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

Опираясь на теорию Тейлора, по которой турбулентные каса­ тельные напряжения в потоке определяются поперечным перено­ сом вихрей, и используя основное дифференциальное уравнение движения жидкости в установившемся струйном потоке, Г. Н. Аб­ рамович в своих теоретических исследованиях затопленной газо­ вой струи приходит также к выводу о гиперболическом характере изменения осевой скорости на основном участке струп п получает зависимость для осевой скорости в следующем виде:

0,48

где <р =

а + 0,145 do ’

а — экспериментальная константа, зависящая от структуры струи, в начальном сечении для воздуха а = 0,07 ч-0,08.

Для величины диаметра d сечения струи, находящегося на рас­ стоянии Z от насадка, им получена аналитическая зависимость

струи.

10

В. М. Коновалов исследовал водные струи в неподвижном водном пространстве. Считая, что масса струи изменяется по длине за счет подсасывания в нее жидкости из окружающего простран­ ства, В. М. Коновалов применяет к струе общее уравнение дви­ жения потока с переменной массой. Принимая давление в струе постоянным и пренебрегая обычными, силами трения, он считает, что секундное количество движения в каждом сечении струи имеет одно и то же значение. Из уравнения динамического равновесия, составленного с учетом сил сопротивления трения, и из уравне­ ния постоянства количества движения Коновалов получает для средней скорости в сечении струи, отстоящем на расстоянии Z от насадка, следующее выражение:

пг — опытная константа.

Из сравнения формул (1), (3) и (6) видно, что для затоплен­ ных струй, газовых и водяных, применимы одни и те же уравне­ ния, отличающиеся только значениями экспериментальных кон­ стант.

Несколько позднее В. Я- Чичасов, исследуя энергетическую спо­ собность затопленной струи, установил характер растекания сво­ бодной струи при истечении в покоящуюся жидкость и в спутный поток. Им также дана картина распределения скоростей и дав­ лений в различных поперечных сеченияхсвободной затопленной гидравлической струи. Если же гидравлическая струя распростра­ няется в неограниченном пространстве при отсутствии в нем ско­ рости течения, то Чичасовым дается выражение для осевых ско­ ростей, которое аналогично (1), если не принимать во внимание последнего слагаемого

где ср = 5,35.

В. Я- Чичасовым установлено, что когда направление струи совпадает с направлением потока, в котором она распространя­ ется, то струя практически исчезает на расстоянии ЗОО^о от на­ садка. Опытным путем определена закономерность убывания ки­ нетической энергии свободной гидравлической струи по мере уда­ ления рассматриваемого сечения от выходного отверстия насадка. Величина кинетической энергии струи изменяется обратно пропор­ ционально средней скорости спутного потока, т. е. чем больше средняя скорость спутного потока, тем медленнее убывает кинети­ ческая энергия при всех прочих равных условиях.

11

Опыты Финляндского государственного механического завода, проведенные в 1949 г. с потокообразователем «Валмет-11Б», по­ казали, что рассеивание свободной затопленной гидравлической струи, экранированной со стороны дна и свободной поверхности, происходит на расстоянии свыше 40(Мо от начального сечения на­ садка.

Существенный фактор, влияющий на дальность распростране­ ния затопленной гидравлической струи — величина начальной ско­ рости истечения струи из насадка в окружающую среду.'Исследо­ вания Ю. М. Шехтмана показывают, что с увеличением скорости истечения струн увеличивается влияние окружающей среды на

распространения струи в плане при больших начальных скоро­ стях ее.

С. Н. Бушмарин, исследуя распространение осесимметричной струи несжимаемой жидкости, вытекающей в спутный однородный поток той же жидкости, приходит к выводу, что осевая скорость осесимметричной струи, вытекающей в спутный с нею поток, изме­ няется обратно пропорционально квадрату текущего радиуса тран­ зитной струи, т. е.

токе, нежели в спокойной жидкости. Тенденция увеличения даль­ ности распространения осесимметричной струи в спутном потоке объясняется им увеличением осевых скоростей во всех сечениях струи по сравнению со случаем отсутствия спутного потока, а также уменьшением интенсивности падения осевых скоростей -по мере удаления от насадка. Это также объясняется изменением формы транзитной струи, что в свою очередь приводит автора к установлению закономерности изменения формы граничного слоя турбулентной осесимметричной струи по закону кубической па­ раболы.

Основываясь на теории Толмиена—Абрамовича для края пло­ ской струи, Л. А. Вулич и Н. Л. Леонтьева провели теоретические и экспериментальные исследования движения в области смешения двух плоских потоков (параллельных — спутных и антипараллельных — встречных), изучали распространение осесимметричной струи в спутном и встречном потоках, встречное движение осе­ симметричных струй. Экспериментальным путем ими получены картины полей скоростей для каждого случая, хорошо согласую­ щиеся с теоретическими данными.

Рассматривая представленную Г. Н. Абрамовичем схему сво­ бодной турбулентной струи, распространяющейся в бесконечность,

12

В. А. Бахарев приводит некоторые уточнения ее, а именно — струя жидкости с конечными скоростями, расходом и энергией приво­ дит в движение также конечную массу окружающей жидкости. Этот основной принципиальный вывод „сразу же приводит его к це­ лому ряду других заключений.

Движение жидкости, составляющей струю, может совершиться только в пространстве, ограниченном конечными размерами, т. е. может быть только замкнутым, с замкнутыми линиями тока.

На некотором расстоянии от источника радиус, осевая ско­ рость и расход струи вдоль оси Oz становятся малыми и стремятся к нулю; струя в направлении Oz замирает.

Распределение безразмерных продольных скоростей во всех по­ перечных сечениях основного участка струи одинаково. Это озна­ чает, что безразмерные продольные скорости в струе являются

функцией только безразмерного расстояния от оси струи.

Vz — осевая скорость в том же сечении; R — радиус струи;

Rm — расстояние от оси до данной точки.

На базе указанных и других предпосылок В. А. Бахаревым ус­ танавливаются основные зависимости для свободной струи, общие положения и некоторые количественные соотношения для тече­ ния жидкости в стесненной струе. Полученные результаты под­ тверждаются обработкой экспериментальных данных различных авторов.

П. В. Мелентьев предложил в 1952 г. новую теорию свободной струи, построенную на отрицании некоторых теоретических пред­ посылок учения о турбулентных струях ученых L. Prandtl, W. Tollmien и Г. Н. Абрамовича. Основными недостатками теории

L.Prandtl П. В. Мелентьев считает следующие.

1.Формирование скоростного поля струи не подчиняется еди­ ному закону, так как принятый в качестве отправного положения фиктивный турбулентный источник дает приближение расчетной струи к действительной только для достаточно удаленных от сопла

точек (на основном участке); а формирование скоростного поля на начальном участке механически привязано к такому формиро­ ванию.

2. Отсутствие общего уравнения для сопел произвольного кон­ тура и невозможность его получения при принятых в теории

L.Prandtl предположениях.

3.Невозможность применения теории L. Prandtl для расчета струи нового типа без предварительного проведения лабораторных исследований по определению коэффициента структуры «а».

13

П. В. Мелентьев рассматривает струю произвольного началь­ ного профиля ее поперечного сечения. Он полагает, что частицы вещества струи при вылете их из сопла обладают как основной ѵо, так и пульсационной скоростью ѵл, последняя из которых для каждой частицы различна по величине и направлению. Исследуя вышеуказанные скорости, им устанавливается, что не все коли­ чество движения, исходящее из элемента сопла, устремляется в направлении основной скорости ѵ0, часть его рассеивается. Рас­ сматривая струю в пространстве постоянного давления и пренеб­ регая силами внутреннего трения частиц, П. В. Мелентьев указы­ вает на обязательность прямолинейного перемещения элементар­ ных количеств движения, вне зависимости от направления тока вещества, образующего струю.

В этом случае для элементарного пучка частиц интенсивность

где Ф(/і, г ) — функция, учитывающая вызванное пульсацией рас­ сеяние количества движений и удовлетворяющая условию

При допущении, что структура турбулентности, а вместе с тем и функция Ф(/г, г) одинаковы для всех точек сопла, общая интенсив­ ность прохождения секундного количества движения будет равна интегралу, взятому по всей площади сопла

цию для круглого сопла, получив большую сходимость с подоб­ ными экспериментами, проведенными в 1915 г. Т. Трюпелем. Ав­

где b — 13 — константа для сопла любого сечения; / —длина участка (потока).

Теория несвободной гидравлической струи дальнейшее свое развитие получила в работах, проведенных кафедрой водного тран­ спорта леса ЛТА им. С. М. Кирова, где исследуются закономер­ ности распространения затопленных струй в ограниченном'прост­ ранстве тех же физических свойств как в неподвижном, так и при наличии спутного потока. Затопленная несвободная гидравличе­

14

ская струя, вытекающая из конического насадка (рис. 2), пред­ ставляется конусообразно расширяющимся потоком, начинаю­ щимся от кромок его выходного отверстия. На всем протяжении струя, входящая'во взаимодействие с окружающей однородной с ней жидкостью, непрерывно меняет свои гидравлические пара­ метры, что объясняется непрерывностью взаимодействия струи с окружающей средой. Ограничение этой среды дном, берегами и свободной поверхностью оказывает существенное влияние, огра­ ничивая и дальность ее действия. Для струй, имеющих сравни­ тельно небольшие подтопления под горизонт воды в водоеме, характерным является образование в этом водоеме потока со значи­ тельными скоростями течений вблизи свободной поверхности. Воз­ бужденный гидравлической струей поток является потоком прост-

Рис. 2. Схема распространения гидравлической струи в ограниченном прост­ ранстве

ранственным, распространяющимся на ближайшем расстоянии от насадка подобно свободной затопленной гидравлической струе. Вследствие влияния на него продольных граничных условий со стороны дна, боковых стенок и свободной поверхности, он превра­ щается в поток, который нельзя рассматривать, отвлекаясь от этих граничных условий. При своем распространении в ограниченном водном пространстве этот поток вызывает образование в. плане двух боковых водоворотных областей и целого ряда водоворотов на своем продолжении. Между ними, отклоняясь от стенки

кстенке, двигается так называемая транзитная струя (см. рис. 2). Наибольший интерес представляет основной участок, поскольку

он может быть использован для перемещения лесоматериалов как транспортный поток. На нем возбужденный струей поток распро­ страняется осесимметрично относительно продольной оси движения жидкости, и эпюры скоростей в поперечных его сечениях представ­ ляют собой фигуры, близкие к полуокружности. При этом вели­ чина начальной скорости истечения из насадков не влияет на конфигурацию поперечных сечений потока. При незначительных глубинах водоема только на части длины основного участка

15

сохраняется конфигурация поперечных сечений,- близких к полу­ окружности. На остальную часть потока будет оказывать дейст­ вие дно водоема, и конфигурация живых сечений представляется в виде вытянутых полуэллнпсов и даже фигур, напоминающих прямоугольник.

Закон изменения осевых поверхностных скоростей возбужден­ ного струей потока на основном участке имеет ярко выраженный гиперболический характер и с достаточной точностью может быть представлен формулой (1) А. Я. Миловича, отличающейся только коэффициентом пропорциональности ср.

Исследования возбужденного потока позволили установить, что величина ср является переменной величиной, отражающей влияние факторов, действующих на распространение и изменение осевых поверхностных скоростей течения возбужденного потока. Анали­ тическое выражение для коэффициента ср может быть записано формулой

do— диаметр выходного отверстия насадка, м\

по — скорость истечения струи из насадка, м/сек\

g— ускорение силы тяжести, м/сек?.

Врезультате проведенных лабораторных исследований уста­ новлена рабочая длина потока (расстояние L вдоль оси потока от сечения выходного отверстия насадка до створа со скоростью не менее 0,2 м/сек), зависящая от глубины и ширины водоема, за­ глубления и диаметра насадка, начальной скорости истечения струи. Применив к движению возбужденного струей потока общее

уравнение для потока с переменным расходом, предложенное В. М. Коноваловым, для рабочей длины потока получим следую­ щую аналитическую зависимость:

g — ускорение силы тяжести, м/сек?.

Если не учитывать влияния на распространение возбужденного потока берегов водоема, в котором он распространяется, а прини­

16

мать во внимание только влияние дополнительных стенок, роль которых выполняют боны (без козырьков и с козырьками), обра­ зующие рейдовые сооружения, а также их наклон (сужение кори­ дора козырьками в нижней части) и заглубление стенок под уро­ вень воды, то расчетная длина возбужденного струей потока мо­ жет быть определена по формуле

Рабочая длина возбужденного струей потока при одной и той лее ширине водоема и всех прочих равных условиях мало изменяется с изменением глубины водоема, но все лее при возрастании глу­ бины до 4 м наблюдается увеличение L. Это объясняется влиянием шероховатости русла. При дальнейшем увеличении глубины от 4 до 10 м величина L уменьшается, что объясняется возрастанием масс, вовлекаемых в возбужденный поток.

При ширине коридора от 3 до 20 м и постоянном заглублении стенок уменьшение ширины приводит к увеличению дальности рас­ пространения потока. Это относится к гидравлическим струям, вы­ текающим из насадков с выходными диаметрами от 200 до 800 мм при заглублении насадков не выше \,5do.

Изоляция участка вертикальными стенками существенно изме­ няет картину растекания поверхностных струй потока. При умень­ шении угла наклона между вертикальными стенками наблюдается увеличение дальности распространения потока по длине водоема. Интенсивность боковых водоворотов снижается. Параллельно рас­ положенные стенки приводят к еще большей стабилизации боко­ вых водоворотов и эжекционных расходов и соответственно к воз­ растанию длины потока. При заглублении нижних кромок верти­ кальных стенок Азаг-З^ (0,7 — 0,8)1г, где h — глубина воды в водоеме на трассе потока, дальность распространения потока оказывается близкой к дальности его распространения при вертикальных стен­ ках, -доходящих до дна, но не связанных с ним. При дальнейшем уменьшении заглубления стенок дальность распространения по­ тока уменьшается, что объясняется увеличением взаимодействия потока с окружающей его водной средой. Экспериментальными и производственными исследованиями установлено, что наибольшее относительное приращение длины возбужденного потока дости­ гается при диаметрах выходных отверстий струеобразующего на­ садка от 500 до 800 мм и скоростях истечения из насадка от 6 до 12 м/сек при всех прочих равных условиях.

Результаты проведенных научных исследований нашли широ­ кое применение на лесосплаве для продвижения как сплоточных единиц, так и отдельных бревен. Они, по

2 Зак. 34

фундаментальной теоретической базой для использования гндроускорнтелей на лесосплавных рейдах, работающих в условиях под­ пора при малых нлп почти полностью отсутствующих скоростях течения воды в водоемах.

Экспериментальные исследования по использованию гидравли­ ческих струй на лесосплаве имеются у ряда зарубежных авторов:

Тоге—Nilsen, Veloj О., Kivela А., Oram R., Förthmann E., Saarela

и др.

Способность аккумулировать огромные запасы энергии и пре­ вращать ее в энергию механическую — важнейшее свойство водя­ ных струн. Однако гидромеханизация, применяемая в настоящее время в промышленности и создающая непрерывно истекающие струи, не способна придавать нм кинетическую энергию жела­ тельно большей величины, поэтому увеличение энергетического по­ тенциала водяных струй является проблемой гидромеханики.

Решение данной проблемы многие исследователи увидели в ис­ пользовании для этих целей импульсных гидравлических стру-й. Над созданием механизмов, образующих импульсные струн с вы­ соким динамическим давлением, и их промышленной эксплуата­ цией работают как у нас, так и за рубежом.

За последние годы в зарубежной печати появился целый ряд работ по исследованию жидкостных струй сверхзвуковой скоро­ сти. В. Диппе и В. Cassen исследовали истечение жидкостных им­ пульсных струн из сопел диаметром 0,13—0,20 мм. Авторы опре­ деляли скорость переднего фронта сверхзвуковой импульсной струи по углу Маха на фотографии струн. Однако распределение скоро­ сти по оси струи и тем более по поперечному сечению ее авторами не исследовано.

Весьма ценными являются работы советских ученых по со­ зданию оригинальных конструкций водометов, изучению теорети­ ческого и практического использования импульсных струй жид­ кости сверхзвуковой скорости.

В Институте горного дела им. А. А. Скочинского в течение нескольких лет выполнялись исследования по установлению закономерностей процессов разрушения горных пород струями во­ ды высокой скорости (импульсными и стационарными). Импульс­ ные струи создавались специальными поршневыми гидрокомпрессорамн К-17 и ГК 2/2. Стационарная струя создавалась специ­ ально разработанным устройством типа мультипликатора. Прове­ денные авторами Ю. Г. Копяшиным и Г. М. Веселовым опыты показали, что для резания горных пород применение импульсных струй более эффективно, чем стационарной. В лабораторных усло­ виях Е. А. Сигаевым были проведены исследования эффективно­ сти разрушения различных материалов импульсными струями, ко­ торые показали преимущества импульсных струй перед стационар­ ными. Если стационарные струи в большинстве случаев оказались неспособными разрушать образцы горных пород, то импульсные достаточно эффективно их разрушали. Форма разрушения свиде­ тельствовала об отсутствии влияния размыва. Автором установ­

18

лено, что с применением импульсных струй отпадает необходи­ мость в высоких напорах.

Отдел быстропротекающих процессов Института гидродина­ мики СО АН СССР совместно с сотрудниками Якутского филиала СО АН СССР под руководством Б. В. Войцеховского провели исследования с целью проверки высоконапорных импульсных струй для измельчения горных пород. Опыты проводились в лаборатор­ ной установке импульсного водомета ИВ-4. В водомете использо­ валась энергия сжатого воздуха, находящегося в ресивере. Тяже­ лый поршень разгонялся сжатым воздухом и ударял по столбу воды в цилиндре, выталкивая ее через сопло с большой скоростью, равной 800 м/сек, и развивая при этом динамический напор струи при выходе из сопла до 5000 кг/см2. Длина струи, выбрасываемой из водомета при выстреле, около 15 000 мм. Давление, развиваемое водометом, зависит от правильного выбора насадка, согласно вы­ ражению

где-/С — константа, зависящая от конструкции водомета; do — выходной диаметр насадка.

Завышение без должных оснований диаметра насадка водомета приводит к резкому снижению динамического напора, а энергия поршня в основном теряется на тормозе. Поэтому в каждом кон­ кретном случае необходимо теоретическое обоснование выбора диаметра выходного сечения насадка.

Некоторые вопросы теории и практического использования вы­ соконапорных импульсных водяных струй разработаны М. А. Лав­ рентьевым, Б. В. Войцеховским, Э. А. Антоновым.

Исследования высокочастотных импульсных гидравлических струй, создаваемых гидравлическими компрессорами поршневого типа, основанными на принципе работы кривошипно-шатунного механизма, проведены М. А. Лисицей. Автор исследовал импульс­ ные струи высокой частоты пульсации (1000 им/мин), вытекающие из насадка диаметром 5 мм. Основные параметры, характеризую­ щие струю, — начальная скорость истечения, расход, эффективная длина и др., автором выражены аналитической зависимостью через параметры гидрокомпрессора:

где Ѵі — максимальная скорость импульса; ѵкр— скорость кривошипа;