Гідродинамічні характеристики пристінних суперкавітаційних течій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГІДРОМЕХАНІКИ

УДК 532.528

01.02.05 - механіка рідини, газу та плазми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ГІДРОДИНАМІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИСТІННИХ СУПЕРКАВІТАЦІЙНИХ ТЕЧІЙ

Савченко Георгій Юрійович

Київ - 2008



Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідромеханіки Національної Академії Наук України

Науковий керівник - доктор технічних наук Семененко Володимир Миколайович, провідний науковий співробітник відділу Течій з вільними межами Інститут гідромеханіки НАН України,

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Бабенко Віктор Віталійович, провідний науковий співробітник відділу Інформаційних систем в гідроаеромеханіці та екології Інститут гідромеханіки НАН України,

кандидат фізико-математичних наук, доцент Макасєєв Михайло Володимирович доцент кафедри Наукових аналітичних і екологічних приборів і систем Національний технічний університет України “КПІ”

Захист відбудеться 2009 р. о годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д26.196.01 в Інституті гідромеханіки НАН

України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Желябова, 8/4.З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Інституту гідромеханіки НАН України.

Автореферат розіслано Січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор С.І. Криль



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пристінна суперкавітація сьогодні є найбільш радикальним методом зниження гідродинамічного опору, тому що виключає контакт стінки з водою на поверхні, що вкрита газовою чи паровою суперкаверною.

Для створення суперкаверн на корпусах суден, підводних крилах, лопастях гвинтів встановлюють клинові кавітатори, що розширюються вздовж потоку. Іноді для створення суперкаверн застосовують кавітатори зі змінним опором і геометрією та струмені води і газу.

В ідеальному випадку все рухоме тіло розташовують цілком усередині суперкаверни, і тоді воно не має точок дотику з водою, окрім поверхні кавітатора. Тому повний гідродинамічний опір всього суперкавітуючого тіла буде складатися з опору самого кавітатора, що часто визначають як кавітаційний опір.

Аналіз кавітаційного опору вказує, що його зменшення залежить від відстані між стінкою і поверхнею суперкаверни та параметрів піддуву газу в штучну суперкаверну. Сьогодні не існує рекомендацій щодо вибору мінімального розміру пристінної суперкаверни.

Проблема полягає в тому, що границя суперкаверни не є рівною і гладкою, а піддається турбулентним та хвильовим збуренням. У кінці на великих швидкостях вільна поверхня розпадається на бризки. Розпад вільної поверхні примушує проектувати кавітатори збільшених розмірів, щоб забезпечити необхідний проміжок між стінкою та збуреною межею каверни. Практично забезпечення надійного проміжку веде до вимушеного збільшення кавітаційного опору на 40 ч 80 %.

Існуючі проблеми вказують, що випадки пристінної суперкавітації слід розглядати саме з урахуванням проявів в'язкості та збурень, в той час коли багато існуючих робіт з суперкавітації базується на моделі ідеальної рідини, де в'язкість не враховується.

Наявні проблеми попередніх досліджень дозволяють охарактеризувати актуальність дослідження пристінної суперкавітації наступними положеннями:

пристінна суперкавітація виключає контакт рідини з твердою стінкою всередині суперкаверни, що створює основу для розвитку технології зниження гідродинамічного опору тертя;

в пристінній суперкаверні виникають важливі процеси розпаду вільної поверхні, руху бризкових і газових потоків, переносу імпульсу бризковим потоком на стінку, силової гідродинамічної взаємодії з потоком води при утворенні та замиканні суперкаверни на стінці;

- дослідження процесів, що перелічені, дає можливість встановити залежності між гідродинамічними параметрами пристінних каверн, знання яких дозволить збільшити швидкість та глибину руху підводних об'єктів, а також знизити витрати газу та енергії на реалізацію суперкавітаційного руху у воді.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у рамках госпбюджетних тем “Дослідження методів керування пристінними та струменевими суперкавітаційними течіями”, шифри 0206 х 000141; 0102 х 00076, “Моделювання і оптимізація нестаціонарних процесів струменевих і пристінних течій”, шифр теми 0106 х 004472.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є визначення гідродинамічних характеристик пристінних суперкаверн та вдосконалення методів їх розрахунків. Задля досягнення цієї мети розв'язуються наступні задачі:

Модернізуються наявні та створюються нові гідродинамічні стенди і моделі для дослідження процесів у пристінних суперкавернах.

Визначаються параметри впливу пристінних та бризкових потоків на плоску поверхню в залежності від кута натікання, імпульсу, концентрації бризок, розміру відстані між потоком і поверхнею.

Знаходяться апроксимаційні співвідношення для розрахунку гідродинамічних параметрів пристінних суперкаверн.

Розробляються комп'ютерні програми для проектування форми суперкавітаційних об'єктів з врахуванням форми суперкаверн та зазору в пристінних суперкавернах, а також для розрахунку параметрів пристінних суперкавітаційних течій.

Об'єктом дослідження є пристінні кавітаційні течії в'язкої рідини.

Предметом дослідження є пристінні суперкаверни, бризкові та газові течії всередині них, процеси взаємодії пристінних суперкаверн зі стінкою.

Методи досліджень:

Метод гідродинамічного експерименту в оберненій течії у гідротрубах з використанням лазерної допплерівської анемометрії, швидкісної телевізійної реєстрації, двокомпонентної тензореєстрації, ротаметричних вимірів газу. суперкаверна бризковий імпульс натікання

Метод чисельного аналізу на ПК на основі математичних моделей течій ідеальної та в'язкої рідини з вільними межамими каверни або крапельно-газового потоку.

Наукова новизна роботи.

- Вказано на наявність поблизу вільної поверхні суперкаверни критичної відносної швидкості газу, вище якої починається зрив бризок. Отримано формули для розрахунку розмірів пристінних суперкаверн в умовах їх утворення в примежовому шарі та діапазону припустимих швидкостей газу та оптимальних зазорів всередині пристінних суперкаверн.

- Запропоновано формулу для розрахунку ефективності використання суперкавітаційної схеми обтікання на тілах обертання.

Розкрито закономірності переносу імпульсу газу бризковим потоком з вільної поверхні на стінку під дією газової течії у зазорі. Даються рекомендації щодо вибору оптимального розміру зазору. Встановлені залежності гідродинамічного опору стінки від параметрів газової течії в зазорі.

Встановлено залежності коефіцієнтів гідродинамічних сил для плоских пластинок у бризковому потоці від кута атаки при різних концентраціях бризок, а також залежності бризкового опору поверхні від параметрів вдуву газу через перфоровану стінку.

Запропоновано ефективну форму поверхні перфорованої стінки та оптимальну відстань між рядками перфорацій для зменшення гідродинамічного опору тертя при використанні штучної пристінної суперкавітації.

Визначено залежності коефіцієнта підіймальної сили при глісуванні циліндра по поверхні циліндричної пристінної суперкаверни від кута атаки, занурення задньої крайки, відношення діаметра циліндра і суперкаверни.

Практичне значення одержаних результатів. Результати експериментальних досліджень по організації пристінних суперкавітаційних і бризкових течій можуть бути використані у суднобудуванні та авіабудуванні для зниження гідродинамічного і бризкового опору корпусів суден на повітряній подушці, підводних крилах, з кавернами на днищі, літаків при зльоті та посадці на воду і мокрі аеродроми.

Розрахункові залежності для коефіцієнтів опору і підіймальної сили у бризкових потоках можуть бути використані при розрахунках трубопровідного транспорту, лопат роторів та лопаток направляючих апаратів двофазних насосів і перекачувальних станцій.

Комп'ютерні програми, що розроблені для розрахунку пристінних суперкаверн, можуть бути використані для проектування суперкавітуючих об'єктів і для навчання студентів.

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь в розробці, дослідженнях і налагоджені експериментальних установок та моделей пристінної суперкавітації:

1. Імпульсна гідротруба (Ньюпорт, США).

2. Бризковий стенд (ІГМ НАНУ).

3. Моделі для дослідження пристінних суперкаверн у розімкнутій гравітаційній трубі (ІГМ НАНУ).

4. Прилади та моделі для дослідження глісування по стінках суперкаверн.

Усі експериментальні та теоретичні дослідження виконувалися за особистою участю автора. Йому ж належать результати узагальнення експериментів, висновки та апроксимаційні формули для розрахунку параметрів пристінних суперкаверн.

Автор приймав безпосередню участь у розробці і модернізації комп'ютерної програми SCAV у частині розрахунку зазорів та гідродинамічних сил для пристінних суперкаверн.

Апробація результатів дисертації. Головні положення та результати досліджень за темою дисертації доповідались і обговорювались на:

- VI Міжнародній конференції «Гидромеханика в инженерной практике (НТУУ КПИ, Киев, 1999);

- VII Міжнародній конференції «Гидромеханика в инженерной практике (НТУУ КПИ, Киев, 2002);

- Семінарі в Інституті гідромеханіки НАН України (Київ, 2007);

- Семінарі в НТУУ КПІ (Київ, 2008),

а також були представлені і опубліковані в Трудах 8ої Міжн. Конф.FAST'2005, Петербург та на 6-ому Міжн. Сімп. з кавітації CAV2006, Нідерланди, Вересень, 2006.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 7 друкованих праць. Серед них 5 статей опубліковано у журналі «Прикладная гидромеханика» і 2 - в журналі вісника «Машиностроение» НТУУ «КПІ». Обидва видання входять в перелік фахових видань України, затверджених ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, шести розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг роботи складає 139 сторінок, в тому числі 67 рисунків, 2 таблиці, 2 додатки, список використаних джерел містить 101 назву.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність тематики досліджень, визначаються мета і задачі роботи, а також методи їх розв'язання, викладається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

В огляді публікацій розглянуто стан вивчення явищ , пов'язаних з течіями в пристінних суперкавернах, а саме: збурення вільної межі газовими потоками, генерація водяних бризок під дією газових потоків, перенесення імпульсу з водяної поверхні на стінку, силова дія течії з вільною поверхнею, що натікає на стінку під час глісування.

Дослідженню суперкавітаційних течій при штучній суперкавітації в Україні присвячені роботи таких вчених, як Г.В. Логвинович, В.В. Пилипенко, Ю.М. Савченко, В.М. Семененко, В.Д. Кубенко, В.М. Буйвол, І.Г. Нестерук, С.І. Путілін, Ю.Д. Власенко, В.В. Серебряков і інші.

За кордоном явище суперкавітації досліджували:

В Росії - Л.І. Сєдов, М.І. Гуревич, Л.А. Епштейн, Ю.Л. Якімов, Ю.Ф. Журавльов, Е.В. Паришев, А.Д. Васін, І.Т. Єгоров, А.Н. Іванов, К.В. Рождественський, А.Ш. Ачкінадзе, О.Г. Гузевський, Л.І. Мальцев та інші. В США - М. Тулін, К. Бреннен, І. Кіршнер, П. Гарабедян, С. Кіннас, М. Біллет, М. Куклінський і інші. В Японії - Т. Нішіяма, Х. Като і інші. У Франції - Ж.-М. Мішель, Ж.-П Франк та інші.

У випадку пристінних кавітаційних течій розмір розмитості поверхні каверни виявляється близьким до розміру зазору між стінкою і каверною, що потребує врахування явищ розпаду вільної межі (Л.А.Епштейн, Г.В.Логвінович, Ю.М.Савченко). Дослідження впливу газового потоку на стан поверхні води проводили Р.С.Бортковський, Л.Ю.Преображенський та ін.

Нестійкість поверхні рідини за наявності течії газу описано Дж. Тейлором. В його роботах введено визначення довжини хвилі нестійкості лВ. Розрахунок показує, що умовою початку відриву бризок на межі вода-повітря за механізмом, що описано Дж.Тейлором, можна вважати умову перевищення відносної швидкості U ? 10 м/с.

Інший механізм створення бризок було розглянуто в роботі Г.Біркгофа з позиції аналізу умов відриву капілярної хвилі, що виникає на поверхні рідини (нестійкість типу Гельмгольца). Можливість відриву крапель за механізмом нестійкості типу Гельмгольца зявляється на межі вода-повітря при наявності відносної швидкості U = 11 ч 14м/с.

Питання створення бризок під дією високошвидкісних струменів досліджувались в ЦАГІ. Вивчалась дія газових струменів круглого перетину на плоскі і циліндричні водяні струмені. Було показано, що окремі газові струмені створюють западини на водній поверхні, що супроводжується підйомом бокових водяних гребенів та струменів. В цих експериментах залишилось нез'ясованим, за рахунок яких ефектів з'явився бризковий опір, що міг мати декілька механізмів утворення:

- деформація вільної границі водяного потоку зосередженими газовими струменями;

- прискорення зірваних з водяного потоку водяних бризок до швидкості Vg повітряного потоку V = Vбр ? Vg.

Перші теоретичні результати, що оцінюють зниження місцевого тертя при вдуві газу у пристінну течію, були одержані К.К.Федяєвським і Л.Г.Лойцянським. Ними було припущено, що має місце монотонна зміна властивостей середовища при переході від газу на стінці до рідини на межі пристінного шару. Це призвело до дуже великих розбіжностей з експериментом. Такі ж експериментальні дослідження відносно вдува газу в пристінну область корпусів підводних суден були проведені у Японії (К. Ватанабе).

Глісування тіл обертання по плоскій водяній поверхні досліджувались теоретичними та експериментальними методами Г.В.Логвиновичем, Е.В. Паришевим, А.Д.Васіним, Т.Кисенюком. Але у каверні тіло обертання глісує по стінкам круглої каверни, що суттєво змінює вираз залежностей гідродинамічних сил від кута атаки та розміру занурення задньої крайки. Для опису гідродинамічної взаємодії циліндра з циліндричною вільною поверхнею існували тільки теоретичні оцінки при ударі та зануренні циліндра (В.Д. Кубенко, Е.В.Паришев та С.І.Путілін). Тому була необхідність одержання апроксимаційних залежностей для випадку пристінних суперкаверн.

В першому розділі роботи розглянуті особливості течії у пристінній суперкаверні. Характер течії газу всередині каверни залежить від режиму суперкавітаційного процесу. У випадку парової суперкавітації пара в каверну буде поступати від поверхні суперкаверни. При цьому тиск всередині каверни Рс буде дорівнювати тиску насиченої пари Рс = РП . Пара буде мати швидкість потоку води на границі каверни де - парове число кавітації, Рп =2.4 КПа - тиск насиченої пари води при Т=15оС, а на стінці буде виникати газовий примежовий шар з додатнім градієнтом швидкості.

У випадку штучної суперкаверни газ у каверну буде подаватись з твердої стінки за допомогою спеціальних сопел, Рис.1. При цьому на вільній границі може бути як додатній, так і від'ємний градієнт швидкості, а відносна швидкість U = Vг - Vg може змінювати знак в залежності від розміру зазору - hc та об'єму газа, що витікає з каверни - Qун. У випадку сталої суперкавітаційної течії піддув газа до каверни Q [м3/с] повинен компенсуватися його витоком Qун, Q - Qун = 0. Швидкість газу у каверні буде дорівнювати , де S = hс·bz - площа поперечного перетину суперкаверни. Беручи до уваги наявність критичної відносної швидкості U = Uкр, вище якої вільна границя розпадається на краплі (нестійкість за Гельмгольцем та Тейлором), можна розрахувати оптимальну швидкість течії газу в зазорі суперкаверни та розмір зазору hc : VГ - Uкр ? Vg ? VГ + Uкр

(1)

де Uкр= 14м/с - для межі вода - повітря.

У пристінних течіях в'язкої рідини на утворення суперкаверни впливає примежовий шар (ПМШ) і користуватися розв'язком, що одержано для течії ідеальної рідини, стає неможливим. Особливо великий вплив ПМШ очікується у випадку, коли товщина ПМШ і ширина кавітатора мають близькі значення.

Якщо порівняти кавітаційний опір плоского кавітатора

, (2)

де - число кавітації; hк - товщина (висота) кавітатора, - елемент довжини кавітатора, з гідродинамічним опором тертя частини стінки, що покрита суперкаверною з довжиною Lc: , (3) де - коефіцієнт опору тертя (Шліхтінг Г.), то для малих чисел кавітації можна одержати співвідношення для оцінки зниження опору. Коефіцієнт показує, яку частку кавітаційний опір складає від опору тертя смуги, що покриває каверна з площиною Lc·Lk і розташованою на глибині Н

(4)

Співвідношення (4) показує, що умовою зниження опору є (5)

Вплив ПМШ можна врахувати усереднюючи динамічний тиск по висоті кавітатора - hk в умовах розподіленої швидкості в ПМШ

(6)

де - теоретичний розподіл швидкості в турбулентному ПМШ на гладкій стінці (Шліхтінг Г.), а - товщина примежового шару. З врахуванням (6) можна ввести деяке ефективне число кавітації у*, яке враховує розподіл швидкості в ПМШ . (7)

Тоді вираз для довжини каверни Lc та опору кавітатора (2) будуть мати вигляд:



, , (8)

а співвідношення (4) для коефіцієнта зниження опору перепишеться у вигляді: (9)

В експериментах використовувалась імпульсна гідродинамічна труба зі швидкістю течії у її робочій частині до 14 м/с. Розміри робочої частини - 115 мм х 115 мм х 1500 мм. Кавітатор (пластина з висотою hk = 1,5 мм та довжиною Lк = 200мм) встановлювалася упритул до прозорої скляної стінки робочої частини труби (рис.2).

Аналіз експериментів показує, що у ПМШ створюються суперкаверни значно менших розмірів, ніж у необмеженому потоці. Такий ефект можна пояснити заниженою швидкістю в ПМШ. Врахування впливу ПМШ шляхом осереднення динамічного тиску по висоті кавітатора hk (6) і введення ефективного числа кавітації у* (7) приводить до збігу результатів для довжини каверни в незбуреному потоці і в умовах ПМШ. Важливою особливістю пристінних суперкавітаційних течій є утворення характерної вторинної течії всередині суперкаверни у вигляді пристінного

hk = 1,5 мм

Рис. 2. Фото обтікання пристінного кавітатора на різних швидкостях.

водяного гребня, що направлений від дна всередину каверни. Аналіз експериментальних фотографій (рис. 2) показує, що водяний гребінь, який піднімається від дна каверни вздовж стінки, вже на половині довжини суперкаверни досягає вільної поверхні і відсікає каверну від стінки. На другій половині довжини суперкаверни водяний гребінь за інерцією піднімається над вільною межею і замиває площу стінки, що була раніше вільною від замиву.

Другий розділ присвячено дослідженню пристінній суперкавітації на тілах обертання. Розглядаються пристінні суперкаверни на тілах обертання як результат вписування корпусу в контур суперкаверни. На відміну від вільних суперкаверн пристінні суперкаверни на тілах обертання мають кільцеву форму. Такі суперкаверни не мають кінцевих ефектів, властивих кавітаторам скінченої довжини на плоских стінках.

Встановлено, що максимальний розмір корисного об'єму циліндричного корпусу для вписування у каверну W? є деякою часткою об'єму каверни ,

При цьому довжина пристінної каверни буде визначатися довжиною вписаного циліндра , а висота пристінної суперкаверни буде визначатися співвідношенням: .

Розглядається узагальнена схема використання суперкаверни на тілі обертання, рис. 3,а. Вона складається з кавітатора у вигляді конуса з радіусом основи r, довжиною ? та напівкутом біля вершини в 1,5o < в < 90o, та контуру, створеного суперкаверною, куди буде вписано корисний об'єм тіла обертання з урахуванням необхідного зазору. Використовується теоретична схема суперкавітаційного обтікання Рябушинського, коли каверна замикається на елемент, що тотожній по формі кавітатору (рис. 3,б).



Рис.3. Схеми суперкавітаційного обтікання.

Використовуючи експериментальні дані про те, що форма стаціонарної каверни при великих числах Фруда близька до еліпсоїду обертання, приблизно визначається контур каверни R(х), подовження суперкаверни л = Lc/2Rc , її максимальний радіус Rc та довжина Lc (Сх - опір кавітатора) Для розрахунку довжини Lcх скористаємося тим, що вільна межа сходить з поверхні конуса в напрямку, який збігається зі твірною конуса. При цьому остання повинна бути дотичною до контуру каверни R(х) у точці сполуки (Lcх ; R = r) (рис.3).

Опір конуса в загальному випадку можна визначати як суму опору тиску XР та опору тертя XF: (10)

Тут Cx(Re) - коефіцієнт опору тертя; Cx(в,у) - коефіцієнт опору тиску; Re = V?lТ/Тн - число Рейнольдса по довжині утворюючої конуса l.

Наявність ПМШ на поверхні конуса буде впливати і на опір тиску тонких конусів. Згідно з моделлю обтікання в'язкої рідини з утворенням ПМШ, реальний потік буде відтиснуто від поверхні конуса на розмір товщини ПМШ д*. Враховуючи це, а також експериментальні дані (Ю.Н Савченко. і інші) та запропоновану І.Г.Нестеруком формулу для коефіцієнту опору при малих кутах конусу , співвідношення для повного опору конусу рекомендовано записати у вигляді:, (11)

де , а и Cxр визначаються з умови утворення ПМШ на конусі.

У суднобудуванні використовують об'ємний коефіцієнт опору CW, який віднесено до об'єму транспортного засобу W: Результати розрахунку об'ємного коефіцієнту опору приведені на рис.4.

Ефективність використання суперкавітаційної схеми обтікання можна визначити шляхом порівняння опору твердого тіла, що має форму суперкаверни, з кавітаційним опором кавітатора, який створює цю суперкаверну. У відношенні коефіцієнтів опору твердого тіла CWТ і кавітаційного опору кавітатора CWС можна виділити область використання суперкавітації, де CWТ /CWС >>1, Re?108: , (12) що лежить в області значень у ? 0.06. При цьому для значень у = 0.02 об'ємний коефіцієнт опору суперкаверни у 4 рази менше, ніж об'ємний коефіцієнт опору аналогічного тіла обертання при суцільному обтіканні. Одержані результати потрібно визначати як максимально можливі, тому що на практиці між корпусом і вільною поверхнею каверни повинен залишатися паро-газовий зазор.



Комп'ютерна програма вписування тіла обертання в контур суперкаверни є значною частиною програми SCAV (Ю.М.Савченко, В.М.Семененко, С.І.Путілін, Е.І.Наумова, Г.Ю.Савченко). Ця програма створена для автоматизації розрахунків при проектуванні підводних високошвидкісних суперкавітуючих моделей, а також для дослідницьких та навчальних завдань. В розрахунках виділено два особливих випадки розташування суперкавітуючих моделей у суперкаверні. У першому випадку розміри моделі значно менше розмірів суперкаверни і модель вимушена розташуватися у носовій частині суперкаверни. У другому випадку розміри моделі близькі до розмірів суперкаверни и модель займає майже весь об'єм суперкаверни. Програма SCAV дозволяє проектувати контур и вибирати масу високошвидкісних моделей в інтерактивному режимі. Програма розраховує зазор між стінкою моделі та поверхнею каверни, а також площу перетину пристінної каверни (рис. 5).

В третій частині наведені результати досліджень гідродинамічних сил, що виникають на пластині у бризковому потоці. Вивчення взаємодії крапельних потоків з твердою поверхнею характеризується високою складністю фізичних процесів. Показано, що в залежності від умов співудару можуть виникати такі явища, як рикошет краплі, її розбризкування, сплеск, плівкові течії, кратери.



В загальному випадку припускається наявність двох областей у зоні взаємодії: 1- плівкова течія суцільної рідини по твердій поверхні; 2 - бризковий шар, в якому бризки, що відбиваються, взаємодіють з краплями натікаючого бризкового потоку. Схема експериментальної установки приведена на рис. 6. Потік, що створюється бризковим генератором, мав задану швидкість та необхідну концентрацію крапель. Останнє забезпечувалося за допомогою решітки з різною кількістю рівномірно розподілених отворів. Пластина, що досліджується, могла обертатися відносно потоку на кут до величини || =90о.

Метою цих експериментів було визначення коефіцієнтів гідродинамічних сил Сy , Сх і поляри Сy ( Сх ) в залежності від кута б та параметрів бризкового потоку. Вимірювалися гідродинамічної сили (вздовж потоку - Х, бічна складова - Y) як функції кута атаки - . Графіки залежностей СX() та СY() (рис.7) добре апроксимуються формулами:



(рад), (13)

Експериментально підтверджується той факт, що має місце зсув максимальних значень підйомної сили в бік більших кутів атаки ? 55о~60о (рис.7). Цей ефект частково пояснюється присутністю сил в'язкості, що обумовлені шаром рідини, яка тече по поверхні пластини. Для порівняння можна відмітити, що для пластини з подовженням = 2 у випадку обтікання її суцільним потоком експериментально одержано максимальне значення Y при ~ 22O.

Четверта частина дисертації присвячена експериментальному дослідженню процесів переносу імпульсу газо-бризковим потоком всередині пристінної суперкаверни. Для проведення досліджень явища переносу імпульсу бризковим потоком з вільної поверхні рідини на тверду стінку під дією газового струменя, що вдувається між поверхнями, була спроектована та виготовлена установка зі щільовим газовим соплом (рис.8). Експерименти проводилися на гідродинамічній трубі в ІГМ НАН України. Середня швидкість потоку води в гідротрубі - 8.9 м/с, розміри відкритої робочої частини - 2000 х 340 х 340 мм. Ширина повітряного сопла - 280 мм, висота щілини сопла hc = 0.65 мм., Sc = 182 мм2.

Газорідинний бризковий потік створював на пластині довжиною L бризковий опір Хb. Безрозмірне значення імпульсу газового струменю визначалося по відношенню до розміру повного опору пластини Х0 = 43.75 н : . Розраховувалась також безрозмірна величина бризкового опору по відношенню до імпульсу газового струменя.

На рис.9 можна виділити дві характерні області: І - область малих зазорів 0.01 < < 0.03, де бризковий опір сильно залежить від розміру зазору та слабо залежить від кута б. На цій ділянці бризковий опір можна приблизно оцінити співвідношенням (14)

II - область великих зазорів 0.03 < < 0.06. В цій області бризковий опір залежить від кута атаки б і слабо залежить від величини зазору . Бризковий опір можна оцінити наступним співвідношенням, для 0.052 < б < 0.23 вираженого в радіанах: (15)

Пунктиром відмічено апроксимаційну криву

(16)

Для діапазону розрахункових параметрів 0.01 << 0.06, б = 3о, 0.25 ? ? 1.0 запропоноване апроксимаційне співвідношення



Апроксимаційні залежності (14 - 17) для розрахунку бризкового опору зручно використовувати в комп'ютерних програмах, що моделюють пристінні суперкавітаційні течії, для визначення оптимального зазору пристінної каверни і режиму піддуву газу. З метою зниження бризкового опору і оптимізації зазору в пристінній суперкаверні треба враховувати критичний розмір зазору , який для умов даного експерименту дорівнював 3% довжини твердої стінки (рис.9).

У п'ятому розділі роботи досліджуються можливості керування бризковим потоком у пристінній області, а також вплив вдуву газу на бризковий опір поверхні.

Якщо газ тече у зазорі між твердою та рідинною поверхнями, то зірвані краплі прискорюються до швидкості газу і можуть переносити на тверду поверхню значну частину своєї енергії. При достатньо високій швидкості газу і малих зазорах викликаний течією газу бризковий опір твердої поверхні може перевищити імпульс газового потоку чи значення опору при суцільному обтіканні рідиною (В.І.Риков.). Виникає задача - вчинити протидію розширенню бризкового шару рідини та попаданню бризок на тверду поверхню.

Для виявлення характеру взаємодії крапель, що рухаються, з потоком газу, який вдувається через перфоровану стінку, розглянуто течію у плоскому каналі, що має вигляд напівсмуги з шириною h (рис.10). Газ поступає в канал через верхню стінку нормально до неї зі швидкістю Vg= const , так що його витрата через довільний перетин каналу дорівнює Vg · x .

Розподіл швидкості газу (вважаємо оточення нестислим) приймаємо у вигляді: (18)

Крапля з радіусом стартує в момент з початковою швидкістю із точки , яка знаходиться на межі каналу. Приймаємо, що в наступні моменти часу крапля рухається в потоці, що зноситься, під дією лише сили опору (тобто не враховуємо силу тяжіння і силу, що обумовлена завихренням потоку) (Г.Уоллис). Система рівнянь для розрахунку траєкторії краплі має вигляд:

Тут с, сg - густини води і газу; сх - коефіцієнт опору. На рис.11 приведено зразок розрахунку траєкторій крапель для різних значень при б = 90о. Як бачимо, в залежності від значення швидкості вильоту, радіуса і місця вильоту краплі можуть досягати чи не досягати протилежної стінки каналу.

Рис.11. Траєкторії крапель при різних значеннях параметрів.

Таким чином, для повного вилучення бризкового опору (в модельній задачі) достатньо вибрати швидкість вдуву газу Vg так, щоб краплі не досягали протилежної стінки. Критичною швидкістю вильоту краплі буде така швидкість, що при < крапля не досягає стінки. При збільшенні поздовжньої швидкості у каналі U одержимо критичну швидкість Uкр, коли наступає зрив крапель з поверхні. Формула для розрахунку другої критичної швидкості має вигляд (Ю.Н.Маменко): Uкр = Vg? x / h ? 15 м/с. Результати, що одержані для окремої краплі, можна узагальнити на їхню статистично визначену множину, якщо об'ємна концентрація крапель у потоці - сk не перевищує критичного значення (для сферичних часток сk ? 0.03, коли середня відстань між частками дорівнює їх 10 діаметрам), (Г.Уолліс).

Для експериментального дослідження взаємодії бризкового струменя з потоком повітря було розраховано та виготовлено спеціальні моделі перфорованої поверхні. Окремо було створено установку и виконане спеціальне дослідження поля швидкостей повітря, що витікає із отворів дослідних моделей. Аналіз розрахунків та результатів експериментів дозволяє вдосконалити метод зниження бризкового опору шляхом вдуву струменів газу у нормальному до поверхні напрямку. Ефект полягає в тому, що краплі рідини, які перебороли швидкісний опір газових струменів і потрапили на поверхню, відкидаються у вигляді двофазного струменя від поверхні. Це запобігає в'язкій взаємодії з поверхнею, посилює взаємодію з бризковим потоком та перешкоджає подальшому досягненню бризками перфорованої поверхні.

Бризковий потік, що виникає під час розпаду витікючого з сопла плоского струменя води, спрямовувався на поверхню моделі під кутом б = 3о ч 6о. Досліди проводилися з двома моделями перфорованої поверхні:

Модель № 1 - прямокутна дюралюмінієва пластинка з ребристою поверхнею. Поверхня її мала профільні пази трикутної форми з внутрішнім кутом 40о, глибиною 5 мм, кроком 5 мм, внутрішнім радіусом скруглення 1 мм та гострими зовнішніми ребрами. У западинах смуг свердлились отвори з діаметром 0.8 мм і з повздовжнім кроком 12 мм (32 ряди по 40 отворів).

Модель № 2 - пластина з гладкою плоскою поверхнею таких же розмірів у плані, як модель № 1, з отворами діаметру 0.7 мм, що свердлилися з поперечним кроком 3 мм і поздовжнім - 7мм (7 рядів по 65 отворів).

Результати представлені залежностями зниження бризкового опору від імпульсу піддуваємого повітря ДR1(I1), віднесених до початкового бризкового опору R0 (рис.12). Аналіз експериментальних результатів свідчить, що підвищення імпульсу піддуву не завжди супроводжується адекватним зниженням опору. Так, піддув в межах I1 ? 0.5 приводить до різкого падіння опору ДR1 до 0.5 ч 0.7. А подальше підвищення імпульсного піддуву I1 > 0.5 приводить до асимптотичного зниження бризкового опору. Експеримент на моделі № 2 показав, що всі криві лежать в області I1 > ДR1, тобто витрати перевищують виграш в опорі. Мабуть такий ефект слід віднести до особливостей конструкції і форми плоскої поверхні з перфорацією. Дійсно, для моделі № 1 майже всі криві лежать в області I1 < ДR1 (рис. 12). При цьому виграш у зниженні опору над затраченим імпульсом може досягти 200 ч 300 %. Аналіз експериментів з моделлю № 1 показав, що ефективне зниження опору відбувається при піддуві, що виконується з кроком між рядами отворів 96 мм (4 рядка) и 48 мм (8 рядів). Подальше зниження інтервалу між рядами до 24 мм (16 рядів) и 12 мм (32 ряда) до помітного зниження опору не приводить.

Шостий розділ дисертації присвячено експериментальному дослідженню гідродинамічної підіймальної сили циліндра, що глісує по поверхні суперкаверни з круглим перетином, в залежності від занурення задньої крайки циліндра Н, кута атаки б та відношення діаметрів циліндра D і западини DВ. Експерименти проводилися у відкритій робочій частині імпульсної гідротруби з розмірами 115х115х1500 мм, на швидкості 9.6 м/с, з використанням спеціального пристрою, що показаний на рис.13. Моделями були циліндри з діаметрами D = 20; 30; 40; 51.5 мм, що встановлювалися під кутом б та вертикально занурювались крізь вільну циліндричну поверхню зі швидкістю 2.5 мм/с. На рис.14 приведено фото моделі, що занурена.

a) Су б = 10о б) Су б = 10о

Рис.15. Залежність Су від и числа Fr при глісуванні циліндрів:

а)-по плоскій поверхні; б)-у западині суперкаверни з DВ = 57 мм.

Результати експерименту представлені на рис.15 графіками залежностей коефіцієнта під'ємної сили Су від занурення при різних кутах атаки б для випадку глісування моделей по плоскій поверхні та циліндричній западині. Видно чітке зростання коефіцієнта підіймальної сили зі збільшенням масштабу моделей та відповідною зміною величини числа Фруда Fr =13ч22.

Для практичного використання результатів експериментів (рис.15а,б), можна запропонувати наступні апроксимаційні залежності (20) та (21) відповідно:

де б = 1о ч8о в радіанах, (20)

де , б = 1оч10о (21)

Порівняння одержаних результатів при глісуванні циліндра по плоскій поверхні з результатами інших авторів (А.Д.Васін, Е.В.Паришев, Т.Кіценюк) показали добрий збіг для відповідних величин б , H , Fr. При глісуванні моделі у циліндричній западині можна бачити зростання Су при збільшенні відношення D /DВ від величини 0.3 до 0.9 (рис.15б). Зі зростанням кута атаки б до 10о ч 15о коефіцієнт підіймальної сили зростає в 2 ч 4 рази порівняно з плоскою поверхнею. При зменшенні відношення D /DВ від величини 0.9 до 0.3 результати експерименту наближаються до результатів глісування циліндра по плоскій поверхні.



ВИСНОВКИ

Експериментальні дослідження та розрахунки дозволили визначити основні параметри і загальні закономірності утворення пристінних суперкаверн на тілах обертання та плоских поверхнях. Широке коло проведених досліджень дозволило одержати нові результати, основні з яких полягають в наступному:

1. Визначені особливості внутрішніх газових та бризкових течій, властивих пристінним суперкавернам. Вказано на наявність поблизу вільної поверхні суперкаверни як додатних, так і від'ємних градієнтів швидкості та критичної відносної швидкості, вище якої починається зрив бризок. Запропоновані формули для визначення діапазону припустимих швидкостей газу та оптимальних зазорів всередині пристінних суперкаверн. Для розрахунків розмірів пристінних суперкаверн запропоновано ввести ефективне число кавітації у*, що враховує зниження швидкісного напору в примежовому шарі.

2. На основі застосування узагальнених схем суперкавітаційного обтікання визначені розміри оптимального корисного об'єму суперкаверн, циліндричних корпусів та розміру пристінних суперкаверн. Запропонована формула для розрахунку ефективності використання суперкавітаційної схеми обтікання на тілах обертання. Розроблена комп'ютерна підпрограма для розрахунку кільцевих зазорів між корпусами моделі і поверхнею суперкаверни, яка входить в розроблену в ІГМ програму SCAV для проектування форми і параметрів суперкавітаційних моделей.

3. Для розвинених бризкових течій встановлені залежності коефіцієнта гідродинамічного опору плоских поверхонь від кута натікання і концентрації бризок, а для газово- бризкових течій в зазорах між твердою стінкою та вільною поверхнею водяного потоку вказано на наявність двох характерних режимів бризкового опору: сильної і слабкої залежності бризкового опору від зазору, та його критичної величини 0.03L, що їх розділяє. Для розрахунку бризкового опору запропоновані апроксимаційні співвідношення, які зручно використовувати в комп'ютерних програмах при моделюванні пристінних суперкавітаційних течій.

4. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження показали можливість запобігти перенесення імпульсу від бризкового потоку на тверду поверхню за допомогою спеціального розподілу піддуву газу в нормальному напрямку через ряди перфорації в поверхні. Експериментально виявлена перевага ребристих поверхонь у реалізації механізму зниження бризкового опору за рахунок допоміжної ролі ребер у формуванні газових струменів. Досягнутий максимальний ефект зниження бризкового опору для проникної поверхні в три рази перевищує затрачений на здув бризок імпульс.

5. При глісуванні циліндрів по плоскій та увігнутій поверхні рекомендовано додатково враховувати дію гідростатичної сили і підпору у вигляді суцільних і бризкових струменів. Результати експериментальних досліджень дозволяють рекомендувати апроксимаційні співвідношення для розрахунку коефіцієнта гідродинамічної сили при глісуванні циліндра по плоскій поверхні та у циліндричній западині.



ПУБЛІКАЦІЇ

1. Савченко Г.Ю. Исследование сил, возникающих на пластине в бризговом потоке / Савченко Г.Ю. // Вестник НТУУ «КПИ», «Машиностроение» - 1999. - № 36, Т.2.- С. 362-368.

2. Савченко Г.Ю. Моделирование процессов, возникающих на несущих поверхностях в бризговом потоке / Савченко Г.Ю., Савченко В.Т. // Вестник НТУУ «КПИ», «Машиностроение» - 2000. - № 38, Т.2.- С. 227-232.

3. Савченко Г.Ю. Управление бризговим потоком вблизи твердой поверхности / Савченко Г.Ю. // Прикладная гидромеханика. - 2003. - Т.5 (77), № 4. - С. 58-63.

4. Савченко Г.Ю. Влияние вдува газа на бризговое сопротивление поверхности / Савченко Г.Ю. // Прикладная гидромеханика. - 2004. - Т.6 (78), № 2. - С. 60-64.

5. Савченко Г.Ю. Оценка эффективности использования суперкавитации на осесимметричних корпусах / Савченко Г.Ю., Савченко Ю.Н. // Прикладная гидромеханика.-2004.-Т.6 (78), № 4.-С.78-83.

6. Савченко Г.Ю. Пристеночная суперкавитация на вертикальной стенке / Савченко Г.Ю., Савченко Ю.Н. // Прикладная гидромеханика. - 2006. - Т.8 (80), № 4. - С. 53-59.

7. Савченко Г.Ю. Глиссирование цилиндра по поверхности суперкаверни / Савченко Г.Ю., Савченко Ю.Н. // Прикладная гидромеханика. - 2007. - Т.9(81), № 1. - С.81-85



АНОТАЦІЯ

Савченко Г.Ю. Гідродинамічні характеристики пристінних суперкавітаційних течій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 01.02.05 - механіка рідини, газу та плазми. - Інститут гідромеханіки НАН України, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено вивченню пристінних суперкавітаційних і бризкових течій методом гідродинамічного експерименту з наступною обробкою та узагальненням одержаних результатів.

Визначені основні параметри і загальні закономірності утворення пристінних суперкаверн на тілах обертання та плоских поверхнях. Показано вплив примежового шару на розмір пристінних каверн, коли розміри кавітатора менші розмірів пограничного шару. Методом осереднення швидкості в шарі та залучення до розрахунку ефективного числа кавітації були одержані формули обчислення для кавітаційного опору пристінних суперкаверн. Окрему увагу приділено струменевим і бризковим течіям, що виникають всередині пристінних суперкаверн. Експериментально та чисельним моделюванням одержані оптимальні параметри розподіленого вдуву газу, коли зниження опору досягає максимального значення. Виявлена перевага реберчастих поверхонь у реалізації механізму зниження бризкового опору. Розроблені комп'ютерні підпрограми для проектування форми суперкавітуючих об'єктів з врахуванням форми каверн і зазору в пристінних суперкавернах, а також для розрахунку параметрів пристінних суперкавітаційних та бризкових течій. Удосконалена методика дослідження глісування тіл обертання в каверні дозволила виявити залежність коефіцієнта підйомної сили від кута атаки, глибини занурення задньої кромки та відношення діаметрів тіла обертання і суперкаверни.

Ключові слова: суперкаверна, пристінні течії, бризкові потоки, опір, глісування, експеримент.

АННОТАЦИЯ

Савченко Г.Ю. Гидродинамические характеристики пристеночних суперкавитационних течений. - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.05-механика жидкости, газа и плазми. - Институт гидромеханики НАН Украини, Киев, 2008.

Диссертация посвящена изучению пристеночних суперкавитационних и бризгових течений методом гидродинамического эксперимента с последующей обработкой и обобщением полученних данних.

Экспериментальние исследования и расчети позволили определить основние параметри и общие закономерности образования пристеночних суперкаверн на телах вращения и плоских поверхностях.

Указано на наличие критической относительной скорости газа на свободной границе зазора между телом и искусственной суперкаверной више которой свободная граница будет неустойчивой и начнётся её распад.

Показано влияние пограничного слоя на величину пристеночних каверн, когда размери кавитатора меньше размеров пограничного слоя. Методом осреднения скорости в пограничном слое и ввода в расчет эффективного числа кавитации били получени расчетние формули для определения кавитационного сопротивления пристеночних кавитаторов, а также виражение для оценки эффективности применения пристеночной кавитации с целью снижения гидродинамического сопротивления плоской поверхности. Получено теоретическое виражение для оценки эффективности и области применения суперкавитации с целью снижения полного гидродинамического сопротивления на телах вращения путём замени гидродинамического сопротивления трения поверхности сопротивлением кавитатора образующего эквивалентную по объёму тела суперкаверну. Специальное внимание уделено струйним и бризговим течениям, возникающим внутри пристеночних суперкаверн. Экспериментально апробирована модель течения на пластине, обтекаемой бризговим потоком, включающая слой текущей жидкости и бризговой слой. Экспериментально и численним моделированием получени оптимальние параметри распределенного вдува газа, при котором снижение сопротивления достигает максимальной величини. Указано на наличие критической величини зазора между телом помещенним в каверну и свободной границей при уменьшении которой происходит стремительное увеличение сопротивления твёрдой поверхности. Обнаружено преимущество ребристих поверхностей в реализации механизма снижения бризгового сопротивления. Таковое следует отнести на счет вспомогательной роли ребер в направлении струй при их формировании. Разработани компьютерние подпрограмми для проектирования форми суперкавитирующих объектов с учетом форми каверн и зазора в пристеночних суперкавернах, а также для расчета параметров пристеночних суперкавитационних и бризгових течений. Усовершенствованная методика по исследованию процессов глиссирования тела вращения в каверне позволила установить зависимость коэффициента подъемной сили от угла атаки, глубини погружения задней кромки и отношения диаметров тела вращения и суперкаверни.

Ключевие слова: суперкаверна, пристеночние течения, бризговие потоки, сопротивление, глиссирование, эксперимент.



ABSTRACT

Savchenko G.Yu. Hydrodynamic characteristics of the wall cavitation flows. Manuscript. Thesis to acquire the candidate of technical science academic degree in speciality 01.02.05 -mechanics of fluids, gas and plasma. - Institute of Hydromechanics National Academy of Sciences, Kyiv, 2008.

The dissertation is dedicated to the wall supercavitation and spray flows research. The study is based on the method of hydrodynamic experiment with following processing and generalization of the obtained data. Experimental research and calculations allow to find the main parameters and regularity of the wall supercavity creation on a solid of revolution and flat surface. The role of a boundary layer influence to the size of the wall cavern when a cavitator size is smaller then the boundary layer is shown. The design equation for a cavitation drag of the wall cavitator is obtained. Special attention is devoted to flush and spray flows that appear in a wall supercavity. The optimum performance of a drag reduction for distributed gas blowing is obtained experimentally and numerically. The drag reduction advantage of ribbed surfaces is discovered. PC subroutines to design the supercavitating objects shape are suggested. They allow to calculate wall-supercavity boundary clearances, parameters of the wall supercavitation and spray flows. Improved methodic of the investigation of a body of revolution gliding in the cavern process is allowed to determine the correlation between a lifting force coefficient, attack angle, immersion depth of a tail edge and the rate of diameters of the body of revolution and supercavity.

Key words: supercavity, cavern, wall, flows, spray, drag, reduction, gliding, experiment, surface, gap, clearance, gas, water, blowing.

Размещено на Allbest.ru