научная статья по теме О ВЛИЯНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ И ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЦЕСС КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ МАТЕРИАЛОВ Математика

Текст научной статьи на тему «О ВЛИЯНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ И ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЦЕСС КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ МАТЕРИАЛОВ»

ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

193.15:620.193.16

О ВЛИЯНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ И ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЦЕСС КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ МАТЕРИАЛОВ © 2013 г. Академик Р. Ф. Ганиев, Д. А. Жебынев, А. М. Фельдман

Поступило 24.06.2013 г.

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 453, № 1, с. 28-31

УДК 620.

Б01: 10.7868/80869565213230102

В волновой технологии, базирующейся на возбуждении колебаний и волн в газо--жидко--дисперсных средах [1, 2], для решения ряда технологических задач используется явление кавитации. Кавитационные эффекты могут существенным образом ускорять различные технологические процессы, например, получение разнообразных эмульсий с высокой степенью дисперсности, очистку деталей машиностроения от загрязнений и т.д. В связи с этим возникает необходимость в исследовании кавитационных процессов для целенаправленного использования их в промышленных технологиях.

Главными задачами таких исследований являются: создание зон (областей) интенсивной кавитации, управление размерами этих зон и интенсивностью кавитации в них. Решать эти задачи можно путем исследования кавитационной эрозии материалов, которая, как правило, сопровождает процесс кавитации.

В волновой технологии широко применяются гидродинамические генераторы колебаний и волн, благодаря которым возбуждается кавитация. При этом колебания и волны генерируются проходящим через них потоком жидкости [1, 2]. Таким образом, в гидродинамических генераторах через зоны возбуждения кавитации протекают потоки жидкости, которые, так же как и кавитация, оказывают разрушающее (эрозионное) воздействие на материалы. Разделить вклады каждого из этих процессов в эрозию материала весьма затруднительно. Однако для управления кавитацией важно знать роль каждого из этих процессов в отдельности. В работе поставлена задача изучения возбуждения кавитации с помощью гидродинамического генератора в зонах, в

Филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова

Российской Академии наук "Научный центр нелинейной волновой механики и технологии Российской Академии наук", Москва

которых отсутствуют потоки жидкости, а также показать роль колебаний давления в самом процессе кавитации и кавитационной эрозии для данного случая. Эта задача была решена путем создания и исследования зон кавитации в закрытых с одной стороны цилиндрических трубах, расположенных перпендикулярно оси сопла генератора, вдоль которого распространяются колебания и поток жидкости. В таких трубах, как показано ранее [1—3], возможно возбуждение нелинейных резонансных колебаний с амплитудой, значительно превышающей амплитуду колебаний на входе1.

Для решения этой задачи была создана установка, состоящая из гидродинамического генератора колебаний, рабочей цилиндрической камеры, в которую выходит поток жидкости из сопла генератора, и вспомогательной камеры, являющейся продолжением рабочей и служащей для дросселирования выходящего потока. В рабочей камере перпендикулярно оси сопла монтировалась труба, к торцу которой герметично крепился образец для испытания на эрозионную стойкость. Следует отметить, что диаметры рабочей камеры и трубы удовлетворяли условиям "узкой" трубы [3, 4]. В установке использовали гидродинамический генератор проточного типа на основе трубки Вентури [5]. В качестве рабочей жидкости использовали водопроводную воду. Воду на вход генератора подавали с помощью гидравлического насоса высокого давления. Интенсивность кавитации оценивали по скорости эрозии (уноса) материала с поверхности испытываемых образцов, а также по изменению рельефа их поверхности. Колебания давления измеряли с помощью пьезоэлектрических датчиков типа 701А фирмы "Кз-Иег", один из которых крепился в трубе на месте образца, а второй — в рабочей камере, т.е. на входе

1 Идея возбуждения нелинейных резонансных колебаний с большой амплитудой, способных очищать поверхность в глухих каналах, была высказана Р.Ф. Ганиевым еще в 80-х годах прошлого века.

AG, мг

Рис. 1. Зависимость уноса свинца АО при кавитаци-онной эрозии от размаха колебаний давления АР в трубе длиной 125 мм; противодавление в рабочей камере Р2 = 7 атм, время воздействия 10 мин.

AG, мг AP, атм

P2, атм

Рис. 2. Влияние противодавления в рабочей камере Р2 на унос свинца АО при расположении образцов в трубе длиной 125 мм (1), в рабочей камере (2) и на размах колебаний давления АР (соответственно 3 и 4); давление на входе генератора Р1 = 70 атм, время воздействия 5 мин.

трубы. Сигналы с датчиков регистрировали с помощью усилителей заряда типа AQ05-A.1.0012 и осциллографа типа "Classic 6000".

В работе использовали образцы из свинца. Этот материал не обладает высокой эрозионной стойкостью, что позволяет значительно сократить время испытаний. Для уменьшения разброса результатов образцы крепили в специальном держателе таким образом, чтобы в них возникали одинаковые напряжения. Образцы имели форму цилиндров с диаметром 20 мм и высотой 9 мм и герметично крепились торцевой поверхностью в трубе, при этом эрозии подвергался участок поверхности диаметром 12 мм, равный сечению трубы. Исследования проведены на трубах длиной 125, 255 и 550 мм. Унос материала в результате ка-витационной эрозии определяли путем взвешивания образцов до и после испытаний на электронных весах.

Температуру воды и содержание в ней воздуха в исследованиях поддерживали постоянными.

Исследования показали, что в трубах возбуждаются нелинейные колебания, которые по своему размаху при определенных условиях превосходили размах колебаний на входе. Как правило, это происходило, когда в трубах создавались условия возбуждения четвертьволновых резонан-сов стоячих волн и их гармоник. В большинстве случаев такие резонансные колебания возбуждались при отсутствии соответствующих частот на входе, что свидетельствовало о нелинейном характере возбуждения. При этом амплитуда колебаний первой гармоники часто значительно пре-

2 Производитель ООО "ГлобалТест" (г. Саров, Россия).

восходила амплитуды остальных. Эти колебания приводили к заметной эрозии образцов, что позволяло судить о возбуждении кавитации и ее интенсивности.

На рис. 1 представлен график уноса свинца в трубе длиной 125 мм в зависимости от размаха колебаний давления при постоянном противодавлении в рабочей камере. Следует отметить, что частота основной гармоники спектра колебаний давления изменялась при этом не более чем на 20% и составляла порядка 1800 Гц. График имеет приблизительно линейный характер. Из графика также видно, что интенсивная кавитационная эрозия, приводящая к заметному уносу материала в условиях данного эксперимента, начинается при достижении размаха колебаний определенной величины.

На рис. 2 представлены кривые уноса образцов из свинца при кавитационной эрозии в трубе длиной 125 мм в зависимости от противодавления в рабочей камере. Там же представлены кривые размаха колебаний давления в зоне расположения образцов, а также в рабочей камере. Кроме того, для сравнения представлена кривая эрозии образцов, установленных приблизительно заподлицо со стенкой рабочей камеры. На рис. 2 видно, что кривая скорости эрозии образцов в трубе имеет максимум, приблизительно совпадающий с максимумом кривой размаха колебаний давления. Это также свидетельствует о наличии связи между размахом колебаний и интенсивностью эрозии. Скорость эрозии образцов в трубе оказалась приблизительно на два порядка выше скорости эрозии образцов в рабочей камере, хотя раз-махи колебаний различались не столь существенно. Ослабление кавитации в рабочей камере

30

ГАНИЕВ и др.

Р2 = 4 атм

5 атм

6 атм

7 атм

8 атм

9 атм

Рис. 3. Влияние противодавления Р2 на рельеф поверхности свинца при кавитационной эрозии в трубе длиной 125 мм; Р1 = 70 атм, время воздействия 5 мин.

объясняется тем, что газовые пузырьки, играющие весьма важную роль в кавитации, уносятся потоком воды с поверхности образцов. Этот результат показывает, какое влияние может оказывать поток на кавитационную эрозию.

Эксперименты, проведенные на трубе таких же размеров из прозрачного материала, показали, что при изменении противодавления существенно меняется картина образования и взаимодействия пузырьков воздуха с поверхностью образцов. При низких противодавлениях наблюдался рой пузырьков, который хаотически двигался по поверхности образцов. С увеличением противодавления пузырьки значительно уменьшались в размерах и уже наблюдались в виде беловатых облачков. Такое поведение пузырьков существенно отражалось на рельефе поверхности. При наличии крупных пузырьков (при низких противодавлениях) рельеф поверхности грубый, но он значительно сглаживался при увеличении противодавления. Об этом свидетельствует рис.3, на котором представлены образцы, подвергнутые кавитации в разных условиях.

Далее были проведены аналогичные исследования кавитационной эрозии в трубах большей длины. На рис. 4 представлены кривые уноса свинца для трех труб различной длины.

10 11 12

Р2, атм

Рис. 4. Влияние противодавления в рабочей камере Р2 на унос свинца АО в трубах разной длины Ь = 125 (1), 255 (2), 550 мм (3); Р1 = 70 атм, время воздействия 5 мин.

Видно, что интенсивность кавитационной эрозии уменьшается с увеличением длины трубы. Измерения показали, что размахи колебаний в аналогичных условиях для данных труб существенно не различаются. В то же время их спектральные характеристики заметно различаются, так как в трубах большей длины возбуждаются нелинейные резонансы стоячих волн на меньших частотах. Для примера здесь представлены частоты для основных гармоник, возбуждаемых в каждой из труб при противодавлении 8 атм, соответствующем приблизительно максимальному размаху колебаний в каждой из них.

Длина трубы, мм 125 255 550

Частота основной гармоники, Гц 1880 960 462

Следует отметить, что эти частоты, как правило, соответствовали частотам четвертьволнового резонанса стоячих волн для данных труб.

Приведенные данные и рис. 4 показывают, что соотношение частот колебаний в трубах приблизительно соответствует соотношению уноса материала для труб разной длины, т.е. интенсивность эрозии практически пропорциональна частоте колебаний. Полученные данные совпа

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.

Показать целиком