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

истечения струи и при одной и той же начальной скорости—-умень­ шается с увеличением степени заглубления струеобразующего на­ садка (рис. 28 а, 6, в, г) .

Характерной особенностью плоской картины возбужденного им­ пульсной струей потока является образование ряда симметричных относительно оси потока водоворотных областей, создающих как бы естественные границы транзитной части потока.

Число симметричных водоворотных областей возрастает (при прочих равных условиях) с уменьшением диаметра насадка и на-

60

Т а б л и ц а 15

Рис. 28. Схема распространения пульсирующего потока в широком ' водоеме

чальной скорости истечения струи и увеличивается с увеличением степени заглубления насадка (см. табл. 11, 12, 13).

По мере удаления от выходного отверстия насадка скорости масс жидкости снижаются, поток затухает, и это затухание со­ провождается образованием в конце потока ряда водоворотных областей со скоростями течения меньшими 0,1 м/сек'.

Ширина транзитного потока увеличивается с увеличением диа­ метра выходного сечения насадка и уменьшается с уменьшением начальной скорости истечения струп. При одной и той же началь­ ной скорости ширина транзитного потока уменьшается с увели­ чением степени заглубления и струеобразующего насадка.

Длина (в направлении потока) первых от струеобразующегонасадка водоворотных областей равна длине участка расширения потока. При малых диаметрах и начальных скоростях водоворот­ ные области имеют форму эллипса, с увеличением диаметра на­ садка и начальной скорости истечения они вытягиваются вдоль.

движения потока, принимая форму, близкую к овалу. Последую­ щие симметричные водоворотные области при малых начальных скоростях и диаметрах выходных сечении насадков имеют форму, близкую к кругу. По мере увеличения диаметра насадков и на­ чальных скоростей истечения струп водоворотные области прини­ мают форму эллипсов с большими осями, параллельными осп по­ тока. Число водоворотных областей уменьшается, а их размеры увеличиваются.

При увеличении диаметра насадка и начальной скорости ис­ течения длина расширяющейся части потока увеличивается. По­ ток быстро затухает, распространяясь на меньшую длину. Умень­ шение степени заглубления насадка до 0,5с?о вызывает еще большее увеличение длины расширяющейся части потока и бы­ строе его затухание. Общая длина потока уменьшается. На сво­ бодной поверхности жидкости наблюдается сильное волнообразо­ вание.

Анализируя табличные данные, можно видеть, что наибольшая длина возбужденного потока наблюдается при истечении струи из насадка диаметром 5-нЮ мм (в натуре 100-н200 мм), затоплен­

Рассматривая представленную плановую картину растекания возбужденного струей потока с точки зрения возможности ее ис­ пользования в целях лесосплава можно считать, что такой поток

к главным воротам сортировочных устройств, а также и в других случаях.

Влияние дополнительных вертикальных стенок, ограничиваю­ щих пульсирующий поток по ширине. При постоянных расходах и начальных скоростях истечения импульсных гидравлических струй было осуществлено ограничение потока вертикальными пло­ скими стенками, дополнительно установленными в водоеме как доходящими до дна лотка, так и находящимися при различных

Ограничение по ширине потока, возбужденного импульсными струями в широком водоеме, существенно изменяет его плановую картину (рис. 29 а, в). В каждом случае импульсная струя, воз­ буждая поток массы жидкости, образовывала две симметричные относительно оси потока водоворотные области. Границами водо­ воротных областей являлись:

1) образующие боковой поверхности потока — от кромок вы ходного сечения насадка до ограничивающих поток вертикальных стенок;

62

2)длина вертикальных стенок (в направлении потока) — от плоскости выходного сечения насадка до границы расширения по­ тока;

3)плоскость выходного сечения насадка.

Длина водоворотных областей уменьшается с увеличением на­ чальной скорости истечения струп (при прочих равных условиях) и увеличивается при увеличении степени заглубления насадка

(табл. 14).

Рис. 29. Схема пульсирующего потока в коридоре:

а —заглубление стенок при ^загл=0,7Я; б —заглубление стенок при //=/і

Вдоль вертикальных стенок в направлении потока наблюдалось интенсивное турбулентное движение масс жидкости. Ширина зоны интенсивной турбулентности незначительна, длина же ее в про­ водимых экспериментах находилась в пределах 100-f-275d0.

Длина зоны интенсивной турбулентности (при прочих равных условиях) увеличивается с увеличением диаметра выходного сече­ ния насадка, равно как и с увеличением начальной скорости исте­ чения струи и степени заглубления струеобразующего насадка.

При увеличении начальной скорости до 4,95 м/сек (в натуре22,1 м/сек) струи из насадка диаметром 5 мм (в натуре 0,1 м)

63

Т а б л и ц а 14

Общие условия:

в зоне 160 см-і-230 см от насадка (в натуре 36 лг-г-46 м) наблю­ далось образование водоворотной области. При уменьшении началь­ ной скорости до 2,4 м/сек (в натуре 11,7 м/сек) истечения струи из насадка диаметром 100 мм (в натуре 0,2 м) водоворотная область наблюдалась в зоне 195 слгн-235 см (в натуре 39 м-т-47 м). При других начальных скоростях истечения и диаметрах выходных се­ чений насадков водоворотных областей в ограниченных потоках не наблюдалось.

Во всех случаях возбужденные импульсными, струями пульси­ рующие потоки сопровождались интенсивным волнообразованием на свободной поверхности жидкости.

64

Рассмотренные выше потоки, возбужденные «импульсными стру­ ями, с точки зрения практического их применения могут быть ис­ пользованы, например, в сортировочно-сплоточных и формировоч­ ных устройствах лесосплавных рейдов, а также в гидравлических лотках деревообрабатывающих предприятий.

Конфигурация потока'. Рассмотрим конфигурацию потока, воз­ бужденного импульсной струей в ограниченном свободной поверх­ ностью и боковыми вертикальными стенками водном пространстве. Исследование проводилось по методике, аналогичной методике ус­

в сечении вертикальной плоскостью, проходящей через ось на­ садка, схематично изображена на рис. 30.

Импульсная струя, вытекая из конического насадка с круглым

жидкости, ни боковые стенки не оказывают существенного влияния на ее истечение, распространяется как в неограниченном водном пространстве. Площади поперечного сечения струи на участке Z' близки к площади круга.

Длина рассматриваемого участка Z’ уменьшается по мере уменьшения глубины подтопления насадка, а при глубине до Ido и меньшей длина его равна нулю. Поскольку исследовались пуль­

сирующие потоки при заглублении насадка в пределах 3do4—^-do

и длина участка Z’ была незначительной или вообще равнялась нулю, постольку данный участок тщательному изучению не под­ вергался.

На границе АА' импульсная струя выходит на свободную по­ верхность, что тотчас же приводит к перераспределению скоростей течения масс жидкости потока. Выход струи на свободную поверх­ ность сопровождается интенсивным волнообразованием. На уча­ стке Z" наблюдается расширение потока и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Площади поперечных сечений, потока близки к площади полукруга (рис. 31). На границе ВВ' расшире­ ние потока в вертикальной плоскости завершается и на значитель­ ной длине его устанавливается более или менее постоянная вы­ сота h движущихся масс жидкости. Численные значения h

установившегося вблизи свободной поверхности потока, в диапа­ зоне проводимых исследований, приведены в табл. 15.

Таблица 15

Примечание. Числа, стоящие под чертой, соответствуют натурным условиям.

На участке ВС наблюдается дальнейшее расширение потока в горизонтальной плоскости, продолжающееся до границы СС' встречи его с вертикальными ограничивающими твердыми стен­ ками. Длина участка Z'" приведена в табл. 14. На участке ВС на распространение возбужденного потока оказывает влияние не только свободная поверхность водоема, но и ограничивающие вер­ тикальные стенки.

При дальнейшем распространении потока в ограниченном вод­ ном пространстве ширина его остается равной расстоянию между ограничивающими вертикальными стенками, а глубина постепенно уменьшается. Площади поперечных сечений приближаются к пло­ щади полуэллипсов (рис. 31, в).

Методом скоростного фотографирования экспериментально ис­ следована форма боковой поверхности потока на участке. Резуль­ таты исследования сведены в табл. 16.

Согласно полученным экспериментальным данным для всех рассмотренных случаев истечения импульсной струи построена кривая, являющаяся на исследуемых участках образующей боко­ вой поверхности потоков (рис. 32). Как показывают проведенные исследования, форма кривой (образующей) существенно не зави­ сит от начальной скорости истечения струи и, следовательно, мо­ жет быть выражена одной (для всех случаев) аналитической за­ висимостью, связывающей переменные величины г и Z.

При анализе полученных экспериментальных данных установ­ лено, что связь между г и Z подчиняется функциональной завн-

66

енмости вида r = a Z ^ + - ~ - , где а и ß — безразмерные коэффици­

енты. Численные значения коэффициентов а и ß, общие для всех случаев начальных скоростей истечения струи и диаметров выход­ ных сечений насадков, соответственно равны: а = 0,025 и ß = 1,42.

Таким образом, образующая боковой поверхности потока, воз­ бужденного импульсной струей в ограниченном свободной поверх­ ностью водном пространстве, запишется аналитически равенст­ вом:

Сводка численных значений Z и г, вычисленных по формуле (62) в сравнении с экспериментальными данными, приведена в табл. 17.

17 В последующем формула (62) будет служить уравнением связи между параметрами потока Z и г.

Скоростные поля потока в ограниченном только свободной поверхностью водном простран­ стве. Экспериментальное исследо­ вание закономерностей измене­ ния осевых и средних скоростей потока, возбужденного импульс­ ной струей вблизи свободной по­

верхности, на участке длиной до 50 см (в натуре до 10 м) было выполнено по методике, описанной выше.

Ограничение водного пространства свободной поверхностью осуществлялось путем уменьшения степени заглубления струеобра­ зующего насадка. Причем на исследуемом участке боковые стенки и дно лотка на распространение импульсной струи существенного влияния не оказывали.

С целью выяснения непосредственно опытным путем характера изменения осевой скорости движения массы жидкости потока осо­

68

бенно внимательно были' выполнены измерения величины скоро­ сти фронта импульсной струи по оси потока на различных расстоя­ ниях от плоскости выходного сечения насадка.

Совокупность проведенных измерений приводится в табл. 18, где приняты следующие обозначения:

ѵо ср — средняя начальная скорость истечения струи; кп — глубина подтопления насадка;

At — время смены кадра фоторазвертки.

Проведенные исследования показали, что для всех рассмотрен­ ных нами случаев распространения импульсной струи в ограничен-

S s . Z V -

ном водном пространстве наблюдается общая закономерность из­ менения осевой скорости фронта импульсной струи. Действи­ тельно, осевая скорость изменяется обратно пропорционально рас­ стоянию вдоль оси потока от плоскости выходного сечения на­ садка, причем, как видно из последних столбцов табл. 18, величина произведения vzZ в каждом отдельном опыте остается, с некото­ рым приближением, постоянной, т. е.

Полученное равенство указывает на гиперболический характер зависимости, т. е. осевая скорость фронта импульсной струи, рас­ пространяющейся’ в ограниченном водном пространстве, с увели­ чением расстояния уменьшается по кривой, близкой к гиперболе, симметричной относительно осей координат (рис. 33).

69