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

Решение этого уравнения при максимальной скоро­ сти ио движения жидкости дает значение предельной

Излучаемую клапанным преобразователем мощность Ра находят как для пульсирующей сферы:

рлѵ2

2с

здесь Qm— амплитудное значение расхода. Коэффициент полезного действия

лѵ2 ds v

1= ----- т~ X,

cu dx

где ds/dx — характеристика открытия сечения s клапана; X — амплитуда колебаний клапана.

Рассмотрим конструктивныеособенности клапанных пре­ образователей. Прежде всего необходимо указать, что обыч­

пан закрывается и сопротивление потоку увеличивается; тогда на конце А происходит импульсное повышение давления. Импульс давления распространяется по трубо­ проводу со скоростью звука и действует на мембрану. Давление на конце Б возрастает, а на когі)цеА уменьшается. Этот цикл периодически повторяется. Изменяя характе­ ристики мембраны и клапана, можно менять характери­ стики излучателя. В рассмотренном, излучателе в проте­ кающем потоке создаются колебания с частотой до 3 кгц и интенсивностью, достаточной для развития кавитации. Излучатель Ши-Го-Бао (рис. 58, а) и бактерицидный излу­ чатель А. Б. Телеснина (рис. 58, 6) — это типичные при-

120 .

меры систем, в которых роль клапана играет внутренняя и соответственно внешняя части мембраны. В излучателе УГИ-М (рис. 58, в) клапаном является игла на мем­ бране [15].

— Вихревой излучатель состоит из двух соосных цилин­ дрических камер разного диаметра (рис. 59). Жидкость

Рис. 58. Схемы мембранро-клапанных излучателей

■вводится тангенциально в камеру большего диаметра, закручивается и выходит из камеры меньшего диаметра. Теория вихревых излучателей не разработана. Существуют две гипотезы, объясняющие работу излучателя. По одной из них: скорость вращения жидкости при переходе из большей камеры в меньшую увеличивается в соответствии с законом сохранения момента количества движения;

ІЙ

Рис. 59. Схема вих­ ревого излучателя

на выходе из камеры образуются вихри, служащие источ­ никами звука. По другой гипотезе: в центральной части камеры при вращении возникает разрежение, в которое устремляется окружающая жидкость, затем вновь обра­ зуется разрежение при истечении и т. д. Очевидно, что вихревой излучатель аналогичен пульсационному по конструкции (одна секция трубы переменного сечения) и по механизму возбуждения звука. Частота излучае­ мого звука

где а — постоянная, учитывающая уменьшение ско­ рости вращения за счет трения (а < 1);

121

D — диаметр большей камеры; рI и р-2 — давление на входе и выходе.

Излучатели генерируют звуки до 15 кгц при интен­ сивности до 1 вт/см2.

Пульсационные излучатели представляют собой трубу переменного сечения, при течении в которой жидкости возбуждается звук. Экспериментальные и теоретические исследования подобных излучателей проведены А. Б. Телесииным.

Аналогичная, но аэродинамическая система например гофрированный шланг, может служить источником звука

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РОТОРНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

К гидродинамическим аппаратам относятся устройства типа сирен или гидродинамические роторные излучатели (ГРИ). Гидродинамическая сирена состоит из двух или более полных коаксиальных цилиндров или конусов с прорезями (рис. 60). При вращении одного из цилиндров

122

относительно другого периодически открываются прорези (на рисунке в сечении условно показаны только внешние стенки цилиндров). Это вызывает пульсационное измене­ ние радиальной скорости потока жидкости ѵг, а следо­ вательно, и давления, что схематически показано на диа­

центробежные силы инерции создают коаксиальный газо­ вый цилиндр радиусом R v Объем выделенного элемента

dV = H a- ^ r d r ,

где а — ширина щели; Ь— расстояние между щелями;

г — переменный радиус.

Кинетическая энергия выделенного элемента жидкости плотностью Ро

d5K= TPoü?dV-

Используя геометрические и кинематические харак­ теристики перекрытия щели, при угловой скорости вра­ щения со находят кинетическую энергию потока через

где ѵ0— скорость потока при г = 0.

При перекрытии щели кинетическая энергия потока переходит в потенциальную энергию деформации

123

здесь М — число Маха.

Это соотношение можно выразить через среднюю про­ изводительность

ТРИ является широкополосным излучателем. Спек­ тральные характеристики жидкостных сирен радиального типа исследованы М. А. Балабудкиным и А. А. Барамом. Учитывая, что динамическое давление в зоне отверстий включает переменную составляющую р (т), зависящую от радиальной скорости ѵг, и постоянную, зависящую от тангенциальной составляющей скорости і»к, можно за­ писать

■' Ри = \ р № + ѵ\) = р(т) + 4 - ро“ ,

шириной а' к сечению щели шириной а.

124

Выражение (59) можно разложить в ряд Фурье, как четную функцию:

р(т) = -y- + Pi cos2n-^- + p 2tos4ny -+ • • -+pKcos2kn~,

где рк — амплитуда пульсации давления на &-той гармо­ нике основной частоты ѵ = МТ.

В МИХМе* спроектирована и изготовлена универ­ сальная гидродинамичес­ кая сирена радиального типа (рис. 63). Ротор 1 и статор 2 выполнены в виде, соосных конусов и

имеют соответственно 30 и 32 прямоугольных щели. Высота ротора 100 мм, верхний диаметр 140 мм, ниж­ ний — 120 мм. По оси ротора установлена питающая труба с четырьмя рядами отверстий диаметром 2 мм. Для разгона жидкости в роторе имеются плоские лопатки. Зазор между статором и ротором регулируют микрометри­ ческой гайкой. На валу ротора закрепляют сменные шкивы, позволяющие менять угловую скорость вращения от 465 до 930 1/сек. В камере предусмотрены дополни-1

1 Царев В. П. и др. Гидроакустическая сирена. «Бюллетень изо­ бретений», 1969, № 10. Авторское свидетельство № 238918, кл. 42S,

1/20.

125

тельные гидродинамические излучатели, расположенные напротив щелей статора.

В химической и других отраслях промышленности применяют излучатели типа ГАРТ — гидродинамические аппараты роторного типа [60]. Ротор ГАРТ-1 (рис. 64), смонтированный на валу мощного электродвигателя, представляет собой кольцо с одним или несколькими ря­ дами зубьев; статор (также зубчатый) установлен в кор­ пусе или на подвесной опоре в аппаратах погружного типа.

Отличается от рассмотренных излучателей так называе­ мый генератор кавитации (рис. 65), разработанный Л. А. Сульби в проблемной лаборатории Тартуского государственного университета Т Высокооборотный дви­ гатель 1 (3000 об/мин) связан муфтой с конусообразным ротором 2, который вращается в корпусе (статоре) 3 такой же формы. На узком конце статора находятся вход­ ные штуцеры 4, а на широком конце в тангенциальном направлении — выходной штуцер 5. Рабочие поверх­ ности А статора и ротора выполнены шероховатыми, на­ пример, микрозубчатыми. При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникает интенсивная кави­ тация.

Этот излучатель объединяет в себе в какой-то мере свойства гидродинамических сирен и пульсационных излучателей типа трубы с переменным сечением.

1 Сульби Л. А. Генератор кавитации. «Бюллетень изобретений», 1969, № 9. Авторское свидетельство № 237817, кл. 42S, 1/6.

ГЛАВА VII

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ

ИЗЛУЧАТЕЛИ

Интенсификация технологических процессов в газообраз­ ных и аэродисперсных средах осуществляется аэродинами­ ческими излучателями. Аэродинамические излучатели известны человечеству весьма давно; это — его голосовой аппарат, средства сигнализации, духовые инструменты.

По характеру преобразования энергии потока газа излучатели делят на статические сирены (газоструйные свистки) и динамические сирены. Каждый из этих классов включает большое число самых разнообразных типов из­ лучателей.

ГАЗОСТРУЙНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Ж- Гартман [6, 24] построил излучатель, позволяющий получить в воздухе звуковые мощности до 50 вт. Прин­

127

Расчет генератора Гартмана (см. рис. 66) в случае равенства диаметра сопла dc диаметру резонатора dp при глубине h резонатора проводят по эмпирическим зави­

Сѵтах

2.Выбирают.рабочее давление р0(в н/м2) и определяют по нему относительный диапазон регулирования частоты

pW —Ѵ|ПІП 10Ѳо/ _ st85 (po10~5 — 0,9)%.

'Ѵшах

3. Определяют расстояние от сопла:

до начала первой области неустойчивости

ах= [1 + 0,04 (р0Ю-5 — 0,93)2] dc см, до конца первой области неустойчивости

Ьх= 1,12 dc]/р0Ю-5 — 0,9 см.

4. Длина участка первой области неустойчивости

Ьх— ах= 0,43 dc У р0Ю-«— 0,9 см.

Кромку резонатора рекомендуют помещать во второй трети интервала ахЬі, поэтому расстояние от сопла до кромки резонатора берут равным

/= ах + 0,6 (Ьх— ах).

5.Акустическая мощность

Ра = 295с?с]/"р010-5 — 0,9 вт.

*

6. Потребляемая мощность

Рэ = 5250(/?о10-5+ 1,03)[(ро10-5 + 1,03)°’29 — 1]dl вт. 7. К. п. д. излучателя

Т|9а=-£-100% . 8. Расход потребляемого воздуха

Q — 0,852 dl (ра10-5 -|- 1,03) м3/мин.

При расчетах можно также воспользоваться номограм-. мами [6]. Выходной диаметр D генератора с параболичес-

128

ким рефлектором должен в несколько раз превышать длину А, излучаемой волны, тогда угол 0 расхождения пучка определяется выражением sin 0 = 1,22 АЛ). Тол­ щина рефлектора из алюминиевых сплавов должна быть не меньше 5 мм [24]. Рекомендуется также принимать диаметр резонатора больше диаметра сопла, т. е. dp =- = (1,25ч-1,65) сіс; при этом уменьшается износ кромок, а к. п. д. возрастает втрое и больше [37 ].

Рис. 67. Генератор конструкции ГС-5А Одесского политехнического института:

I — соплом 2 — резонатор

Существует большое число конструктивных разновид­ ностей генераторов Гартмана [24].

Большая серия излучателей на частоты от 4 кгц и выше разработана в Одесском политехническом инсти­ туте М. Л. Варламовым с сотрудниками. На рис. 67 при­ ведена схема промышленного образца генератора ГС-5А.

Излучатели Буше, в которых оси сопла и резонатора расположены перпендикулярно оси излучения, исполь­ зуют специальное отражающее донышко и согласующий экспоненциальный рупор. Для повышения излучаемой мощности объединяют несколько свистков, добавляя ре­ зонансную камеру, обеспечивающую синфазную работу отдельных генераторов. Резонирующей камерой служит