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

70

В формуле (63) численное значение постоянной С зависит от’

.начальных условий (da и ѵоср) и может быть выражено как функ­ ция вида

где фп — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент пропорциональности фп является величиной пе­ ременной, зависящей от начальных условий и ряда других факто­ ров. В данном случае это фактор ограничения струи свободной поверхностью.

Определение численного значения коэффициента фп представ­ ляет несомненный интерес, поэтому на основе экспериментальных данных были найдены численные значения фп в пределах проводи­ мых экспериментов.

На основании формул (63) и (64)

v?Z

(65)

dог'оср

Численные значения коэффициента фп для истечения струй из насадков диаметром 5, 10, 20 мм с различными начальными скоро­

Рассматривая данные табл. 19, можно сделать следующие вы­ воды:

1. Увеличение начальной скорости истечения ооср Для одного

итого же насадка вызывает уменьшение фп.

2.Увеличение диаметра выходного отверстия насадка do при­ водит к увеличению фп.

3.Уменьшение глубины подтопления насадка во всех случаях ведет к уменьшению численной величины срп.

4.Ограничение потока существенно влияет на численное значе­ ние коэффициента фп и в каждом конкретном случае должно учи­ тываться.

Скоростные поля потока в случае ограничения свободной по­ верхностью и вертикальными твердыми стенками. Опыты прово­ дились в гидравлическом лотке с бетонным дном, покрытым гра­ вием. Ширина лотка b = 38 см (7, 6 м в натуре).

71

Опыты проводились при следующих условиях:

исследовались диаметры насадков 5 и 10 мм (в натуре соот­ ветственно 0,1 и 0,2 ж);

изменялись глубины подтопления насадков от Ida до 3doСкорости течения измерялись на трех вертикалях, при этом на

двух из них (у стенок лотка) измерялись только поверхностные скорости течения, а по осп лотка (средняя вертикаль)— на боль­ шей части глубины.

Проводилось сопоставление скоростного поля потока, образо­ ванного импульсной струей, с потоком, образуемым стационарной струей при одинаковых начальных напорах в насадке для обоих

ПОТОКОВ (Но с-т = Н т а х им = 1,6-г- 1,7 М ) .

Скоростные поля по ширине и глубине лотка на различных удалениях от насадка приведены на рис. 34.

Из рисунка видно, что наибольшая неравномерность распре­ деления скоростей пульсирующего потока имеет место на началь­ ном участке длиной 100 см (в натуре 20 м); на этом же участке явно выражено различие в величинах скоростей пульсирующего и сплошного потоков. При этом скорости сплошного потока больше скоростей пульсирующего потока. На большем удалении от на­ садка происходит постепенное выравнивание скоростей потока по ширине, а также и приближение скорости пульсирующего потока к скорости сплошного потока. На расстоянии 200—250 см (в на­ туре 40—50 м) скорости обоих потоков становятся почти одина­ ковыми.

Следует отметить, что пульсирующий поток характеризуется значительным волнообразованием на свободной поверхности.

Наибольшее приближение пульсирующего потока к скоростям потока, образуемого стационарной струей, имеет место при под­ топлении насадка тіа глубину hn.n = 2do- В этом случае скорости пульсирующего потока, одинаковые со скоростями потока, обра­ зуемого стационарной струей, наблюдаются на расстоянии 250— 300 см (в натуре 50—60 м) от насадка, тогда как при затоплении hn.и = Ido скорости пульсирующего потока становятся незначитель­ ными уже на расстоянии 100—150 см (в натуре 20—30 м).

Распределение скоростей по глубине потока при этом же под­

длиной 4 м, шириной 30 см (в натуре соответственно 80 м и 7,6 м), выложенном слоем гравия, исследование скоростей пульсирующего

Скоростное поле пульсирующего потока изучалось в сравнении со скоростными полями двух потоков, образованных стационар­ ной струей: 1) при одинаковых начальных напорах Н — 2,2 м, но

72

различных средних расходах и 2 ) при.одинаковых'средних рас­ ходах Q h m = Q c i u i = 270 см3/сек, но различных начальных напорах,

Яо спл= 0,3 М ИЫ т а х и м =2,2 М.

Данные обработки измеренных скоростей даны на рис. 35. Анализ опытных данных показывает:

Стеклянный лоток

1dg

2,5d0

5do

Ш о

15d0

17d0

Рис. 34. Скоростные поля потоков в лотке большой глубины

1. При малых глубинах лотка (/гл = 9,5 см) наилучшее распре­ деление скоростей имеет место при глубине подтопления насадка /іп.п=2с?о. В этом случае поверхностные скорости пульсирующего потока больше, чем при других глубинах затопления.

73

2. При глубине примерно вдвое большей (/гл =21 ши) повер ностные скорости' пульсирующего потока меньше, чем поверхност­ ные скорости при малой глубине, что и следовало ожидать.

■При всех глубинах подтопления насадка эпюры скоростей пуль­ сирующего потока при глубине лотка 9,5 и 21 см мало между со-

\

бой отличаются, хотя сохраняется по-прежнему несколько лучшее распределение скоростей при lia.u = 2 do.

3. При сравнении эпюр скоростей пульсирующего пото с эпюрами потока, создаваемого стационарной струей, при разных средних расходах (<2пульс = (2епл) поверхностные скорости пульси­ рующего потока на начальном участке (на первой половине длины потока) превышают, иногда даже значительно, скорости потока,

74

образованного стационарной струей. На'второй части длины ско­ рости сравниваемых потоков имеют почти одинаковое значение, сохраняя, однако, в ряде случаев превышение скоростей пульси­ рующего потока над скоростями сплошного потока.

5. Дальность распространения пульсирующего потока при ма­ лых глубинах уменьшается с увеличением глубины подтопления насадка и при всех затоплениях'Насадка меньше дальности рас­ пространения потока, образуемого стационарной струей, т. е. на­ блюдается более быстрое затухание скоростей по длине потока.

а в некоторых случаях даже превышает скорости сплошного потока.

И с с л е д о в а н и е с к о р о с т н о г о п о л я п у л ь с и р у ю ­ ще г о п о т о к а в ш и р о к о м д е р е в я н н о м л о т к е . Для выявления влияния ширины лотка на характер скоростного поля пульсирующего потока были проведены опыты в сравнительно широком деревянном лотке, 6 = 73 см (в натуре 14,6 м).

Опыты проводились при тех же условиях, что и в узком лотке: Яо =10 мм, hn.H= ldo и 2do и глубина воды в лотке — /гл = 9,5 и 21 см.

Сопоставление скоростей пульсирующего и сплошного потоков в широком лотке со скоростями в узком лотке, т. е. при увеличении ширины лотка почти вдвое, показывает, что:

1. Распределение скоростей по ширине пульсирующего потока в лотке довольно равномерное и даже более выравнено, чем в уз­ ком деревянном лотке при тех же условиях.

2. При одинаковых напорах (Но Сі = Нтахіт) скорость пульси­ рующего потока по сравнению со скоростью потока, образованного стационарной струей, также более выравнена по ширине лотка. В то время как в сплошном потоке при малых подтоплениях на­ садка (hu. n = ld 0 и 2 do) имел место сбой потока к одному борту с образованием водоворота, в пульсирующем потоке такого явле­ ния не наблюдалось.

3.При одинаковых расходах импульсной и стационарной струй пульсирующий поток имеет большие скорости и более равномер­ ное распределение их по ширине.

4.Сравнивая эпюры скоростей по ширине и глубине потока для узкого и широкого лотков, можно видеть, что площади эпюр ско­ ростей в широком лотке значительно больше, чем в узком. Это говорит о различии проходящих по лоткам расходов потоков — расход в широком лотке значительно больше, чем в узком. Раз­ ница объясняется различием в величинах эжекционных расходов.

И с с л е д о в а н и е с к о р о с т н о г о п о л я п у л ь с и р у ю ­

75

ння лесоматериалов на тиховодных рейдах возникла необходи­ мость изучения скоростного поля пульсирующего потока в кори­ доре, ' подобного главному и коллекторному коридорам сортиро­ вочно-формировочных, устройств. С этой целью проведена серия опытов в деревянном модельном коридоре шириной 38 см (в на­ туре 7, 6 м) .

Изучение скоростного поля в потоках, образованных импульс­ ной и стационарной струями, производилось при следующих ус­ ловиях:

глубина воды в коридоре Ігл —21 см\

глубина подтопления насадка /гп. и= 2а?о и ha.n = 3do;

величина заглубления стенок коридора Ігп.15= (1,5н-2)/гп. н, т. е.

3do и 5c/o-

Из рис. 36, на котором даны эпюры скоростей исследуемых по­ токов, следует: .

1. Поверхностные скорости течения пульсирующего потока в ко­ ридоре меньше, чем скорости в лотке такой же ширины (при всех прочих одинаковых условиях) за исключением начального участка потока длиной 100 см (в натуре 20 м).

Эпюры распределения скоростей на вертикалях для сравниваем мых потоков также показывают, что скорости по глубине потока в коридоре меньше, чем в лотке, это объясняется наличием расте­ кания струй под стенки коридора и уменьшением расхода воды

вкоридоре по сравнению с расходом в лотке.

2.Скоростные режимы пульсирующих потоков при исследован­ ных значениях /гп. п и hn.к не имеют существенных различий ме­ жду собой, что опять-таки объясняется растеканием струй под

стенки коридора.

Исследование характера изменения осевой скорости пульсиру­ ющего потока. При исследовании скоростных полей пульсирующего потока для различных случаев его ограничения было уделено осо­ бое внимание измерению величины осевой скорости vz на различ­ ных расстояниях Z от потокообразователя.

Результаты проведенных измерений сведены в табл. 20. Как видно из таблицы, для всех случаев ограничения потока верти­ кальными твердыми стенками, как доходящими до дна, так и не связанными с ним, наблюдается общая закономерность изменения осевой скорости.- Произведение VzZ для всех случаев ограничения остается (с некоторым приближением) , величиной постоянной. Этот факт указывает на то, что осевая скорость потока с измене­ нием расстояния от потокообразователя изменяется по закономер­ ности, близкой к гиперболической и, следовательно, удовлетворяет равенству:

где — коэффициент пропорциональности.

Ддя наиболее характерных случаев ограничения потока нами вычислены численные значения коэффициента <р' (см. табл. 20).

76

Анализируя полученные численные значения q / , можно сделать

некоторые предварительные .выводы.

1. Увеличение глубины воды в лотке (при прочих равных ус­ ловиях) ведет к увеличению численной величины q / .

2. Увеличение расстояния между ограничивающими вертикаль­

ными твердыми стенками также ведет к увеличению численной ве­ личины

3. Ограничение потока вертикальными стенками, не доходя­

щими до дна водоема, ведет к уменьшению численной вели­ чины q/ .

77

Т а б л и ц а 20

Начальные условия опытов:

d0=10 мм t>ocp=3,40 м/сек

78

4. С уменьшением высоты подтопления (/гл.к) вертикальных стенок численное значение ср^ уменьшается.

Мы отчетливо понимаем, что проведенные исследования не охватывают всех вариантов ограничения потока даже в установ­ ленных пределах диаметров выходных сечений насадков и началь­ ных скоростей истечения импульсных струй. Поэтому полученные сведения о закономерностях изменения численной величины коэф­ фициента являются далеко не полными, а физическая сущность

его не раскрывалась. Все сказанное выше мы ставим задачей на­ ших дальнейших научных исследований.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Если из выходного круглого отверстия конического насадка, ра­ ботающего под переменным напором, будет вытекать импульсная струя жидкости, то, как показывает эксперимент, такая струя, распространяясь в ограниченном только свободной поверхностью водном пространстве, образует на некоторой глубине от поверхно­ сти поток масс жидкости. На некотором очень малом расстоянии Z’ от плоскости выходного сечения насадка (см. рис. 30) образо­ ванный поток распространяется аналогично характеру распростра­ нения импульсной струи в неограниченном водном пространстве. Ограничение водного пространства свободной поверхностью ока­ зывает влияние на конфигурацию потока и формирование его ско­ ростных полей. На участке Z" возбужденный поток, как установ­ лено опытами, представляется близким к полуконически расширя­ ющемуся потоку, имеющему площади поперечных сечений весьма схожие с полукругами.

Если ось струеобразующего насадка принять за ось коорди­ нат OZ, а центр выходного сечения насадка — за начало коорди­ нат, то возбужденный импульсной струей поток будет занимать некоторое пространство, ограниченное на близлежащем к выход­ ному отверстию насадка участке поверхностью вращения aa'ßß', симметричное относительно оси OZ (см. рис. 20). Осевые скорости фронта импульсной струи при этом являются максимальными по­ верхностными скоростями течения, которые и рассматриваются нами как максимальные осевые скорости возбужденного потока.

Импульсная струя создается при истечении жидкости из на­ садка при переменном напоре Я*, являющемся функцией макси­

мального напора Нтах, ускорения приращения напора Н и вре­ мени t, т. е.

Переменная начальная скорость истечения струи из насадка выразится равенством

(6 8 )

79