЛОВ, С. А. ОЧЕРЕТЯНЫЙ, В. В. ПРОКОФЬЕВ
АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ В ЖИДКОЙ СТРУЙНОЙ ЗАВЕСЕ, РАЗДЕЛЯЮЩЕЙ ГАЗОВЫЕ ОБЛАСТИ С РАЗЛИЧНЫМИ ДАВЛЕНИЯМИ
Представлены результаты экспериментальных исследований автоколебательных режимов истечения струи жидкости в плоский канал с поддувом воздуха в заглушенную его часть. Изучалось влияние на течение объема каверны или воздушной подушки, ее толщины (или ширины канала) в широком диапазоне величин поддува газа и скоростей истечения жидкости. Автоколебательные режимы течения реализовывались при постоянном давлении воды в напорном баке и постоянном массовом расходе поддуваемого в подушку воздуха. С ростом поддува воздуха обнаруженный ранее автоколебательный режим сменяется более высокочастотным. Скоростная видеосъемка показала, что отличие от низкочастотного режима заключается в том, что здесь нет непосредственного взаимодействия истекающей струи со стенкой канала. Обнаружено, что в обоих режимах (низкочастотном и высокочастотном) частота и амплитуда автоколебаний не зависят от толщины подушки. Однако момент смены режимов определяется этим параметром. Выявлено существование порогового объема каверны, за которым при любых поддувах низкочастотного режима не возникает.
Ключевые слова: кавитация, струя, каверна, автоколебания, помпаж, унос газа, неустойчивость Рэлея—Тейлора, скоростная видеосъемка, эксперимент.
В Институте механики МГУ проведены экспериментальные исследования истечения струи жидкости в плоский канал, имеющий вентилируемую полость с повышенным по сравнению с внешним давлением. Таким способом моделировалось течение с образованием искусственной каверны с отрицательным числом кавитации, для которой характерно наличие вогнутой, неустойчивой по Релею—Тейлору границы.
Ранее отмечалось [1], что при сверхкритическом поддуве, кроме слабой нестационарности, связанной с развитием рэлей-тейлоровских волн [2], может возникнуть существенно нестационарный автоколебательный режим течения. Для автоколебательных режимов плоская экспериментальная установка хорошо подходит для моделирования задачи о создании области повышенного давления — воздушной подушки, ограниченной струйной завесой, как показано на фиг. 1, а. В эксперименте исследовалась половина показанного течения, которое также ограничено прозрачными боковыми стенками с зазором между ними 5 или 9 мм.
Фотография течения, полученная через боковые прозрачные стенки, приведена на фиг. 1, б. Струя воды вытекает из сопла 1 перпендикулярно экрану 5, слева образуется каверна 3 с повышенным давлением, справа имеется истечение жидкости и газа в атмосферу 4. Этому фото соответствует околокритический режим течения, в котором автоколебания не наблюдаются. Линии 7 — теоретические границы струи для критического режима, под которым здесь понимается предельный режим течения с присоединением струи к экрану без возвратной струи. На левой границе струи образуются волны или рэлей-тейлоровские структуры, благодаря которым в этом режиме происходит унос воздуха из каверны [2].
Цель работы — исследовать особенности поведения давления в подушке в зависимости от скорости струи, величины поддува воздуха и геометрии течения.
2 Механика жидкости и газа, № 6
4 H 3
4
5
Фиг. 1. Схема устройства (а) и формирование воздушной подушки с помощью струйной завесы (б): 1 — водяные сопла, 2 — поддув воздуха, 3 — воздушная подушка — каверна, 4 — внешнее пространство — атмосфера, 5 — экран, 6 — дно аппарата, 7 — теоретическая граница
Для конфигурации течения, показанного на фиг. 1, б, коэффициент уноса газа (для стационарного в среднем течения он равен коэффициенту поддува газа в полость Сд = Qg/Q^, где Qg — объемный расход поддуваемого в полость газа, Ql — расход жидкости) при критическом режиме истечения приблизительно равен 1 [3]. Дальнейшее увеличение давления в каверне (Рк = рк - ра, Р0 = р0 - ра рк, р0, ра — осредненное по времени давление в каверне, давление напора воды и атмосферное давление соответственно) или увеличение коэффициента давления в каверне Сй = Рк/Р0 сопровождается интенсивным ростом Cq. В теоретическом решении при сверхкритическом Cd струя перестает взаимодействовать с экраном; практически же появляется еще один механизм уноса газа — в газовой струе вдоль экрана. Кроме того, с увеличением поддува в некоторый момент течение становится нестационарным — автоколебательным.
Оказалось, что пороговое значение Cq, с которого начинают развиваться автоколебания, сильно зависит от объема каверны. Поэтому в эксперименте важно было исключить влияние объема подводящей воздух системы — это достигалось с помощью установленного на входе в рабочую часть крана, работающего в режиме критического течения воздуха (запирание). Этим обеспечивалось также постоянство массового рас-
10
15
20
25
С„
Фиг. 2. Зависимость коэффициента давления Сй в подушке от коэффициента поддува воздуха С' 1—4 — Н = 28, 39, 50, 70 мм; 5 — критические значения С* для всех Н
0
5
хода поддуваемого в каверну воздуха. В автоколебательном режиме пульсации давления имеют место не только в каверне, но и в подводящей воду магистрали. Давление напора Р0 подаваемой в установку воды стабилизировалось с помощью воздушной подушки в специальном баллоне, который был соединен с рабочей частью установки, армированной трубой длиной 1 м и толщиной 50 мм. Таким образом, для всех экспериментов подводящий воду участок (включающий кроме подводящей трубы еще фор-камеру и сопло [1]), в котором происходит нестационарное движение жидкости, фиксирован. Такая схема подвода воды и воздуха позволяет измерять их расходы в стационарных условиях.
1. Влияние ширины канала. Далее представлены результаты серии экспериментов, проведенных при сравнительно небольшом объеме каверны Ск = ^к/БИН ~ 5-15 (относительный объем каверны) при ширине сопла Б = 25 мм, величине зазора к = 9 мм и для различных величин толщины подушки Н (ширины канала).
Зависимости коэффициента давления в каверне от коэффициента поддува воздуха при четырех значениях толщины воздушной подушки показаны на фиг. 2. Среднее избыточное давление напора Р0 меняется от 0.02 до 0.07 МПа — некоторый разброс точек связан с имеющимся здесь масштабным эффектом, который, однако, для этих характеристик не столь заметен. Очевидно, что коэффициент поддува сильно зависит от толщины воздушной подушки. В отсутствие поддува воздуха при С9 = 0 в заполненной водой полости имеется повышенное давление, которое растет с уменьшением Н. Точки 5 на фиг. 2 отвечают критическим значениям С* для всех величин Н.
В исследуемой конфигурации критический коэффициент поддува С9 « 1, коэффициент давления в зависимости от поддува в докритической области С9 < 1 растет примерно линейно [3]. В представленном на фиг. 2 диапазоне расходов (сверхкритический поддув С9 > 1) зависимости хорошо аппроксимируются полиномами степени п:
0.4
0.2
А*
а А АЛ
^ А . а п |р|
ОДДД10^ р^дЬВшп
0
ААА А
А 1
А 2 □ 3 • 4
б я • • 1 А 2
Ч п □ □□ г & 3 4
/ дПФ □ ** А А □ □ □
20
40
Фиг. 3. Зависимости числа Струхаля (а) и относительного размаха колебаний А* (б) давления в каверне от коэффициента поддува газа в каверну при Р0 = 0.02 МПа: 1-4 — Н = 28, 39, 50, 70 мм
п = 4 для 1 и п = 3 для 2-4. При всех исследованных значениях толщины подушки
критическая величина коэффициента давления С* больше коэффициента давления в отсутствие поддува на одинаковую величину порядка 0.1 [3]. Из данных фиг. 2 для сверхкритических условий следует, что чем больше толщина подушки, тем более эффективен сверхкритический поддув с точки зрения достижения повышенного давления в подушке. Например, при Н = 70 мм давление можно увеличить на 90%, а при Н= 28 мм только на 27%. Причем максимальное давление в подушке для всех случаев достигается при Сд « 20, а далее коэффициент давления немного уменьшается.
Обратимся к изучению пульсационных характеристик автоколебательных режимов течения. На фиг. 3 представлены зависимости числа Струхаля St = fD/V^ (/ — частота автоколебаний, V, = у/2Р0/р — характерная скорость истечения струи) и относительного размаха колебаний давления в каверне А* = А/Р0 (здесь А — средний размах колебаний давления в полости за период измерений) от коэффициента поддува газа в каверну при одинаковом среднем напоре Р0 = 0.02 МПа и различных толщинах воздушной подушки.
2
p -pa, атм 0.4
0.2
0 0.4
0.2
а
S П 1—1 1
л 1 б
f
в
V\__''
t, c 0 50 100 150 /, Гц
Фиг. 4. Картина перехода режимов с ростом поддува при P0 = 0.02 МПа, Н = 28 мм. Низкочастотный режим Cq = 6.4 (а), переходный Cq = 13.8 (б), высокочастотный ^ = 21.5 (в)
Из фиг. 3, а следует, что с ростом поддува при некотором его значении происходит скачкообразное изменение частоты пульсаций давления в каверне. Отметим, что здесь число Струхаля определялось по ведущей частоте в спектре. Переход к этой высокочастотной моде отличается от перехода от синусоидального к помпажному режиму, который по частоте и амплитуде непрерывен [1]. Видно, что в обоих НЧ и ВЧ режимах число Струхаля не зависит от толщины подушки Н и возрастает с ростом коэффициента поддува примерно по линейному закону. Однако от толщины подушки существенно зависит момент перехода от низкочастотного к высокочастотному режиму.
Из данных фиг. 3, б видно, что средний по времени размах колебаний для рассмотренной здесь геометрии течения заметно падает при переходе к высокочастотному режиму. Интенсивность колебаний заметно увеличивается с ростом поддува в низкочастотном режиме и сравнительно слабо меняется в высокочастотном режиме. Также из фиг. 3, б следует, что интенсивность колебаний в исследованном диапазоне не зависит от толщины подушки, а вот пороговая величина С существенно зависит, и переход к высокочастотному режиму происходит тем раньше, чем меньше Н.
Исследования показали, что смена автоколебательных режимов в зависимости от поддува происходит не скачком, а занимает целый диапазон изменения коэффициентов поддува. На фиг. 4 приведены три осциллограммы пульсаций давления в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.