книги из ГПНТБ / Дмитриев Ю.Я. Гидравлические импульсные струи на лесосплаве

Впроводимых экспериментах предусматривалось:

1.Определение оптимальных начальных параметров, при которых достигается пульсирующий поток в криволинейном коридоре, равномерный по его ширине и длине, без водоворотов.

2. Изучение скоростного поля потока в криволинейном коридоре

и на выходе из него.

3.Установление транзитной части потока и исследование зако­ номерности изменения его скоростного режима.

ПЛОСКАЯ КАРТИНА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА

Пульсирующий поток в криволинейном коридоре встречает со­ противление боковых стенок и поддона. Вследствие этого энергия потока расходуется на преодоление гидравлического сопротивле­ ния от взаимодействия с ограничивающими поверхностями кори­ дора, изменение конфигурации потока и возникновение продоль­ ной и поперечной турбулентности, образование водоворотных зон. Кроме того, энергия потока расходуется на сообщение массам жидкости потока скорости поступательного движения и ряд дру­ гих явлений, сопровождающих пульсирующий поток.

Плановая картина потока (см. рис. 37) характеризуется на­ личием двух водоворотных зон: водоворотная зона у внутренней выпуклой ограничивающей стенки коридора (левый борт) и водо­ воротная зона у внешней вогнутой ограничивающей стенки кори­ дора (правый борт).

Расположение водоворотных зон в коридоре и их геометриче­ ские размеры зависят от величины диаметра струеобразующего насадка {do), начальной скорости истечения импульсной струи (поср), отстояния ускорителя от криволинейного коридора (/), формы и геометрических размеров коридора {Во и В) (табл. 24).

В криволинейном коридоре с шириной выходного створа 20 см водоворотные зоны у левого борта лежат между первым и чет­ вертым створами, в коридоре с шириной выходного створа 35 см — между первым и шестым створами и в коридоре с шириной выход­ ного створа 53 см — между первым и седьмым створами.

В коридоре В = 20 см зоны водоворотов наиболее вытянутые и имеют небольшую ширину. С увеличением ширины выходного створа водоворотные зоны увеличиваются по длине с постепенным увеличением ширины и достигают 2/з ширины выходного створа коридора.

У правого борта водоворотные зоны для всех рассматриваемых случаев лежат между первым и третьим створами. С увеличением ширины выходного створа их длина почти не изменяется, а ши­ рина водоворотных зон уменьшается.

При всех прочих равных условиях геометрические размеры во­ доворотных зон уменьшаются с увеличением отстояния ускорителя от входного створа криволинейного коридора и начальной скоро­ сти импульсной струи, увеличиваются с увеличением диаметра струеобразующего насадка.

90

Т а б л и ц а 24

91

.92

При всех прочих равных условиях геометрические размеры во­ доворотных зон уменьшаются с увеличением отстояния ускорителя от входного створа криволинейного коридора и начальной скоро­ сти импульсной струи' и увеличиваются с увеличением, диаметра струеобразующего насадка.

При значениях параметров, указанных в опытах № б, 8, 14, 16, 23 (3), водоворотные зоны практически не наблюдаются, по всей длине и ширине криволинейного коридора устанавливается равно­ мерный пульсирующий, поток. На выходе из криволинейного ко­ ридора пульсирующий поток вступает во взаимодействие с уста­ новившимся стационарным потоком,, образуя в зоне abed суммар­ ный поток. Границей cd суммарного потока является водоворот, образующийся на выходе из криволинейного коридора вдоль пра­ вого бона прямолинейного коридора в промежутке между VIII и IX створами. Во всех проводимых экспериментах форма и гео­ метрические размеры водоворотной зоны почти не изменялись.

Начало границы ab лежит на границе водоворота в криволи­ нейном коридоре и зависит от его ширины. При отсутствии водо­ ворота граница ab начинается от левого борта криволинейного ко­ ридора. Форма и геометрические размеры границы ab -зависят от указанных выше начальных параметров и от наличия водоворо­ тов в криволинейном коридоре. Слева от границы ab наблюдались интенсивные водовороты, как результат взаимодействия двух потоков, расположенных в промежутке между V и VII ство­ рами.

В опытах № 6, 8, 14, 16, 23 (3) граница ab начиналась от ле­ вого борта криволинейного коридора и доходила до левого бона прямолинейного коридора. Вдоль границы наблюдался незначи­ тельный водоворотиый шнур, боковые водовороты отсутствовали.

Последующим экспериментальным исследованиям подверга­ лись именно эти режимы, как наиболее целесообразные для прак­ тического использования в технологии сортировочно-сплоточных операций лесосплавных предприятий.

СКОРОСТНОЕ ПОЛЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА

Импульсная гидравлическая струя, вытекая из струеобразую­ щего насадка ускорителя, в головном устройстве криволинейного коридора возбуждала пульсирующий поток жидкости в ограничен­ ном свободной поверхностью и поддоном водном пространстве. Не­ обходимым условием (как показали эксперименты) для создания равномерного пульсирующего потока в криволинейном коридоре является установка ускорителя на таком расстоянии от входного створа коридора, при котором радиальное расширение струи было бы равным или приближалось к его ширине. При этом условии в головном устройстве создается пульсирующий поток без водово­ ротов. Во входном створе эпюра скоростей потока имеет следующий вид (рис. 38). Эпюра скоростей симметрична относительно оси ко­ ридора. Максимальная продольная скорость' лежит на оси

93

коридора. По мере приближения к бортам коридора продольная скорость уменьшается по величине и у бортов коридора равна нулю.

При входе в криволинейный коридор максимум продольной скорости передвигается ближе к правому борту и тем сильнее, чем больше кривизна борта. На выходе из криволинейного коридора максимум продольной скорости вплотную подходит к правому борту. Вдоль поперечных створов происходит постепенное вырав­ нивание продольных скоростей, а в выходном створе продольная скорость почти одинакова по всей его ширине. В суммарном пуль­ сирующем потоке максимум, продольной скорости постепенно пе­ ремещается к оси коридора и после IX створа эпюра продольной скоростп принимает форму, симметричную относительно оси кори-

в

Рис. 38. Скоростное поле пульсирующего потока в криволинейном коридоре и на выходе из него

Т а б л и ц а 25

Точка ѵ%, смjce к Точка v-z смісек Точка VZ CM!cct: Точка см/сек Точка см/сек

94

дора. Линия максимальных продольных скоростей нами названа транзитной линией пульсирующего потока.

В экспериментальных исследованиях проводилось измерение продольной скорости по створам в коридоре и на выходе из него. Результаты экспериментов для условий, указанных в опыте

№14 (3), приведены в табл. 25.

Закономерность изменения максимальной продольной скорости

Скорость пульсирующего потока vz на выходе из криволиней­ ного коридора превышает скорость щ и направлена перпендику­ лярно к нему. В результате^ при взаимодействии двух потоков об­ разуется суммарный поток, представляющий собой расширяю­ щийся поток переменной массы жидкости. Осью потока (рис. 40) является кривая линия ОС, которая на некотором расстоянии L от выходного створа переходит в прямую, сливающуюся с осью прямолинейного коридора.

Продольные скорости суммарного потока постепенно затухают как по живому сечению потока, так и по его оси.

95

- Для упрощения исследования скоростного поля суммарного по­ тока допустим, что:

1)стационарный поток в прямолинейном коридоре установив­ шийся и имеет по живому сечению постоянную скорость щ;

2)скорость пульсирующего потока на выходе из криволиней­ ного коридора vz постоянная по всему сечению;

3) пульсирующий поток представляет собой плоскую струю;

4)давление во всех точках суммарного потока постоянно и равно атмосферному;

5)осевая линия тока и ось потока совпадают.

В этом случае для исследования закономерностей распростра­ нения суммарного потока можно использовать методику В. В. Ба­

турина и И. А. Шепелева. Теоретические основы этого

метода состоят в том, что если из­ вестны уравнения линий тока двух потоков фі н ф>2, то линии тока суммарного потока опреде­ ляются их сложением:

Ф==Фі-ЬФе-

Как известно, функции тока опре­ деляются уравнениями:

.V

6,—SvodY и * 2 = — ^ v xdx.

о

Распределение скоростей в пло­ ской струе предполагается извест­ ным и выражается зависимостью:

Рис. 40.. Взаимодействие двух пересе­ кающихся потоков

где ѵ' — скорость по оси потока; а — угол между вектором скоро­

сти и осью ОХ. Поэтому уравнение линий тока можно записать в общем виде

' p = v 2B f ( a , - £ , - £ - ) — j v l dx.

Рассмотрим суммарный поток в плане и выберем систему коорди­ нат так, как показано на рис. 40; начало координат в точке 0. Все рассуждения будем вести для максимальной скорости пульсирую­ щего потока. Тогда линия тока суммарного потока, пересекающего ось О'Х, в отрицательном направлении оси OY, выразится следую­ щим уравнением:

96

где vz — максимальная осевая скорость пульсирующего потока на выходе из криволинейного коридора.

В этом случае можно принять, что распределение скоростей в поперечном сечении суммарного потока подчиняется закону:

где V' и vzm — соответственно осевые составляющие скорости на

оси потока и в рассматриваемой точке по попе­ речному сечению;

X, Y — координаты рассматриваемой точки.

Так как давление во всех точках суммарного потока нами при­ нято постоянным, то количество движения в каждом поперечном сечении суммарного потока тоже должно быть постоянным.

T“

j (vz ) dy=const.

— 00

Выразим эту постоянную величину через количество движения пульсирующего-потока при ширине его, равной В:

После несложных преобразований, получаем:

- f oo I I \ 2

В выражении (98) вычислим отдельно несобственный интеграл:

В этом случае

X (v'Zm)2 • - j - = v z B

или

“ 2У Г

Формула (96) в сочетании с формулой (99) примет следующий вид:

Линии тока составляющего пульсирующего потока выражаются уравнением

Фі = ]'v'z-dY,

или после некоторых простейших преобразований имеем:

Для введения переменного параметра суммарного пульсирующего потока выполним поворот осей координат на угол а при условии, нто AX = i/tg a . Формулы перехода к новой системе координат:

Тогда уравнение линий тока суммарного потока будет выражено так:

98

Формула (108) устанавливает функциональную зависимость ме­ жду скоростями пульсирующего и стационарного потоков, углом поворота оси суммарного потока, шириной выходного створа кри­

Принимая текущую координату h за положение центра тяжести бревна, формулой (108) мы устанавливаем условие полного вы­ хода бревна из криволинейного коридора, а углом а характери­ зуем разворот бревен в суммарном потоке. Исходя из этого реше­ ние данной задачи представляет большой практический интерес для целей лесосплава.

Заменяя в формуле (100) текущую координату X через Я =

Скорость на любом расстоянии от оси суммарного потока по по­ перечному сечению будет равна

Формулы (ПО) и (111) дают плановую картину скоростного поля суммарного потока в прямолинейном коридоре.