Акустичні властивості струминних гідродинамічних випромінювачів в умовах розвинутої кавітації

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГІДРОМЕХАНІКИ

ДУДЗІНСЬКИЙ Юрій Михайлович

УДК 534.232

АКУСТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СТРУМИННИХ ГІДРОДИНАМІЧНИХ ВИПРОМІНЮВАЧІВ В УМОВАХ РОЗВИНУТОЇ КАВІТАЦІЇ

01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Київ - 2008

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті, м. Одеса.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор,

Вовк Ігор Володимирович,

Інститут гідромеханіки НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Мелешко В'ячеслав Володимирович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри теоретичної та прикладної механіки

доктор фізико-математичних наук, професор,

Дівізінюк Михайло Михайлович,

Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості, проректор з наукової роботи

доктор технічних наук, професор,

Сокол Галина Іванівна,

Дніпропетровський національний університет

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідромеханіки НАН України за адресою: 03680 Київ 180 МСП, вул. Желябова, 8/4

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.196.01

доктор технічних наук, професор С. І. Криль

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У даній дисертації наводяться результати експериментальних, теоретичних і чисельних досліджень акустичних характеристик струминних гідродинамічних випромінювачів в умовах розвинутої кавітації.

Актуальність теми. Для звукових і ультразвукових технологій і морських досліджень необхідні потужні джерела звуку, здатні працювати на глибині (в умовах надлишкового статичного тиску), у рідинах різної в'язкості й густини, а також в двохфазних середовищах: емульсійних і дисперсійних. В цих галузях науки і техніки поряд з електроакустичними перетворювачами магнітострикційного або п'єзоелектричного типу знайшли широке застосування гідродинамічні випромінювачі.

Досить перспективними джерелами акустичних хвиль високої інтенсивності є струминні гідродинамічні випромінювачі (ГДВ), для яких характерні економічність, простота в експлуатації та дешевизна готового продукту. Основним елементом цих систем є занурена осесиметрична струминна оболонка циліндричної або усіченої конічної форми, яка не симетрично натікає на фланець (клин) з прямим кутом, щодо напрямку руху струменя. При цьому частина кінетичної енергії зануреного кільцевого струменя завдяки його поперечних коливань перетворюється в енергію акустичних хвиль, а робоча рідина одночасно є джерелом коливань і об'єктом озвучування. Умовно ці джерела звуку підрозділяють на прямоточні й протиточні. акустичний гідродинамічний випромінювач кавітація

Проте існує ряд невирішених проблем, зокрема,

· не розроблені деталі фізичного механізму виникнення автоколивань у струминних оболонок даних випромінювачів при наявності розвинутої кавітації;

· не в достатньому ступені встановлені кількісні зв'язки:

а) між геометрією зануреної струминної оболонки, її швидкістю, гідростатичним тиском, властивостями рідини й частотою основного тону генерованого акустичного сигналу;

б) між геометрією струминної оболонки й гідростатичним тиском в рідині й амплітудно-частотними характеристиками струминних ГДВ;

в) між геометрією зануреної струминної оболонки, її швидкістю, гідростатичним тиском в рідині та енергетикою й акустично гідродинамічною ефективністю струминних ГДВ;

г) між геометричними й гідродинамічними параметрами зануреної струминної оболонки та спектром генерованого звуку;

· відсутні адекватні математичні моделі, що дозволяють розраховувати частоту основного тону (нижчу) генерованого акустичного сигналу, амплітудно-частотні характеристики струминних ГДВ обох типів і спектр генерованого негармонійного сигналу залежно від геометричних параметрів зануреної струминної оболонки й властивостей рідини.

Необхідність рішення цих проблем визначає актуальність обраної у дисертації теми досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертаційній роботі результати досліджень відображено у відповідних звітах по науково-дослідних роботах:

1. держбюджетна НДР №290-66 "Дослідження гідродинамічного звукоутворення й використання акустичних коливань у технологічних цілях";

2. держбюджетна НДР №507-43 "Фізичні основи хвильових процесів і технологій у рідких і твердих середовищах".

Мета дослідження. Метою даної роботи є встановлення акустичних властивостей струминних гідродинамічних випромінювачів в умовах розвинутої кавітації й з'ясування фізики механізму генерування акустичних хвиль.

Об'єкт дослідження - струминні гідродинамічні випромінювачі прямоточного й протиточного типу.

Предмет дослідження - акустичні властивості струминних гідродинамічних випромінювачів.

Методи дослідження механізму звукоутворення засновані

· на коректнійостановці експериментів, використанні повіреної вимірювальної апаратури та постійному контролі результатів вимірювань;

· на візуалізації досліджуваних процесів за допомогою фото й швидкісної відео зйомки;

· на фізичному й математичному моделюванні процесів коливань зануреної струминної оболонки, рішенні крайових задач рівняння Гельмгольца та системи рівнянь коливання струминної оболонки, заснованих на гіпотезах Кірхгофа - Лява;

· на використанні коректних методів обробки акустичних сигналів.

Достовірність отриманих результатів забезпечується коректністю постановки експериментів та систематичним контролем експериментальних результатів; використанням строгих (у рамках прийнятих методик) диференціальних рівнянь Гельмгольца, Кірхгофа - Лява, строгих методів їх рішення й контролем точності чисельних результатів; задовільним співпаданням експериментальних і теоретичних результатів; не суперечливістю отриманих результатів даним, отриманим раніше, іншими авторами.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі отримано наступні нові результати:

1. Вперше встановлено кількісні зв'язки, зокрема

· між геометричними параметрами зануреної струминної оболонки й частотою генерованого акустичного сигналу, амплітудно-частотними характеристики струминних ГДВ, спектром генерованого звуку;

· між швидкістю потоку і рівнем та частотою генерованого акустичного сигналу, яка суттєво знижується зі зростанням швидкості;

· між гідростатичним тиском в рідині та її властивостями й рівнем та частотою генерованого акустичного сигналу, які суттєво зростають з підвищенням тиску при оптимальній швидкості струменя на виході сопла;

· між геометричними параметрами, властивостями двофазного середовища та швидкістю струменя й частотою пульсацій кавітуючої області між соплом і перешкодою струминного ГДВ.

2. Вперше запропоновано акустичну модель коливань струминної оболонки гідродинамічного випромінювача й вирішена гранична задача про випромінювання звукових хвиль цією оболонкою. Отримано вираження для залежності частоти пульсацій кавітуючої області від її геометричних параметрів, властивостей двофазного середовища й швидкості потоку рідини струминної оболонки.

3. Вперше для дослідження струминних ГДВ була застосована математична модель коливань занурених струминних оболонок, отримано аналітичні вираження для розрахунків:

· частоти основної (нижчої) гармоніки генерованого звуку для двох типів розглянутих джерел звуку;

· амплітудно-частотних характеристик струминних ГДВ прямоточного й протиточного типу;

· спектра сигналу, генерованого зануреними кільцевими струменями.

4. Розроблено новий спосіб визначення міцності рідини на розрив шляхом виміру частоти нижчої гармоніки генерованого звуку й гідростатичного тиску в робочій ємності.

5. Одержали подальший розвиток експериментальні дослідження акустичних характеристик струминних ГДВ з розвинутою кавітацією, зокрема, в умовах високого гідростатичного тиску в різних робочих рідинах.

6. Одержали подальший розвиток експериментальні дослідження ерозійної активності ближнього поля струминних ГДВ при надмірному статичному тиску. Виявлено кореляцію між нелінійним згасанням негармонійних акустичних імпульсів і ерозійною активністю в ближнім полі цих джерел звуку.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

· у встановленні кількісних зв'язків між геометричними, гідродинамічними параметрами зануреної струминної оболонками й частотними та амплітудними характеристиками звуку, генерованого струминними ГДВ;

· у можливості використовувати отримані результати при проектуванні струминних гідродинамічних випромінювачів прямоточного й протиточного типу, здатних працювати при гідростатичному тиску, для завдань гідроакустики й інтенсифікації різних фізико-хімічних процесів;

· у можливості використовувати розроблену експериментальну установку уаспірантами й здобувачами ОНПУ для дослідження: процесів гідродинамічного звукоутворення в умовах гідростатичного тиску, нелінійного згасання в різних рідинах акустичних сигналів, технологічних процесів очищення деталей машин і диспергування твердих частинок у рідинній фазі.

Особистий внесок здобувача. Всі теоретичні й експериментальні результати належать особисто авторові. Академіку В. Т. Грінченко і доктору фізико-математичних наук І. В. Вовку належить постановка задачі пульсацій двохфазної локалізованої зони між соплом та перешкодою [25] та участь в аналізі отриманих результатів. У статті [12] були враховані поради доктора фізико-математичних наук В. Г. Попова при постановці задачі. При обговоренні результатів дослідження акустичних характеристик струминних ГДВ в умовах гідростатичного тиску [10] приймав участь доктор технічних наук О. Ф. Дащенко. При постановці деяких експериментів по технологічному використанню ГДВ прямоточного типу [2, 9, 22, 24, 27, 29, 30, 34] приймав участь кандидат технічних наук О. В. Сухарьков. В обробці результатів експериментів приймали участь кандидат фізико-математичних наук Олег А. Назаренко, аспіранти А. О. Сухарьков і Олександр А. Назаренко, асистент Н. В. Манічева, інженер В. І. Риженко [1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 26, 27, 28, 29,].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені в дану дисертаційну роботу, доповідались на трьох наукових конференціях і п'яти наукових симпозіумах: 6-й Міжнародний науковий симпозіум Українських інженерів-механіків у Львові (Львів, Україна, 21--23 травня 2003 р.), Международная научно-техническая конференция “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (Донецк, Украина, 8--14 сентября 2003 г.), Всеукраїнський акустичний симпозіум “КОНСОНАНС-2003” (Київ, Україна, 1--3 жовтня 2003 р.), The IVth International Hutsulian Workshop on Mathematical Theories and Their Applications in Physics & Technology (Chernivtsi, Ukraine, 28 October - 02 November 2002), 5-я Международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии” (Одесса, Украина, 17--21 мая 2004 г.), Всеукраїнський акустичний симпозіум “КОНСОНАНС-2005” (Київ, Україна, 27--29 вересня 2005 р.), The 9-th International Conference “Dynamical System Modeling and Stability Investigation” (Kyiv, Ukraine, 22--25 May 2007), Всеукраїнський акустичний симпозіум “КОНСОНАНС-2007” (Київ, Україна, 25--27 вересня 2007 р.)

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 33 роботах [1 - 33], з яких 25 статті [1 - 25], 8 публікацій у матеріалах і тезах наукових симпозіумів і конференцій [26 - 33] (3 без співавторів) і 1 патент України [35]. Серед 25 статей 22 опубліковано у виданнях, які визнаються ВАК України, як фахові за науковим напрямком фізико-математичні науки (11 без співавторів), а 3 - за науковим напрямком технічні науки.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і переліку літературних джерел 240 найменувань. Загальний текст містить 117 рисунків і 5 таблиць. Загальний текст дисертації складає 355 сторінок, з яких 308 займає основний текст, 4 сторінки змісту, 23 сторінки вступу та 27 сторінок перелік літературних джерел.

Подяка. Автор висловлює глибоку вдячність науковому консультанту доктору фізико-математичних наук, професору Ігорю Володимировичу Вовку, академіку НАНУ Віктору Тимофійовичу Грінченко.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та сформульовано її мету, визначено наукову новизну та практичне значення роботи, наведено данні щодо апробації та структури дисертаційної роботи.

В першому розділі проаналізовано різноманітні типи гідродинамічних випромінювачів (ГДВ), які широко застосовуються у звукових технологіях (Гартман, Польман, Яновський, Бергман, Константинов, Фрідман, Агранат, Борисов). Розглянуто переваги струминних ГДВ прямоточного й протиточного типу для ряду задач звукових технологій (Назаренко, Самойленко). Проведений аналіз показав, що на сьогоднішній день не існує моделей, що пояснювали б природу звукоутворення й механізм зворотного зв'язку в даних джерелах звуку. Відсутні методики розрахунку на стадії проектування амплітудно-частотних характеристик струминних ГДВ і спектру генерованого ними звуку. Також проведено аналіз робіт з коливань занурених струминних оболонок, по динаміці концентрованих вихорів. На основі цього вибираються напрямки досліджень і формулюються задачі, які необхідно вирішити в дисертації.

В другому розділі представлено результати експериментальних досліджень по генеруванню звуку струминними гідродинамічними випромінювачами при наявності зони розвинутої кавітації. Для експериментів був розроблений і змонтований лабораторний стенд, що дозволяє моделювати умови роботи струминних ГДВ на глибині або в технологічному устаткуванні за допомогою регулювання статичного тиску й температури в незбуреному середовищі (підрозділ 2.1).

У даних джерел звуку (рис. 1) активним елементом є занурена струминна оболонка, при поперечних коливаннях якої всередині неї утворюється двофазне середовище з розвинутою кавітацією (рис. 2). Було проведено експерименти по дослідженню залежності частоти генерованого акустичного сигналу від геометричних параметрів й швидкості кільцевого струменя, від гідростатичного тиску й властивостей рідини (підрозділ 2.2). На рис. 3 … рис. 12 точки відповідають результатам вимірів, суцільні лінії - апроксимація експериментальних даних.

На рис. 3 представлено залежності частоти основної гармоніки акустичного сигналу, генерованого струминними ГДВ, від співвідношення довжини й середнього радіуса струминної оболонки. При цьому встановлено, що частота знижується зі зростанням як довжини, так і середнього радіусу.

Проведено дослідження залежності частоти звуку, генерованого струминними ГДВ обох типів, від властивостей рідини й швидкості зануреного струменя. Використовувалися дві робочі рідини: вистояна водопровідна вода й трансформаторна олія. Доведено, що при використанні вуглеводної рідини частота основної гармоніки акустичного сигналу вище, ніж для води за однакових інших параметрів. Міцність на розрив у олії нижче й, відповідно, модуль пружності струминної оболонки менше, ніж в воді. З іншого боку, через істотно більшу в'язкість трансформаторної олії необхідна більша швидкість струменя для створення умов розвинутої кавітації усередині первинного вихору (рис. 2). Тому товщина олійного струменя зменшується, а з обліком меншої, у порівнянні з водою, густиною помітно знижується питома маса одиниці поверхні струминної оболонки. Другий фактор вносить більший вклад у підвищення частоти, у порівнянні з модулем пружності.

Було встановлено, що зі зростанням швидкості струменя частота генерованого акустичного сигналу суттєво знижується (рис. 4а). Це значно виділяє розглянуті джерела звуку у порівнянні з ГДВ інших типів, які генерують звук у відсутності кавітації. При занадто низьких значеннях швидкості відсутня кавітація в зоні між соплом й відбивачем (рис.1), внаслідок чого припиняється процес гідродинамічного звукоутворення. Якщо швидкість потоку значно підвищити, кавітація має місце в каналі сопла, внаслідок чого руйнується структура струминної оболонки й генерується шум з широкою смугою частот. Показано, що одною з особливостей розглянутих гідродинамічних випромінювачів є обмежений робочий діапазон швидкості струменя в каналі сопла. На рис. 4б залежності перераховано у залежність числа Струхаля від числа Рейнольдса.

Також частота основного тону генерованого акустичного сигналу залежить від надлишкового статичного тиску у герметичній ємності. Можливо плавно підвищити частоту майже на порядок шляхом плавного збільшення статичного тиску (рис. 5а). Зі зростанням збільшується модуль пружності струминної оболонки і підвищується її власна частота. При цьому необхідно збільшувати оптимальну швидкість струменя для створення умов розвинутої кавітації всередині струминної оболонки (рис. 5б).

Проведено дослідження амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) струминних ГДВ (підрозділ 2.3). В експериментах змінювалися геометричні і гідродинамічні параметри струминних оболонок: радіуси, довжина й товщина струминної оболонки, швидкість струменя на виході із сопла, гідростатичний тиск у герметичній ємності. Робочі рідини - вистояна протягом трьох тижнів вода й трансформаторна олія.

На рис. 6а точками представлено експериментальні виміри залежності рівня сигналу від частоти коливань вигину кільцевого струменя. При цьому у всіх випадках підтримувалася приблизно однакова товщина й установлювалася оптимальна довжина оболонки, що відповідає максимальному рівню генерованого звуку на резонансній частоті. Для порівняння на рис. 6а показано відповідні теоретичні залежності амплітуди коливань вигину струминної оболонки (лінії). На рис. 6б показано залежність добротності випромінювачів від середнього радіуса струминної оболонки. Добротність ГДВ з ростом середнього радіуса оболонки істотно знижується, наближаючись до значення . Аналіз АЧХ і добротності даного джерела звуку виявило більші значення й при роботі в мінеральному маслі, у порівнянні з водою, за інших рівних умов.

У підрозділі 2.4 наведено результати експериментальних досліджень енергетичних характеристик акустичних полів, генерованих зануреними струминними оболонками. Спочатку було вивчено вплив геометричних параметрів струминних оболонок на рівень й інтенсивність сигналу. Ріст залежностей рівня й інтенсивності сигналу від радіуса меншої підстави конічної оболонки обумовлений збільшенням витрати рідини й, відповідно, кінетичної потужності кільцевого струменя (рис. 7). У рідині з більшою в'язкістю (олія) інтенсивність звуку трохи менше у зв'язку з більшою дисипацією енергії пружних хвиль у внутрішню енергію середовища. Аналогічні залежності мають місце для ГДВ прямоточного типу.

Доведено, що протиточні ГДВ генерують акустичні поля максимальної інтенсивності при оптимальній конусності струминної оболонки (рис. 8а). Виявлено також оптимальне співвідношення довжини й радіуса зануреної струминної оболонки, при якому генерований сигнал має максимальний рівень, при інших однакових умовах. Із залежності (рис. 8б) можна зробити висновок, що оптимальне значення довжини становить . Цей висновок справедливий також для циліндричних оболонок у випадку прямоточних ГДВ.

Залежності у відносних одиницях рівня й інтенсивності акустичних полів від швидкості струменя (рис. 9) мають резонансний характер (протиточні ГДВ). Аналогічний вигляд мають ці залежності для прямоточних випромінювачів. Робочі швидкості потоку рідини в соплах протиточних ГДВ обмежені діапазоном значень від до , у прямоточних ГДВ - діапазоном від до . При занадто малих значеннях швидкості зникає явище кавітації всередині струминної оболонки, при надмірно високих швидкостях рідини кавітація виникає в каналі сопла. В обох випадках зникає тональний звук і генерується шумовий сигнал.

На рис. 10а представлено результати дослідження залежностей рівня сигналу , генерованого струминними ГДВ, від надлишкового статичного тиску в рідині. У діапазоні статичного тиску атмосфери рівень звуку підвищується майже на порядок, а інтенсивність акустичного поля - майже на два порядки. Одночасно майже на порядок підвищується частота основного тону (рис. 5а). Проаналізовано залежності питомої енергії акустичних полів струминних ГДВ від статичного тиску (рис. 10б). Залежності з ростом досягають насичення. Ріст інтенсивності хвиль у діапазоні обумовлений одночасно зростанням енергії колапсу парових каверн й збільшенням числа колапсів в одиницю часу. При статичних тисках ріст інтенсивності звуку в основному залежить від лінійного підвищення його частоти. Для прямоточних ГДВ було отримано аналогічні характеристики.

Проведено оцінку акустично гідродинамічного коефіцієнта корисної дії струминних ГДВ , як відношення акустичної потужності (за частотою ) до кінетичної потужності струменя. На рис. 11 показано залежності ККД протиточного випромінювача від конусності струминної оболонки при різних гідростатичних тисках. При великих значеннях оптимальна конусність близька значенню . У цьому випадку при розрахунках протиточних гідродинамічних випромінювачів можна використовувати модель циліндричної струминної оболонки. На рис. 12 показано залежність максимально досяжного ККД струминного ГДВ при надмірному статичному тиску . Цей результат корисний при розробці акустичних технологій і встаткування, коли суттєве значення приділяється питанням економічності.

Третій розділ, заснований на роботах [9, 10, 12, 14, 15, 21, 22], присвячений теоретичному дослідженню можливого механізму звукоутворення завдяки пульсаціям локалізованої двохфазної області й поперечним коливанням вигину занурених осесиметричних струминних оболонок. У підрозділі 3.1 обґрунтовуються фізичні моделі струминних ГДВ. Конструктивна схема прямоточного ГДВ з кільцевим соплом і східчастою перешкодою представлена на рис. 1а. Струмінь рідини, що витікає з осесиметричного щілинного сопла 1, являє собою циліндричну струминну оболонку 2, яка робить коливання вигину. Оболонка 2 жорстко затиснена на торці сопла й обмежена перешкодою 5, а інша підстава є вільною. Східчаста перешкода 5 (прямокутний клин) сприяє тому, що частина кінетичної енергії струменя витрачається на формування первинного вихору 4, усередині якого створюються умови для розвитку кавітації. У центрі вихрової зони утворюються газові й парові каверни. Зі збільшенням концентрації каверн зростає тиск усередині області 4, досягає критичного значення, після чого наступає деформація вільного краю струминної оболонки й викид умісту кавітаційної зони в зовнішню область. При цьому утворюється вторинний кільцевий вихор. При колапсі каверн у вторинному вихорі посилюється інтенсивність генерованих акустичних хвиль. При цьому тиск у внутрішній порожнині оболонки стає менше гідростатичного тиску в незбуреному середовищі, що знову приводить до виникнення вихору 4. Надалі процес періодично повторюється.

Конструктивна схема протиточного струминного гідродинамічного випромінювача представлена на рис. 1б. Основні елементи такої випромінюючої системи - співвісні кругові сопло 1 і відбивач 2 з лункою на торці. Лунка має оптимальний параболічний профіль, а її діаметр на торці залежить від діаметра прохідного отвору сопла 1. Після натікання на лунку струмінь розвертається, формуючись в усічену конічну струминну оболонку 3, жорстко затиснену на торці відбивача. У першому наближенні її можна вважати циліндричною. На іншому торці сопла інша гранична умова - відсутність поздовжнього зсуву й деформації крутіння. При несиметричному натіканні на зовнішню крайку сопла (прямокутний клин) струмінь кільцевого перетину роздвоюється. Частина потоку рідини йде в навколишній простір, а частина відхиляється до осі симетрії, створюючи первинний кільцевий вихор 4. Усередині вихору створюється розвинена кавітаційна область. Генерування акустичних хвиль ідентично описаному вище.

У підрозділі 3.2 запропоновано просту модель у вигляді сферичної тонкої оболонки, що робить радіальні коливання з деякою коливальною швидкістю (рис. 13). Передбачається, що зовнішня сторона оболонки контактує з рідиною, що має хвильовий опір , а її внутрішня поверхня - з деяким двофазним середовищем, що має опір . Швидкість границі (нескінченно тонка сферична оболонка радіусом ) становить . Тривіальне рішення рівняння Гельмгольца для зовнішньої області дає імпеданс випромінювання на границі пульсуючої сфери. Рішення для внутрішньої області дає імпеданс випромінювання у внутрішню область на границі пульсуючої сфери. Частоту резонансу можна визначити з рівності на границі реактивних складових імпедансу:

Це дозволило за експериментальними значеннями частоти оцінити густину, пружність, частину газу й швидкість звуку в двофазному середовищі кавітаційної пульсуючої області. Зі зростанням швидкості зануреного кільцевого струменя в діапазоні збільшується кількість парогазових каверн у кавітаційній області від 20% до 60%, що значно зменшує густину, стискалість (рис. 14а) двофазного середовища й швидкість звуку в ньому (рис. 14б). З цим фактом пов'язано парадоксальне, на перший погляд, зниження частоти звуку зі зростанням швидкості рідини на виході сопла. Таким чином у робочій зоні випромінювача утворюється своєрідна резонансна система, що складається із внутрішнього пружного кавітуючого середовища, самої струминної оболонки й зовнішньої приєднаної маси рідини. Ця резонансна система й забезпечує зворотний акустичний зв'язок, нав'язуючи автоколивання струминній оболонці, забезпечуючи їй стабільну частоту коливань.

У підрозділі 3.3 розглядається математична модель поперечних коливань зануреної циліндричної струминної оболонки. Передбачається, що занурену струминну оболонку в першому наближенні можна вважати твердо тільною з деяким еквівалентним модулем пружності . Тоді припустимо використовувати гіпотези Кірхгофа - Лява, за відповідних граничних умов для струминних оболонок протиточного і прямоточного випромінювачів. Було отримано вирази для амплітуди змушених коливань вільного краю оболонки вище та нижче резонансу.

У підрозділі 3.4 розглянута модель конічної струминної оболонки для протиточного ГДВ з граничними умовами й вирішено задачу власних коливань. Система рівнянь була зведена до одного безрозмірного рівняння власних коливань конічної струминної оболонки. Рішення проводилося методом Рітца і отримано значення для власних частот. Проведено порівняння конічної й циліндричної моделей струминних гідродинамічних випромінювачів. Порівняння теоретичних і експериментальних результатів для прямоточних і протиточних ГДВ дозволяє зробити наступні висновки:

· для розрахунків характеристик прямоточних ГДВ з кільцевим соплом і східчастою перешкодою можна використовувати модель циліндричної струминної оболонки;

· для розрахунків характеристик протиточних ГДВ можна користуватися моделлю циліндричної струминної оболонки у випадку оболонки середньої довжини з параметром (рис. 15);

· для розрахунків характеристик протиточних ГДВ необхідно використовувати винятково модель зануреної струминної оболонки у вигляді усіченого конуса у випадку малої довжини, коли параметр .

У підрозділі 3.5 розглянуто змушені осесиметричні коливання циліндричної оболонки середньої довжини в потоці суцільного середовища. Задачу було вирішено для двох типів граничних умов: вільні краї й ковзне защемлення. В обох випадках отримано однаковий - у потоці суцільного середовища, амплітуда коливань вигину оболонки середньої довжини завжди менше, ніж у випадку нерухомого середовища, за інших рівних умов.

У підрозділі 3.6 розглянуто вплив геометричних параметрів зануреної струминної оболонки на частоту основної гармоніки генерованого акустичного сигналу. Збільшення середнього радіуса й довжини циліндричної оболонки (прямоточний ГДВ), або радіуса меншої підстави, кута конуса й довжини усіченої конічної оболонки (протиточний ГДВ) призводить до зниження частоти. При деякім значенні частота основної гармоніки досягатиме максимального значення при інших рівних умовах. Також розглянуто вплив властивостей рідини на частоту основного тону сигналу й на амплітуду коливань вигину, що визначає амплітудно-частотну характеристику ГДВ. Більша густина рідини й, відповідно, збільшення інертності струминної оболонки, призводить до зниження її власної частоти. Цей же фактор знижує добротність струминного ГДВ при використанні води, у порівнянні з мінеральним маслом. Розглянуто вплив гідродинамічних параметрів на частоту основного тону сигналу й на амплітуду коливань вигину. Власні частоти як циліндричної, так і усіченої конічної струминної оболонки прямо пропорційні еквівалентному модулю пружності. Обчислення цієї величини виконується через надлишковий, у порівнянні з атмосферним, статичний тиск , внутрішній тиск , що істотно залежить від температури і - коефіцієнти, які практично не змінюються в широкому діапазоні температур, але залежать від кількості включень (мілко дисперсні тверді частинки, парогазові каверни й ін.). Оскільки генерування звуку струминними ГДВ відбувається в умовах розвинутої кавітації, то в якості пропонується використовувати міцність рідини на розрив. Частота основної гармоніки акустичного сигналу, генерованого як прямоточними, так і протиточними ГДВ, зростає зі збільшенням статичного тиску в рідині. При цьому в рідині з меншим параметром значення нижче, за інших рівних умов. Також зростає добротність ГДВ з підвищенням гідростатичного тиску.

Четвертий розділ присвячений дослідженню акустичних полів, що генеруються зануреними струминними оболонками. У підрозділі 4.1 розглядається залежність спектру сигналу від геометричних і гідродинамічних параметрів зануреної струминної оболонки. Аналіз спектрів сигналів виявив значний ступінь схожості їх з видом функцій змушених коливань не затисненого краю оболонки. Оскільки інтерес представляє амплітудна спектральна характеристика генерованого акустичного сигналу, то пропонується для розрахунків використовувати модулі функцій амплітуди коливань згину вільного краю струминної оболонки.

Було досліджено спектри полів протиточних гідродинамічних випромінювачів. Зокрема, виявлений вплив на число й рівень спектральних складових товщини струминної оболонки, що впливає на її масу й твердість (рис. 16). Регулювання в обмеженому діапазоні геометричного параметра товщини оболонки призводить до перерозподілу інтенсивності звуку між гармоніками генерованого акустичного сигналу (рис. 17). Також досліджено спектри полів прямоточних ГДВ з кільцевим соплом і східчастою перешкодою. Зміна товщини струминної оболонки, або її довжини призводить до зміни спектра й фонограми генерованого звуку. При цьому також має місце перерозподіл інтенсивності між гармоніками генерованого звуку.

У підрозділі 4.2 розроблена теоретична модель нелінійного згасання негармонійних акустичних хвиль. Аналіз фонограм показав (рис. 16), що один пружний імпульс сигналу з періодом, генерований струминними гідродинамічними випромінювачами, у більшості випадків можна описати сумою двох експонент з коефіцієнтами, що відповідають часу зростання й спадання фронтів імпульсу, відповідно. Була використана теорема Релея про спектральну густину енергії з урахуванням того, що запізнювання за часом на не змінює спектральної густини. Були отримані вираження інтенсивності хвилі при квадратичній залежності коефіцієнта згасання від частоти для площинної та циліндричної хвилі.

У п'ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень ближнього поля струминних ГДВ. Ці джерела звуку генерують негармонійні акустичні сигнали, у спектрі яких крім основної присутні вищі гармоніки. Залежність коефіцієнта поглинання від частоти приводить до того, що при поширенні негармонічних хвиль спектральні складові імпульсу згасають по різному.

У підрозділі 5.1 отримано співвідношення між амплітудним і ефективним значеннями негармонійного акустичного сигналу, генерованого струминними ГДВ. У підрозділі 5.2 представлено результати оцінки згасання коротких імпульсів у сферичних і циліндричних хвилях. Нормовані залежності інтенсивності поля сферичної хвилі від безрозмірної відстані до границі звукоутворення в довжинах випромінюваних хвиль, представлено на рис. 18. Аналогічні залежності для поля циліндричних хвиль представлено на рис. 19. Там же для порівняння показано пунктирними лініями залежності для гармонійного сигналу у сферичній хвилі. Точки - нормовані результати вимірів. На відстанях, що перевищують п'ять сотих довжини хвилі, має місце звичайне згасання, характерне для гармонічних хвиль малої амплітуди.

Досліджено вплив статичного тиску на нелінійне згасання коротких експонентних імпульсів у сферичних хвилях (підрозділ 5.3). Для цього випромінювач було розміщено у герметичній ємності із регульованим тиском. При цьому в діапазоні тривалість експонентного імпульсу зменшувалася від 1мс до 0.1мс та істотно зростала інтенсивність. На рис. 20 представлено сімейство нормованих залежностей інтенсивності поля від відстані до зони звукоутворення. Точки - результати експериментальних вимірів. Пунктирні лінії відповідають закону . При зростанні інтенсивності акустичних хвиль розбіжності зростають.

У шостому розділі наведено експериментальні результати по прикладному застосуванню занурених струминних оболонок. У розділі 2 були отримані вираження власних частот оболонок. Вирішивши зворотну задачу (підрозділ 6.1), можна одержати формули для обчислення міцності рідини на розрив. Експериментальні результати виміру міцності води на розрив мало відрізняються від результатів, які було отримано іншими методами, наприклад, у роботах Блейка. Максимальна похибка запропонованого методу не перевищує 15%.

У підрозділі 6.2 представлено результати експериментів по технологічному застосуванню джерел звуку у вигляді занурених струминних оболонок. В розділі 4 було виявлено кореляцію між інтенсивністю, що поглинена одиницею об'єму середовища й ерозійною активністю ближнього поля даного випромінювача. Ерозійна активність у ближнім полі струминних ГДВ оцінювалась по руйнуванню свинцевих зразків у вигляді тонких пластин. Зменшення маси зразків вимірялося із точністю на аналітичних терезах. На рис. 21 представлено нормовані теоретичні залежності відносної питомої потужності пружного імпульсу, що поглинена в одиниці об'єму рідини (20), від осьової координати при різній тривалості імпульсу. Точками представлено результати експериментів по ерозії свинцевих зразків у трансформаторному маслі. Усереднення зменшення маси проведене за результатами п'яти експериментів. При цьому найбільша ерозійна активність ГДВ обмежена відстанню 1.5мм від границі зони звукоутворення в широкому діапазоні значень тривалості імпульсу. На рис. 22 представлено залежності швидкості ерозії за 1секунду озвучування від відстані при різному статичному тиску в робочій ємності. При цьому збільшується ефективна зона ерозії: від 0.8мм при 0атм. до 2мм при 10атм.

Представлено результати експериментів по очищенню поверхонь від технологічних забруднень (притиральних паст) і експлуатаційних забруднень (нагару ). Із прямоточним ГДВ час повного очищення істотно менше, ніж при використанні магнітострикційного випромінювача. У першому випадку спектр сигналу полі гармонічний, у другому - моно гармонічний.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримано наступні результати

1. Розроблено лабораторний стенд і проведено експериментальні дослідження акустичних властивостей струминних гідродинамічних випромінювачів звуку з розвинутою кавітацією. Установлено кількісні залежності:

· між геометричними, гідродинамічними параметрами зануреної струминної оболонки й частотою основного тону генерованого звуку;

· між швидкістю струменя на виході сопла, гідростатичним тиском, властивостями рідини й частотою основного тону, випромінюваного акустичного сигналу. Показано, що частота приблизно зворотно пропорційна швидкості рідини;

· між геометричними параметрами струминної оболонки, властивостями рідини й АЧХ струминних ГДВ;

· між геометричними параметрами зануреної струминної оболонки, властивостями рідини, гідростатичним тиском у рідині й спектром генерованого звуку;

· між геометричними параметрами струминної оболонки, властивостями рідини, гідростатичним тиском у рідині й рівнем випромінюваного звуку.

2. Запропоновано акустичну модель струминної оболонки й вирішена крайова задача про випромінювання звуку цією оболонкою. Аналіз цього рішення дозволив установити фізичний механізм автоколивань у системі, що складається із пружного двофазного середовища усередині оболонки, приєднаної маси зовні й самої струминної оболонки. Це дозволило встановити механічні властивості двофазного середовища й пояснити незвичайну властивість даних джерел звуку: зниження частоти з ростом швидкості струменя.

3. Розроблено й обґрунтовано теоретично й експериментально математичні моделі циліндричної (прямоточний ГДВ) і усіченої конічної (протиточний ГДВ) занурених струминних оболонок на основі гіпотез Кірхгофа - Лява. Проаналізовано границі застосовності цих моделей.

4. У рамках розроблених моделей

· вперше отримано аналітичні вираження амплітудно-частотних характеристик струминних ГДВ прямоточного й протиточного типу;

· вперше отримано аналітичні вираження для розрахунку спектра генерованого звуку в залежності від геометричних параметрів зануреної струминної оболонки й властивостей рідини;

· вперше досліджений вплив надлишкового статичного тиску в рідині на енергетику й акусто-гідродинамічну ефективність струминних ГДВ;

· одержало подальший розвиток дослідження впливу геометричних параметрів кільцевого струменя й властивостей рідини на частоту основного тону (нижча гармоніка) акустичного сигналу;

· одержало подальший розвиток дослідження впливу геометричних параметрів кільцевого струменя, гідростатичного тиску й властивостей рідини на амплітудно-частотні характеристики струминних ГДВ прямоточного й протиточного типу.

5. Розроблено експериментальну методику для оцінки міцності рідини на розрив за обмірюваним значенням частоти основного тону акустичного сигналу й надлишкового статичного тиску в рідині. Проведено експериментальну перевірку, проаналізовано межі застосовності цього методу. Результати добре погодяться з відомими даними, отриманими іншими методами.

6. Одержало подальший розвиток дослідження впливу гідростатичного тиску в рідині на ерозійну активність у ближнім полі струминних ГДВ. Експерименти показали перевагу полі гармонічних імпульсів у порівнянні з моно гармонічним сигналом традиційних електроакустичних випромінювачів. Размещено на Allbest.ru