книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

Известно, что при обтекании потоком тела несовершен­ ной формы периодически срываются вихри то с одной, то с другой стороны тела. Этот процесс вихреобразования связан одновременно и со звукообразованием. Частота такого звука, называемая струхалевой,

где %— коэффициент пропорциональности; и — скорость потока;

D — характерный размер препятствия.

Анализ реальных конструкций ГПИ показывает, что подобный механизм звукообразования существенно ска­ зывается лишь при большой амплитуде колебаний. За­ вихрения на обеих сторонах пластины вызывают перио­ дические импульсы давления, распространяющиеся со скоростью звука. Достигнув щели сопла, эти импульсы модулируют струю жидкости. При определенном расстоя­ нии между соплом и пластиной излучается звук с часто­ той

Н — расстояние между соплом и пластиной.

Звук, возникающий при срыве вихрей с пластины, относится к так называемым «краевым» звукам. За пласти­ ной возникают две вихревые дорожки Бернара—Кармана; длина звуково" волны при этом равна расстоянию h между вихрями, измеряемому по оси излучателя,

Вихревой характер возмущающей силы приводит к возбуждению пластины не только на основной частоте, но и на гармониках, при этом срывается не каждый вихрь, а через один, два и т. д. Развивая вихревую теорию, В. Н. Монахов получил следующие зависимости для ча­ стоты при разных соотношениях между расстоянием Н и шириной b щели сопла:

при 0 < Н < 5, ц < 25 м/сек

111

Формулы (52)—(54) подтверждены Монаховым экспе­ риментально.

'Рис. 52. Пластины ГПИ:

Пластина, как и сопло, является одним из основных элементов ГПИ. Она играет роль механического резона­ тора и одновременно управляет работой свистка и излу­ чает звук. В излучателях применяют пластины разной конфигурации с различными способами крепления (рис. 52). Так, в рассмотренной выше схеме излучателя (см. рис. 51)

112

»

края'пластины заострены, ее ширина одинакова по всей длине, и закреплена пластина в двух узловых точках.

Основная часть расчета пластин — это определение частот их собственных колебаний. Для пластины частоту собственных колебаний ѵп без учета влияния среды опре­

р— коэффициент, учитывающий влияние ширины;

Коэффициент нежесткости крепления cp в зависимости от частоты собственных колебаний пластины ѵ можно найти по графику (рис. 53).

Коэффициент е, учитывающий влияние присоединен­ ной массы жидкости:

Для расчета задаются производительностью уста­ новки Q и основной частотой (от 1,1 до 1,4 кгц). Опреде-

Рис. 53. Зависимость коэф­ фициента ф нежесткости крепления от частоты ѵ колебания пластины:

J — п р и Ь* = 10 м м ; 2 - - п р и Ь* — 15 м м

ляют параметры пластины: толщину /, длину консоли /, ширину Ь*\ коэффициент заострения аИ\ скорость исте­ чения жидкости и\ геометрические размеры сопла (ши­ рину щели Ь, длину щели b' и длину формирующей ча­ сти s'); расстояние Н между соплом и пластиной.

1 1 4

1 м3/ч, следовательно, Qx = Q/N = l-r-7 м3/ч. При задан­ ной производительности менее 1 м3/ч желательно приме­ нение схемы с рециркуляцией.

2. По каталогу выбирают насос производительностью

отвечают шестеренчатые, ротационно-зубчатые, вин­ товые и другие насосы.

«S ЬС 2,5 мм, в противном случае желательно выбрать другой насос или отказаться от ведения процесса при опти­ мальной ширине щели.

5. Длину щели сопла находят из уравнения

ходим плавный переход от широкого сечения' напорного трубопровода к узкой щели сопла. Такой переход лучше всего делать коническим с углом при вершине конуса не более 30° (рис. 54).

6. Ориентировочно определяют расстояние между соп­ лом и пластиной. Расстояние Я рассчитывают по форму­ лам:

для малых расстоянии Я = 0,27 иіѵ,

для больших расстояний

Я= 0,8 и/ѵ.

7.Находят толщину пластины из условий равенства частоты собственных колебаний пластины струхалевой частоте (или ее гармоникам):

при Я < 5,15 b

при Я > 5,15 Ь

При этом толщина пластины должна:

1) быть больше d (см. рис. 54), так как в противном случае резко ослабляется передача энергии от вихрей

кпластине;

2)лежать в пределах 1 < t < 4 мм, так как тонкие

пластины быстро выходят из строя, а в пластине толщи­ ной свыше 4 мм очень трудно возбудить колебания.

Если толщина пластины меньше 1 мм или меньше ши­ рины щели, то толщину необходимо удңрить или утроить. В этом случае достигается резонанс с одной из гармоник струхалевой частоты вихреобразования. При толщине пластины свыше 4 мм необходимо выбрать насос с более высоким напором или отказаться от условия резонанса со струхалевой частотой.

8. Ширину пластины находят по предложенному НИИХИММАШем соотношению Ь* — b' + (2-нЗ) мм.

9. В качестве материала пластины выбирают титан ВТЗ или коррозионностойкую сталь. Поверхность пластины должна быть шлифованной или полированной.

10. Ориентировочно находят длину консоли пластины по формуле

для стальной пластины

где t в см; ѵп в гц.

116

11. Угол 26 заостренной части пластины (см. рис. 52) выбирают в пределах 30—40°, так как при углах атаки 6 меньше 15° развивается малая подъемная сила, а при углах больше 20° увеличивается торможение потока.

12. Длину заостренной части (см. рис. 52) находят из равенства

а = ^ ctg 6.

Зная коэффициент заострения, равный all, находят коэффициент а (см. стр. 113).

13.Определяют отношения ширины пластины к ее толщине и длине.

Находят поправочные коэффициенты р, и е по форму­ лам (57) и (58).

14.Длину консоли пластины рассчитывают из урав­ нения (56). Если значение I превышает величину, полу­ ченную в п. 10, то следует пересчитать длину консоли

пластины, приняв полученное в п. 14 значение I.

15. Находят точно расстояние между соплом и пласти­ ной из уравнений (52)—(54):

при малых расстояниях

Я = 0,27 —;

’V

при больших расстояниях при Я < 5,15ft

Я = 0,8—-;

при Я > 5,156

Я = 56 0,36 (M g l -0,41) 2/3 — 0,4lJ.

Конструкции ГПИ классифицируют по характеру креп­ ления пластин (в двух узловых точках, центральное и консольное) ипо возможности регулирования основных па­ раметров (нерегулируемые, со ступенчатым и плавным регулированием, с заменой отдельных элементов типа сопла и пластины).

На частотах выше 7 кгц в излучателях используют пластины с закреплением в двух узловых точках. Дйя~~ устойчивой работы этих излучателей требуется высокая скорость истечения жидкости при ее плавной подаче, необходима также очень точная настройка системы. На

117

частотах ниже 7 кгц удобнее консольное крепление. Практика показала, что весьма удобно и надежно цен­ тральное крепление, применяемое в излучателях типа УГС конструкции НИИХИММАШа и излучателе ГС-1, разра­ ботанном в МИХМе (рис. 55).

Разновидностью ГПИ является гидродинамический мембранно-пластинчатый излучатель ГМПИ, разработан­ ный в МИХМе.1 Имеются две разновидности ГМПИ—с пря­ моугольной и круглой мембраной. В излучателе с круглой мембраной (рис. 56) последняя играет одновременно и роль сопла, так как в ней прорезано узкое отверстие для истечения жидкости. Собственные колебания мембраны упорядочивают срыв вихрей с нее, и при правильной на­ стройке .всей системы интенсивность звука за счет этого возрастает.

Другими разновидностями ГПИ являются излучатели с цилиндрическим резонансным устройством и много-' стержневые излучатели [15].

КЛАПАННЫЕ, ВИХРЕВЫЕ И ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Конструкции и теория для клапанных преобразова­ телей разработаны значительно меньше, чем для ГПИ. Клапанные преобразователи относятся к автоколебатель­ ным системам. Основы теории аэродинамических авто­

ляют колебательную систему. Незатухающие колебания и самовозбуждение возможны, если механическое сопро­ тивление резонатора, приведенное к клапану с учетом дви­ жения жидкости, имеет отрицательную активную состав­ ляющую.

Уравнение движения несжимаемой жидкости плотно­ стью р через клапан имеет вид

где I — длина цилиндрического элемента резонатора.

1 Морахов В. Н., Муслимов И. С. и др. Гидродинамический пла­ стинчатый излучатель. «Бюллетень изобретении», 1968, № 8. Авторское свидетельство № 211903, кл. 42 с, 1/20.

119