М ЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 3 • 2015
УДК 532.5.073:532.522.2:534.143
ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИИ В ВИХРЕВОМ ГЕНЕРАТОРЕ ПРОТОЧНОГО ТИПА
© 2015 г. О. В. ШМЫРКОВ
Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН, Москва e-mail: shmyrkov@nwmtc.ac.ru
Поступила в редакцию 21.04.2014 г.
Приведены результаты экспериментального исследования кавитации в проточном генераторе вихревого типа. Показано, что при втекании в камеру генератора высоконапорных тангенциальных и радиальных струй в генераторе возникает развитая кавитация. С наибольшей интенсивностью кавитационные процессы протекают в донной области. Интенсивность кавитации в этой части генератора существенно зависит от типа втекающих струй, расположения мест их втекания относительно дна, геометрии проточной части и величины давления на входе и выходе генератора.
Ключевые слова: кавитация, втекающие струи, эрозия, колебания, давление, частота, амплитуда.
В волновой технологии, базирующейся на возбуждении нелинейных колебаний и волн в многофазных средах, важную роль играют гидродинамические генераторы проточного типа [1]. В таких генераторах колебания возбуждаются проходящим потоком жидкости, которая служит одновременно обрабатываемой и рабочей средами для аппаратов. Среди гидродинамических генераторов проточного типа особое место занимают вихревые генераторы, в которых используются закрученные потоки для возбуждения мощных колебаний и волн в многофазных средах. Теоретические основы протекания волновых процессов в многофазных средах заложены в работах [2—4]. Оптимизация спектральных характеристик колебания давления в гидродинамическом вихревом генераторе проточного типа по геометрическим и гидродинамическим параметрам проведена в [5]. Расчетные исследования механизма возникновения колебаний давления в генераторах этого типа изложены в [6]. В зависимости от интенсивности и способа воздействия обрабатываемые среды могут приобретать новые качества и физико-химические свойства. Одним из способов активного воздействия на обрабатываемые среды служит управляемая кавитация. Изучению физической и гидродинамической природы кавитационных процессов, а также широкому спектру их проявлений, таких как разрушение материалов, кавитационный шум и вибрация, изменение физических и химических свойств многофазных сред во многих странах уделяется значительное внимание [7—10]. Однако данные по кавитации в гидродинамических вихревых генераторах проточного типа обнаружены не былы.
Цель данной работы — исследование кавитации в генераторе этого типа, выявление основных параметров, определяющих возникновение, развитие и интенсивность протекания кавитационных процессов.
1. Методы и средства эксперимента. Испытания проходили на гидродинамическом стенде, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1.
dk л ¿с 3 4 8
/ : ^ \
Т ;
/I
А-А
2
2
Фиг. 1. Принципиальная схема гидродинамического стенда с рабочей камерой; 1 — насос, 2 — манометры, 3 — гидродинамический генератор колебаний, 4 — рабочая камера, 5 — контрольный образец из свинца, 6 — датчик давления, 7 — осциллограф, 8 — дроссель, 9 — расходомер, 10 — регулировочный вентиль
Генератор представлял собой цилиндрический стакан, в боковой стенке которого были выполнены два тангенциальных или радиальных канала диаметром йу = 2 мм для подачи жидкости в камеру генератора. Эти каналы могли смещаться относительно дна на расстояние до 1у = 20 мм, где 1у — расстояние от поверхности дна до ближайшей кромки выходных отверстий каналов. Диаметр камеры генератора изменялся в диапазоне йк = 5^10 мм. Камера генератора была выполнена длиной 1к = 40 мм для получения максимальной амплитуды колебаний давления в нем [5]. В качестве рабочей среды использована водопроводная вода при температуре Т = 25°С. Давление воды на входе в генератор изменялось в диапазоне Рп = 5^10 МПа; на выходе РоШ = 0.1^2 МПа. Эти давления измерялись манометрами класса 1, расход и температура воды измерялись датчиками с погрешностью ±1%. Для измерения пульсаций давления в рабочей части за генератором установлен пьезоэлектрический датчик давления типа 701А фирмы "КАзйег". Запись и обработку их спектров проводили с помощью осциллографа "Ьесгоу".
В центре дна и на боковой поверхности камеры генератора на расстоянии I = 30 мм от дна проводили измерение давления манометрами и вакуумметрами класса 0.5. Для измерения интенсивности кавитации на дно камеры генератора и на ее боковую поверхность устанавливали съемные контрольные образцы в виде диска, изготовленные из свинца методом литья в форму, и цилиндрические вставки, изготовленные из оптически прозрачного оргстекла, соответственно. Вес образца т0 = 10 г. Образцы до и после испытаний взвешивали на электронных весах с погрешностью ±0.001 г и фотографировали.
Продолжительность испытаний составляла в этом случае 1 час. Интенсивность кавитации определялась как разница между весом образца до (т0) и после (т) эксперимента, отнесенная к начальному весу образца Дт* = (т0—т^)/т0 [10].
Дм* 0.12
0.08 -0.04 -
Фиг. 2. Фотографии следов эрозии контрольных образцов после испытаний генераторов с тангенциальными (а) и радиальными (б) каналами, при = = 10 мм и зависимости Дм* = /(РоШ) при Рп = 5 МПа, Рои1 = 0.05-0.1 МПа, 0 = 20 л/мин,
2. Результаты и обсуждение. Эксперименты показали, что в случае, когда цилиндрические поверхности каналов соприкасаются с донной поверхностью (1у = 0) при втекании тангенциальных струй в камеру генераторов с йк = йс = 10 мм; йк = 10 мм, йс = 5 мм и с йк = йс = 5 мм при Рп = 5 МПа, РоШ = 0.1 МПа эрозии на дне не наблюдалось, и взвешивание образцов показало, что Дм* = 0. При увеличении давления жидкости на входе в эти генераторы до значения Рп = 10 МПа на донных поверхностях появляются две симметрично расположенные зоны эрозии в виде множества мелких лунок.
Втекание радиальных струй в камеру генератора с йк = йс = 10 мм при Рп = 5 МПа, РоШ = 0.1 МПа, 1у = 0 приводит к образованию мощной эрозии на всей донной поверхности. При этом интенсивность кавитации достигает величины Дм* = 0.124 (фиг. 2).
При смещении тангенциальных каналов на 1у = 5 мм (I* = \у/йк = 0.5) к выходу генератора с йк = йс = 10 мм при Рп = 5 МПа, РоШ = 0.1 МПа на донной поверхности в ее периферической части возникает эрозия, но в виде кольцевой канавки. С увеличением
Т = 25°С (в): I* = 0.5 (1), 2 (2), 0 (3); канал — тангенциальный (1, 2), радиальный (3)
Г
я».
14
V »
Дм*
0.12
0.08
0.04
0
Фиг. 3. Фотографии следов эрозии контрольного образца после испытаний генератора с тангенциальными каналами при Рп = 5 МПа, Рои/. = 0.1 МПа, /* = 1, когда йк = = 10 мм, Дм = 156 мг (а) и = 10 мм, с1с = 5 мм, Дм = 1383 мг (б) и зависимости Дт* = /(/*) для донной поверхности генераторов с тангенциальными и радиальными каналами при Рп = 5 МПа, Рои/. = 0.1 МПа (в): = 10 мм, = 5 мм (1); йк = йс = 10 мм (2, 3); канал тангенциальный (1, 2); радиальный (3)
давления в рабочей камере за генератором интенсивность кавитации уменьшается практически по линейному закону для обоих типов втекающих струй (фиг. 2).
Зависимости Дм* = /(/*) для обоих типов втекающих струй при Рп = 5 МПа, РоШ = 0.2 МПа имеют нелинейный характер (фиг. 3). Для генератора с тангенциальными каналами и йк = йс = 10 мм прослеживается наличие максимума при /* = 0.5. При /* > 0.5 интенсивность кавитации в донной области плавно снижается, и при /* > 2 следы эрозии на дне генератора не были обнаружены. Взвешивание показало, что интенсивность кавитации Дм* = 0.
Уменьшение диаметра на выходе камеры генератора до йс = 5 мм (й/йк = 0.5) приводит при /* = 1 к увеличению интенсивности кавитации на дне примерно в 10 раз по
Фиг. 4. Фотографии следов эрозии на дне (а—в) и зависимость Дт*/£* = Дй?к/а?у) для генератора с тангенциальными каналами dк = ёс, I* = 0.5, при Рпп = 5 МПа, РоШ = 0.1 МПа (г): dк = 5 (а), 7 (б), 10 (в) мм; 1 — экспериментальные точки, 2 — интерполяция
сравнению со значением Am*, полученным для генератора с dK = dc = 10 мм при том же l* (фиг. 3).
При дальнейшем смещении тангенциальных каналов до l* = 2 величина Am* практически не меняется.
Для генератора с радиальными каналами смещение каналов от донной поверхности приводит к довольно резкому снижению интенсивности кавитации в этой области (фиг. 3).
Исследование кавитации в генераторе с тангенциальными каналами с dK = dc и различными диаметрами камеры (dK = 5^10 мм) показало, что отношение величины Am* к относительной площади поперечного сечения камеры генератора S* = Ski/Skmax линейно возрастает с увеличением отношения dK/dy — параметра, определяющего степень закрутки потока в камере генератора при Pin = const (5 МПа) (фиг. 4).
В экспериментах, проводимых с контрольными образцами в виде цилиндрических вставок в камеру генератора при тех же условиях, что и с контрольными образцами в виде диска в донной части, эрозии боковой поверхности камеры генератора в пределах погрешности измерений обнаружено не было.
Анализ фотографии следов эрозии на донной поверхности генератора с тангенциальными каналами при Рп = 5 МПа показал, что центральная часть дна, площадь которой составляет 15%, не подвергалась эрозии. Как показали эксперименты на прозрачных моделях, вдоль оси генератора с йк = йс = 10 мм, с тангенциальными каналами при Рп = 5 МПа, РоШ = 0.1 МПа образуется каверна в виде вихревого шнура, которая распространяется по всей длине генератора и рабочей камеры [5]. Внутри каверны была отчетливо видна смесь газа и жидкости, которая двигалась вдоль оси против основного потока. Вращение каверны происходило в ту же сторону, что и основной поток.
В расчетных исследованиях, проведенных в работе [6], было показано, что каверна, возникающая в камере генератора, прецессирует, изменяя свои размеры по времени, в результате чего сделано предположение, что это — один из механизмов возбуждения колебаний давления в камере генератора. Величина давления в центральной части донной поверхности генератора с тангенциальными каналами и йк = йс, /* = 0.5 с ростом давления на входе генератора в диапазоне Рп = 0.1 — 1 МПа, и РоШ = 0.1
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.