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

40

Зависимость изменения осевой скорости фронта импульсной струи с изменением расстояния вдоль оси OZ представлена в гра­ фическом виде (рис.-21).

Проведенные наблюдения показали, что импульсная гидравли­ ческая струя, вытекающая из отверстия конического насадка в массу однородной с нею жидкости, начиная с некоторого рас­ стояния, распространяется в ней по определенному, характерному для всех случаев закону. Действительно, с удалением точки вдоль осп OZ от выходного отверстия насадка О величина скорости фронта импульсной струи быстро падает, причем величина произ­ ведения vzZ, как видно из последних столбцов табл. 4, для всех дальнейших точек струи остается с некоторым приближением по­ стоянной, т. е.

близкой к гиперболе, симметричной относительно осей координат. В формуле (24) численное значение постоянной С зависит от на­ чальных условий, увеличиваясь с увеличением диаметра насадка

где ер — коэффициент пропорциональности.

Как известно из работ А. Я. Миловича, В. М. Коновалова и др., коэффициент ф является величиной переменной, поэтому в слу­ чае распространения импульсных гидравлических струй требует дополнительного экспериментального исследования, для чего не­ обходимо исследовать сначала начальный участок импульсной струи каждого единичного импульса. Кроме того, формула (24) иацисана с некоторым приближением и, как видно из табл. 4, также требует некоторой корректировки. С . этой целью проводи­ лось дальнейшее исследование распространения импульсной струи: определение кривой, являющейся образующей боковой поверхно-. сти струи, и формы поперечных сечений импульсной струн на раз­ личном расстоянии от плоскости выходного сечения насадка.

Исследование начального участка импульсной гидравлической струи. С применением метода скоростного фотографирования

41

наблюдалась динамика развития начального участка импульсной гидравлической струи в течение каждого единичного импульса. Масса жидкости, составляющая струю, вытекающую из круглого конического насадка диаметром do, в начальной своей стадии со­ храняет поперечное сечение, равное выходному сечению насадка. Вдоль по оси струи на ее начальном участке наблюдается ярко вы­ раженное ядро постоянной сплошности массы жидкости, имеющее форму прямого кругового конуса. Основанием конуса служит вы­ ходное отверстие насадка, вершима его лежит на оси импульсной струи.

Схематично строение начального участка представлено на рис. 22. Форма строения начального участка импульсной гидрав­ лической струи остается одинаковой для всех случаев начальных

ных струях, можно предположить, что на рассматриваемом участке действуют постоянные осевые скорости, равные начальной макси­ мальной скорости истечения струи.

Длина участка зависит не от начальной скорости истечения струи, а от диаметра выходного сечения насадка. Сравнивая ре­ зультаты третьего и четвертого столбцов табл. 5, можно с уверен­ ностью отметить, что длины начального участка как импульсной струи, так и стационарной равны по величине. Здесь наблюдается

I

ярко выраженная аналогия характера распространения импульс­ ной и стационарной гидравлических струй.

Форма боковой поверхности и поперечных сечений импульсной гидравлической струи. Как известно, свободная затопленная гид­ равлическая струя, вытекающая из цилиндрического или кониче­ ского насадка в неограниченное пространство, заполненное той же жидкостью, распространяется осесимметрично относительно про­ дольной оси струи, имея конически расходящуюся форму боковой поверхности, определяемую уравнением вида г = а/Р, где а и ß —• безразмерные коэффициенты.

Импульсная же гидравлическая струя, распространяясь в тех же условиях, но встречая при каждом единичном импульсе каж­

43

водного пространства, будет распространяться сходным образом со стационарной струей. И действительно, как показали проведен­ ные нами опыты (табл. 6), импульсная гидравлическая струя в неограниченном водном пространстве распространяется осесим­ метрично относительно продольной ее оси, непрерывно расширя­ ясь как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях.

При выходе из насадка с круглым сечением в начальной своей стадии струя имеет площадь поперечного сечения, одинаковую с насадком (площадь круга). По мере дальнейшего распростране­ ния вдоль оси OZ радиус сечения (радиус круга) постепенно уве­ личивается, причем горизонтальный радиус увеличивается быстрее вертикального в каждом сечении струн (/у>/'в), и поперечные се­ чения струи принимают форму эллипса с большой горизонтальной осью.

Рис. 23. Образующие боковой поверхности импульсной струи

На рис. 23 представлены образующие боковых поверхностей им­ пульсных струй, распространяющихся в неограниченном водном пространстве для случаев: а) do= 5 мм, Нтах— 75 см\ б) do= = 10 мм, Нтах= 100 см. На чертежах точки, обозначенные* соотт ветствуют точкам образующей поверхности струн в сечении по вертикальной плоскости; точки, обозначенные х, •— по горизонталь­ ной плоскости.

На рис. 24 дается схематическое изображение поперечных сече­ ний импульсной струи, отстоящих от выходного сечения насадка на расстоянии 50, 100, 150, 200, 250 мм. Опытами по определению конфигурации поперечных сечений импульсной гидравлической струи, проведенными с помощью скоростного фотографирования, установлено, что в подавляющем большинстве случаев поперечные сечения относительно горизонтальной оси струп на большей длине ее представляются рядом эллипсов с коэффициентом сжатия, не превышающим величины, равной 0,9.

44

Изучение формы поперечных сечений импульсной гидравличе­ ской струи дает возможность более или менее точно судить о форме ее боковой поверхности. Но чтобы смысл изложенного был более

ется равной начальной и на первых порах площадь сечения струи остается равной площади выходного сечения насадка. Взаимо­ действие струи с окружающей средой тех же физических свойств ведет к изменению радиуса ее поперечного сечения, и струя Dac-

рых а = 0,037 и ß = 1,30.

Таким образом, для импульсных гидравлических струй обра­ зующая боковой поверхности определится следующей аналитиче­

Придавая произвольные численные значения переменной . Z в формуле (26), получим вполне определенные числовые значения радиуса струи г.

Сравнение численных значений Z и г с экспериментальными данными приведены в табл. 7.

Экспериментальное определение коэффициента ср. Уже указы­ валось, что коэффициент ср является величиной переменной. Чис­ ленное значение ср зависит как от величины диаметра выходного сечения насадка и начальной скорости истечения импульсной струи, так и от ряда других факторов. Для выражения некоторых

45

параметров импульсной струи (vz, vr, Q и т. д.) через начальные (ѵо, do) знание численной величины ср крайне необходимо, поэтому на основе экспериментальных данных дается определение вели­ чины ср хотя бы в пределах проводимых экспериментов.

Пользуясь формулами (24) и (25), значение ф можно опреде­ лить следующей аналитической зависимостью:

t/zz

(27)

ѵос/ о

Исходя из данных табл. 4, найдены численные значения ко­ эффициента ф для истечения импульсных струй из насадков диа­

Рассматривая данные табл. 8, можно сделать следующие вы­ воды об изменении ф:_

1. Увеличение начальной скорости истечения ѵоСр для одного

итого же насадка вызывает уменьшение коэффициента ф.

2.С увеличением диаметра выходного сечения насадка do ко­ эффициент ф возрастает.

46

Полученные результаты указывают на полную аналогию ха­ рактера изменения коэффициента cp импульсных и стационарных струй.

Экспериментальное исследование импульсных струй, имеющих различную частоту импульсов. В проводимых экспериментах частота импульсов изменялась с помощью плоских отсекагелей, имеющих различное число кольцевых вырезов, выполненных под различными углами. Периоды циклов, продолжительность откры­ тия входного сечения насадков и продолжительность импульсов определялись по осциллограммам переменного напора. Роль неза­ висимых начальных параметров в проводимых экспериментах вы­ полняли диаметр выходного сечения насадка do, максимальный напор в насадке Нтах, период цикла Т, продолжительность откры­ тия /откр, продолжительность импульса t,m. Численные значения указанных независимых начальных параметров приведены в табл. 9.

В проводимых экспериментах определялись максимальные осе-^ вые скорости в точках, удаленных на расстояние 20, 25, 30 и" 40 см от плоскости выходного сечения насадка. Типичные осцилло­ граммы осевой скорости в точке, удаленной от насадка на рас­ стояние 25 см, представлены на рис. 25. Характерно, что с увели­ чением частоты импульсов (уменьшением Т) численные значения

в осциллограммах наблюдаются в промежутках между импуль­ сами. С увеличением частоты импульсов эти провалы уменьша­ ются, что соответствует выравниванию осевой скорости струи. Импульсная струя по характеру распространения приближается к струе стационарной.

На рис. 26 даны соответствующие кривые для различных слу­ чаев истечения импульсных струй и трех значений частоты

47

Vzmax

Ѵоср

48

импульсов: / — 7=1,2 сек, 2 — 7 = 0,6 сек, 3 — 7=0,4 сек. С увели­

Как показали опыты, с увеличением частоты импульсов наи­ большая длина ядра постоянной сплошности уменьшается. Это позволяет сделать предположение, что с увеличением частоты им­ пульсов длина начального участка импульсной струи уменьша­ ется.

Из формы кривых видно, что с увеличением частоты импульсов закономерность изменения максимальной осевой скорости с изме­ нением расстояния по оси сохраняется и остается близкой к ги­ перболической.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Если из выходного отверстия насадка вытекает импульсная струя жидкости, то, как показывают эксперименты, такая струя, попадая в пространство, заполненное той же жидкостью, не оста­ нется неизменной. Скорость частиц жидкости импульсной струи быстро уменьшается, поперечное сечение ее увеличивается, и по­ степенно она рассеивается, смешиваясь с окружающей средой.

В свободной турбулентной импульсной струе предполагается беспорядочное движение вихревых масс, при котором происходит непрерывный обмен между частицами жидкости импульсной струи и окружающей ее среды. Вследствие такого перемешивания на ме­ сто частиц жидкости импульсной струи, вытесняемых из нее и переносящих импульс движения в окружающую среду, попадают частицы жидкости, находящиеся до этого момента в относительном покое. При этом с точки зрения общего состояния движущегося в жидкой среде потока импульсная гидравлическая струя, распро­ страняясь в неограниченном неподвижном пространстве жидкости тех же физических свойств, испытывает со стороны ее на своей свободной поверхности постоянное давление.

Это условие постоянства давления со стороны окружающей жидкости непосредственно приводит к тому, что изменение вели­ чины скорости в импульсной струе возможно только при условии изменения площади ее поперечного сечения.

С другой стороны, при распространении импульсной струи в не­ подвижной массе жидкости тех же физических свойств давление вблизи ее поверхности всегда меньше внешнего давления; это объясняется тем, что такая струя всасывает и увлекает за собой частицы жидкости окружающей ее среды. Понижение давления и всасывающее, действие поверхности импульсной струи происхо­ дят оттого, что подобная поверхность является всегда вихревой и представляет собой раздел двух масс жидкости, движущихся от­ носительно друг друга с конечной разностью скоростей.