Исследование высоты подъема вертикальных жидких струй

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц, А Г И
Т о м XX 1 98 9 № 4
УДК 532. 525. 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОТЫ ПОДЪЕМА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЖИДКИХ СТРУЙ
Л. А. Эпштейн
Описаны экспериментальные исследования высоты подъема тонких водяных вертикальных струй, вылетающих в атмосферу с большими скоростями из сопел различного диаметра. Получены и проанализированы зависимости высоты подъема струи от скорости вылета из сопла и его диаметра. Установлены масштабные эффекты, которые приводят к завышению подъема струи при пересчете по Фруду с модели на натуру.
Во второй половине XIX века значительное внимание уделялось жидким струям, образующимся при истечении под давлением через малое отверстие. Соответствующие эксперименты проводились Сава-ром, Магнусом, Плато, Бидоном и др. Теоретические и экспериментальные исследования струй даны в классических работах Рэлея. Исследование жидких струй получило новый импульс в 20−30-х годах XX века в связи с появлением и разработкой двигателей Дизеля. К этому периоду относится ряд фундаментальных работ, проведенных в Германии и США. Изучению подвергались полет и распыление тонких жидких струй, вылетающих под большим давлением из сопла. Как правило, рассматривались небольшие по длине) участки струй вблизи сопла, вопрос об их дальнобойности и высоте подъема не рассматривался. Эти вопросы оказались важными в технике пожаротушения. В литературе имеются незначительные сведения об отдельных исследованиях этих вопросов. Высота, -дальность полета и интенсивность брызговых струй играют существенную роль для движущихся по воде скоростных объектов — гидросамолетов, быстроходных транспортных аппаратов типа глиссеров, судов на воздушной подушке и в специальных задачах, например, при движении колес шасси самолета по мокрому аэродрому, когда возникающие брызги могут повредить конструкцию самолета и двигателя и нарушить нормальную работу последнего. Исследование брызговых потоков в ряде случаев производится на моделях объектов, но вопросы пересчета результатов испытаний моделей на натуру крайне сложны и в литературе освещены мало. Это, в частности, обусловлено тем, что полет брызговых струй связан с сопротивлением воздуха, а последнее в значительной степени определяется характером их дробления, деформациями жидких комплексов и их взаимодействием друг с другом и с окружающим
воздухом. Некоторые сведения и исследования по указанным вопросам содержатся в работах, опубликованных в период 1950—1986 гг., (см. например, [1−3]), однако материалы, учитывающие влияние полученных результатов на высоту, дальность и интенсивность струй, практически отсутствуют.
В настоящей работе описаны и проанализированы проведенные автором опыты по подъему тонких вертикальных водяных струй, вылетающих из сопла со скоростями до 90 м/с.
1. Для образования брызговых струй было изготовлено устройство, показанное на рис. 1. Дюралевый стакан (1) объемом 150 см³ с фланцем (2) и проточкой (3) для герметизирующего резинового кольца (4) крепился к дюралевой пластине-основанию (5). В верхней части стакана были ввернуты на резьбе и краске три штуцера (6), из которых один подсоединялся к манометру (7), другой через редуктор- к баллону сжатого воздуха (8). Третий закрывался заглушкой на резьбе. Во фланец (2) были ввернуты четыре шпильки (9), на которые'-садилась латунная крышка (10) с впаянной соосной с ней трубкой (11), не доходившей до дна цилиндра. К верхнему концу этой трубки с помощью накидной гайки крепились сменные сопла (12). Герметизация соединения сопл и трубки достигалась проточкой и кольцевой резиновой прокладкой (13). При проведении опытов стакан
заполнялся водой, сопло снаружи закрывалось заслонкой, перемещавшейся перпендикулярно к его оси, затем в полость стакана от баллона с редуктором подавалось требуемое давление, регистрируемое образцовым манометром (десятиатмосферным или стоатмосферным), после чего на короткое время, порядка секунды, заслонка открывалась и закрывалась. Регистрировалась наибольшая высота образующегося фонтана. При опытах ось сопла была отклонена на несколько градусов от вертикали. Регистрируемое манометром давление в процессе опыта практически не менялось.
Наиболее тонким моментом в проводимых опытах было определение высоты к фонтана, который в своей верхней части состоит из отдельных капель, высота подъема которых не стабильна, а колеблется около некоторого среднего значения. Трудности измерений были также связаны с большими высотами подъема фонтана, которые в проведенных опытах доходили до ~8 метров. С увеличением диаметра струй высота их подъема возрастает. Заметим, что опыты должны проводиться в закрытых помещениях, так как даже небольшой ветер существенно затрудняет измерения и влияет на их результаты. Решение поставленной задачи о создании и измерении высоты фонтана осложняется рядом не принципиальных, но фактически действующих обстоятельств, как, например, коротким временем выброса, затруднениями, связанными с большим количеством опадающей воды, если это время существенно увеличить. Такое увеличение может также сказаться на стабильности показаний манометра. Укажем, что и методы измерения, и само определение высоты фонтана неразрывно связано с многими казалось бы второстепенными факторами, которые могут отразиться не только на точности проводимых опытов, но и характере получаемых зависимостей. В качестве примера мы остановимся ниже на влиянии сочетания метода измерений и устройства крана, открывающего отверстие сопла. В проведенной работе высота к фонтана определялась как среднее арифметическое из высот и Л2 = = к1 + Ак расположения горизонтальной площадки, при которых она смачивается (/ц) или не смачивается (/г2) брызгами. Оказалось, что при значениях к в несколько метров величина АН может быть доведена до -0,15 м, что обеспечивает точность порядка нескольких процентов. При проведении опытов площадка с размерами 0,4ХОД м располагалась с помощью блока или консоли над соплом на различных заданных высотах и фиксировался факт ее смачивания или не-смачивания брызгами. Для фиксации к нижней стороне площадки крепился лист бумаги, предварительно покрытый слоем «побелки». Выбрасываемая вода предварительно слегка подкрашивалась и, попадая на побеленную бумагу, давала четко различимое пятно, размеры этого пятна в известной стеупени характеризовали количество долетевшей жидкости. Если, например, площадка располагалась у верхней границы фонтана, то на ней фиксировалось несколько маленьких самостоятельных пятен, соответствующих попаданию отдельных капель.
При сравнительно малых напорных давлениях рн и диаметрах сопла*, когда скорости и расходы вылетающих струй были невелики, изложенная выше методика изменялась за счет открытия заслонки на время до 10−15 с и опускания подвешенного на блоке щита с бума-
* Давление рн однозначно связано со скоростью вылета струи, Vс —
/- ¦, где С — коэффициент внутренних потерь (? = 0,3).
рО-К)
гой до появления на нем пятен. Этот путь был несколько более оперативным. Результаты измерения обоими методами удовлетворительно согласовывались между собой.
Забегая несколько вперед (рис. 3), заметим, что высота к фонтана в зависимости от скорости вылета струи vc имеет максимум и растет с увеличением диаметра сопла. Разберем с учетом этих обстоятельств и изложенного выше способа измерения к вопрос о влиянии на зависимость к (ис), получаемую в опытах, устройства крана, отпирающего и запирающего сопло.
Рассмотрим два типа затворных устройств, схематически показанных на рис. 2. В случае крана, при его открытии, давление в точке, А возрастает от атмосферного до заданного рн. Размер отверстия сопла сохраняется. В случае заслонки давление в точке, А и перед ее открытием и после равно рн, но размер отверстия при открытии возрастает. Предположим, ЧТО ОПЫТ проводится на режиме, где Рп& gt-Рн.х (Рп.м — давление, соответствующее максимуму кривой к (рп)) открывая кран и, следовательно, повышая давление, прежде чем установится рн, получим давление рн. м, и струйка, поднявшись на высоту ктах, смочит индикаторную бумагу. В результате вместо зависимостей на рис. 3 получим зависимости, проведенные штрихами на этом же рисунке. Переменность эквивалентного отверстия при открытии сопла заслонкой не приведет к завышению подъема, так как к (О) -возрастающая функция.
2. Результаты испытаний представлены на рис. 3 в виде проведенных через экспериментальные точки зависимостей высоты к подъема струй от скорости ис истечения из сопла для диаметров сопел ?& gt- = = 0,5- 1 и 1,5 мм. Характер зависимостей /г (ус) идентичен для всех диаметров. При некоторой скорости, хотя это кажется парадоксальным, высота к достигает максимума, а с дальнейшим ростом скорости уменьшается и имеет тенденцию приблизиться к горизонтальной асимптоте. Увеличение диаметра сопла для всех скоростей приводит к увеличению к и менее резко выраженному максимуму. Высоты подъема, особенно при больших скоростях, в десятки раз меньше высот, которые были бы при тех же скоростях вылета струй в пу-
VI
стоту. Для этого случая зависимость к'- -проведена на рис. 3
^ ?
штрихпунктиром.
На рис. 4 при тех же обозначениях, что и на рис. 3, опытные данные построены в безразмерных координатах: по оси ординат отло-
_ д 1)"^
жено отношение /г =, по оси абсцисс — число Фруда Рг = Рис. 4
и у gD
показывает, что весомость является определяющим фактором только до чисел Рг& lt-50-^100, где безразмерные зависимости к (?г) для различных диаметров сопел близки между собой. При Рг& gt-100 кривые Я (Рг) для различных диаметров начинают существенно расходиться, причем чем меньше диаметр, тем больше к при том же значении числа Фруда. На этих режимах имеем дело, очевидно, с существенным проявлением «масштабного эффекта», обусловленного взаимодействием струи с окружающим ее воздухом, т. е. с процессами дробления струи и сопротивлением полету образующихся частиц. Зависимость высоты подъема от скорости при полете струи в пустоте, показанная на рис. 3 штрихпунктиром, имеет, очевидно, в безразмерных координатах вид г Рг3
2 '
Можно сопоставить результаты проведенных опытов с некоторыми схематизированными расчетами. В первом случае предположим, что струя разбивается на сферические капли вскоре после выхода из сопла. Если рассматривать эти капли как твердые частицы, вылетающие вверх с начальной скоростью ис при сопротивлении, пропорциональном квадрату скорости, то высота их подъема может быть определена по известной формуле механики [4]
Й = й1п (, + ^)' & lt-«
где й — диаметр капли, а & amp- - постоянная:
* = Т^У4& gt-7'-10−4- (2)
Величины р'- и р — плотность воздуха и воды соответственно, а сх — коэффициент сопротивления, который для рассматриваемого диапазона чисел Рейнольдса может быть принят равным -0,5. Результаты расчетов высоты подъема для капель диаметром с (= 0,5- 1- 1,5 и 2 мм по формулам (1) и (2) показаны на рис. 3. Порядок величины подъема согласуется с опытом, если считать, что диаметры капель близки к диаметрам сопла, однако характер зависимостей высоты подъема от скорости существенно различается.
Логично рассмотреть расчеты, в которых наибольший диаметр капель определяется [5] критическим числом Вебера
/оч
екр = р = 14. (3)
Если найти из (3) (1 и подставить в (1), то получим
(4)
2к?'-у ^вкро^ 4 & gt-
На рис. 3 штрихами показана зависимость Н (ис), рассчитанная по {4) при & amp- = 4,7−10−4 и Уе= 14.
Учет дробления по критерию (3) дает общий с экспериментом характер зависимости к (юс) с наличием максимума, но расчетная зависимость получается в отличие от опытов единой для всех диаметров
сопел. Кроме того, расчетные значения к в области больших скоростей вылета струи получаются существенно меньшими, чем в опытах. Это различие растет с ростом диаметра сопла. Таким образом, полное разъяснение физического механизма и теоретический расчет высоты подъема вертикальных струй требует дальнейших исследований.
Если принять струи из сопла. 0=1,5 мм за «натуру», а струи из остальных сопел за ее модели в масштабе соответственно = ?"/?& gt-*,= = 1,5 и йг=3, то значения коэффициента масштабного эффекта кэфф = Ьл/Нш при моделировании по числу Фруда можно представить в виде зависимостей, показанных на рис. 5, из которых следует, что за счет масштабного эффекта пересчет по Фруду на натуру высоты подъема брызговых струй дает для Рг& gt-100 преувеличенные значения. В условиях проведенных опытов поправочный коэффициент /гЭфф, учитывающий масштабный эффект, близок к 1 для Рг& lt-100, достигает наименьших значений & amp-Эфф = 0,65 при ?*=1,5 и? Эфф = 0,4 при & amp-г = 3 в области Рг^ЗОО и с дальнейшим ростом Рг снова увеличивается, принимая ассимптотические значения соответственно & amp-Эфф~0,8 при ?*=1,5 и /гЭфф = 0,7 при /гг = 3.
В первом приближении при оценках подъема вертикально летящих брызг от движения колес шасси по мокрому аэродрому (для обычно принимаемого масштаба? г = 56), можно считать, что & amp-Эфф~0>-5, т. е. что пересчет высоты по масштабу модели дает почти двукратное завышение высоты подъема брызг.
Разработанные методика и аппаратура обеспечили проведение исследований высоты подъема тонких высоконапорных вертикальных водяных струй.
Установлено парадоксальное, на первый взгляд, обстоятельство: с ростом напора или начальной скорости вылета струи высота к ее подъема сначала возрастает, а затем уменьшается и перестает зависеть от напора.
Указанный характер зависимости имеет место для всех испытанных диаметров струй. Причем высота подъема растет с увеличением диаметра и для наибольшего из диаметров ?)=1,5 мм достигала /г~7,5 м при ус"30 м/с. С ростом ис величина к несколько уменьшается и при скоростях 60& lt-ис<-90 м/с сохраняет постоянную величину.
Моделирование «по Фруду» справедливо только при сравнительно малых числах Рг = & lt- 100- с ростом Рг появляется значитель-
ный масштабный эффект. Ориентировочно для применяемых при исследовании брызгообразования колес шасси масштабов & amp- =/н//м = 5-т-6 коэффициент масштабного эффекта кЭфф = Нн/1гы имеет порядок -• 0,5, т. е. пересчет по Фруду высоты подъема брызг на натуру дает значения, примерно в два раза превышающие действительные.
Приведенные расчетные оценки по порядку величин и характеру зависимостей согласуются с результатами опытов, однако полное разъяснение механизма подъема высоконапорной струи и расчет высоты ее подъема требуют дальнейших исследований вертикальных и наклонных струй.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рейнджер А. А., Никол л с И. А. Аэродинамическое дробление капель.- РТК, 1969, т. 7, № 2.
2. Г, а р к у ш, а В. И., Стасенко А. Л. Численное исследование парокапельных потоков с учетом фазовых переходов, коагуляции и аэродинамического дробления частиц. — Энергетика и транспорт, 1979, № 3.
3. Борисов А. А. и др. О режимах дробления капель и критериях их существования. — ИФМ, 1981, т. XI, № 1.
4. Теоретическая механика. Ч. 1/Под редакцией Н. В. Розе. — М. :
ГТТИ, 1932.
5. Эпштейн Л. А. Методы теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов. — Л.: Судостроение, 1970.
Рукопись поступила 1/УШ 1988 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой