ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 454, № 5, с. 537-539
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 532.53
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ КАВИТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОЧНОМ ВОЛНОВОМ ГЕНЕРАТОРЕ ВИХРЕВОГО ТИПА © 2014 г. Академик Р. Ф. Ганиев, О. В. Шмырков, Н. В. Гун
Поступило 30.07.2013 г.
БО1: 10.7868/80869565214050090
В работе 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, причем с наибольшей интенсивностью кавитационные процессы протекают в донной области.
В волновой технологии [1, 2], базирующейся на возбуждении нелинейных колебаний и волн в многофазных средах, важную роль играют гидродинамические генераторы проточного типа. Среди гидродинамических генераторов проточного типа особое место занимают вихревые генераторы, в которых используются закрученные потоки для возбуждения мощных колебаний и волн [3]. Одним из способов активного воздействия на обрабатываемые среды является управляемая кавитация. Изучению физической и гидродинамической природы кавитационных явлений, а также широкому спектру их применений во многих странах уделяется значительное внимание [4—8].
Целью настоящей работы явилось исследование процесса возникновения и развития кавитации в проточном генераторе вихревого типа, определение влияния геометрических и гидродинамических параметров на характер и интенсивность протекания кавитационных процессов.
Испытания проводили на гидродинамическом стенде. Генератор представлял собой цилиндрический стакан, в боковой стенке которого были выполнены два тангенциальных или радиальных канала диаметром ёу = 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. Диа-
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии наук, Москва Научный центр нелинейной волновой механики и технологии Российской Академии наук, Москва
метр камеры генератора изменялся в диапазоне dк = 5—10 мм. В качестве рабочей среды использовали водопроводную воду при ? = 25°С. Давление воды на входе генератора изменялось в диапазоне Рвх = 5-10 МПа, на выходе - Рвых = 0.1-2 МПа. Для измерения пульсаций давления в рабочей части за генератором был установлен пьезоэлектрический датчик типа 701А фирмы "КзНег". Запись колебаний и обработку их спектров проводили с помощью осциллографа "Ьесгоу". В центре дна и на боковой поверхности камеры генератора измеряли давление манометрами и вакууметрами кл. 0.5. Для измерения интенсивности кавитации на дно камеры и на ее боковую поверхность устанавливали съемные контрольные образцы в виде диска, изготовленные из свинца методом литья в форму, и цилиндрические вставки, изготовленные из прозрачного оргстекла. Образцы до и после испытаний взвешивали на электронных весах с погрешностью ±0.001 г и фотографировали. Продолжительность испытаний 1 ч. Интенсивность кавитации определяли как разницу между весом образца до и после эксперимента, отнесенную к на. . т 0 — т г. чальному весу образца, Ат* =- [4].
т0
Эксперименты показали, что в случае, когда цилиндрические поверхности каналов соприкасаются с донной поверхностью (1у = 0), при втекании тангенциальных струй в камеру генератора с dк = 10 мм при Рвх = 5 МПа, Рвых = 0.1 МПа эрозии на дне не наблюдалось. При втекании радиальных струй эрозия образовывалась на всей донной поверхности, при этом интенсивность кавитации составляла Ат* = 0.124 (рис. 1а) .
При смещении тангенциальных каналов к выходу генератора с dк = 10 мм на донной поверхности при Рвх = 5 МПа, Рвых = 0.1 МПа также возникает эрозия, но в виде глубокой кольцевой впадины в периферийной части дна (рис. 1б). Центральная часть донной поверхности, площадь которой составляла примерно 15%, не подвергалась эрозии.
Интенсивность кавитации в донной области при смещении тангенциальных каналов вначале
538
ГАНИЕВ и др.
Рис. 1. Фотографии эрозии контрольных образцов донной поверхности при истечении радиальных и тангенциальных струй при Рвх = 5 МПа, Рвых = 0.05—0.1 МПа: а — радиальные струи, dк = 10 мм, 1у = 0; б — тангенциальные струи, dк =
I I
= 10 мм, — = 0.5 с); в — тангенциальные струи, а?к = 10 мм, dc = 5 мм, — = 1.
¿к ¿к
увеличивается, достигая максимума Ат* = 0.053 при у = 0.5, затем снижается, и при --- = 2.5 унос
¿к
материала с донной поверхности контрольного образца прекращается (рис. 2).
Уменьшение диаметра на выходе камеры генератора до dс = 5 мм ^= 0.н) приводит при -- = 1 и
2 к увеличению интенсивности кавитации на дне почти в 10 раз (рис. 1в, 2). При истечении радиальных струй смещение каналов приводит к довольно резкому падению интенсивности кавитации в этой области (рис. 2). Зависимость интен-
Лт* 0.16
2.5
Рис. 2. Зависимость Ат* = /^) для донной поверхности генератора; 1, 2 — тангенциальные струи: 1 -dк = 10 мм, dc = 5 мм, 2 — dк = 10 мм, dc = 10 мм; 3 -радиальные струи, dк = 10 мм, dc = 10 мм.
сивности кавитации в донной области генератора dк = 10 мм от диаметра камеры нелинейна и имеет четкий максимум при dк = 7 мм. В экспериментах, проведенных с контрольными образцами в виде цилиндрических вставок в камеру генератора при тех же условиях, что и с контрольными образцами в донной части, эрозии боковой поверхности камеры в пределах погрешности эксперимента обнаружено не было.
Как показали расчеты и эксперименты на прозрачной модели вдоль оси генератора dк = 10 мм с тангенциальными каналами при Рвх = 5 МПа, Рвых = 0.1 МПа образуется каверна в виде вихревого шнура, которая распространяется по всей длине генератора и рабочей камеры за ним [9]. Внутри каверны была отчетливо видна смесь газа и жидкости, которая двигалась против основного потока. Увеличение давления в рабочей камере за генератором заметно снижает интенсивность кавитации в донной части генератора для обоих типов втекающих струй. Наличие противодавления приводит к возникновению в рабочей камере за генератором мощных пиков давления резонансного типа. С увеличением величины противодавления эти пики распространяются в область более высоких частот до / = 20 кГц. Величина давления в центральной части донной поверхности, где отсутствует эрозия при Рвых = 0.1 МПа, с ростом давления на входе генератора в диапазоне Рвх = = (0.1—10) МПа быстро снижается до величины Р = 3.5 • 103 Па.
Таким образом, проведенные исследования показали, что при втекании высоконапорных тангенциальных и радиальных струй в камере вихревого генератора возникает развитая кавитация. Наибольшая интенсивность кавитации реализуется в донной части генератора. Выявлено, что интенсивность кавитации существенно зависит от типа втекающих струй, места их втекания относительно дна, геометрии проточной части, а также величин давления на входе и выходе генератора.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 454 № 5 2014
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ КАВИТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
539
При смещении радиальных каналов от донной поверхности генератора интенсивность кавитации резко снижается. Зависимости интенсивности кавитации от величины смещения каналов и диаметра камеры при втекании тангенциальных струй носят нелинейный характер с наличием четких максимумов. Интенсивность кавитации при уменьшении диаметра камеры на выходе генератора в 2 раза и смещении тангенциальных каналов на расстояние, равное (1-2^к, увеличивается практически на порядок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ганиев Р.Ф. Волновые машины и технологии (введение в волновую технологию). М.: Науч.издат. центр "Регулярная и хаотическая динамика", 2008. 192 с.
2. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика и технология. М.: Науч.-издат. центр "Регулярная и хаотическая динамика", 2008. 712 с.
3. Авдуевский В.С., Ганиев Р.Ф., Калашников Г.А., Костров С.А., Муфазалов Р.Ш. Гидродинамический генератор колебаний. Пат. РФ 2015749 // Бюл. Изобр. 1994. № 13. С. 34.
4. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хеммит Ф. Кавитация. М.: Мир, 1974. 668 с.
5. Рождественский В.В. Кавитация. Л.: Судостроение, 1977. 247 с.
6. Хорошев Г.А. // Акуст. журн. 1963. Т. 9. № 3. С. 472479.
7. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
8. Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Л. Ро-зенберга. М.: Наука, 1968. 268 с.
9. Ганиев Р.Ф., Корнеев А.С. // ДАН. 2013. Т. 448. № 5. С. 486-489.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 454 № 5 2014
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.