Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 495, № 1, стр. 89-92

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТА

Испытание модели проточного гидродинамического генератора вихревого типа проводилось на экспериментальной базе Научного центра нелинейной волновой механики и технологии ИМАШ РАН.

Принципиальная схема стенда представлена на рис. 1. Генератор представлял собой цилиндрический стакан, в боковой стенке которого были выполнены два тангенциальных канала диаметром d_y = 2 мм для подачи жидкости в камеру генератора. Расстояние от плоскости осевого сечения подающих каналов до дна камеры l_y = 5 мм. Диаметр камеры генератора d_k = 10 мм. Камера генератора была выполнена длиной l_k = 40 мм для получения максимальной амплитуды колебаний давления в нем [5]. В качестве рабочей среды использована водопроводная вода при температуре T = 25°C. Давление воды на входе в генератор изменялось в диапазоне P_in = 0.1–5.0 МПа; на выходе P_out = 0.1–1.0 МПа. Эти давления измерялись манометрами класса 1, расход и температура воды измерялась датчиками с погрешностью ±1%. Для измерения пульсаций давления в рабочей части за генератором установлен пьезоэлектрический датчик динамического давления типа 701А фирмы “Kistler”. Сигнал с датчика поступал на усилитель-преобразователь “Kistler 5011”, а затем для записи и обработки на осциллограф “Lecroy HRO 66Zi”. В центре дна и на боковой поверхности камеры генератора на расстоянии l = 30 мм от дна проводили измерение давления манометрами и мановакуметрами класса 0.5.

Рис. 1.

Принципиальная схема гидродинамического стенда и кавитационно-волнового генератора вихревого типа: 1 – плунжерный насос, 2  – манометры, 3 – гидродинамический генератор колебаний давлений вихревого типа, 4 – рабочая камера, 5 – датчик динамического давления, 6 – осциллограф, 7 – дроссель, 8 – расходомер, 9 – регулировочный вентиль, 10 – точки измерения статического давления.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате экспериментальных исследований модели проточного гидродинамического генератора вихревого типа было получено, что при изменении диаметра сопла в диапазоне d_c /d_k = = 0.3–0.45 при P_in = 5.0 МПа, P_out = 0.1 МПа в проточной части генератора на частотах f = 4.0–4.3 кГц возбуждаются пики давления резонансного типа. С увеличением гидростатического давления на выходе до P_out = 0.3 МПа амплитуда этих пиков пульсации давления возрастает в 5 раз и достигает величины A = 0.8 МПа (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость A_max = f(d_c/d_k, P_out) при P_in = 5.0 МПа: ⚫ – P_out = 0.1 МПа, × – P_out= 0.3 МПа.

При дальнейшем увеличении давления на выходе до P_out = 1.0 МПа амплитуда этих пиков снижается. Зависимость A_max = f(d_c/d_k) является существенно нелинейной с характерным максимумом при d_c/d_k = 0.35. Эти данные свидетельствуют о резком повышении интенсивности протекания волновых процессов в камере генератора при изменении диаметра сопла в пределах d_c/d_k = = 0.35–0.45 (рис. 3). Давление на дне камеры генератора с уменьшением диаметра сопла в пределах d_c/d_k = 0.9–0.25 при P_in = 5.0 МПа и P_out = 0.1 МПа плавно возрастает с P_d = 0.003 МПа до P_d = 1.6 МПа (рис. 4).

Рис. 3.

Амплитудно-частотные характеристики пульсаций давления в проточном гидродинамическом генераторе вихревого типа при P_in = 5.0 МПа, P_out = 0.3 МПа.

Рис. 4.

Зависимость P_d = f(d_c/d_k) при P_in = 5.0 МПа, P_out = 0.1 МПа.

Зависимость P_d = f(P_in, d_c/d_k) носит сложный нелинейный характер. Так при d_c/d_k > 0.5 донное давление при всех P_in ниже атмосферного и с увеличением P_in до 5 МПа плавно снижается до P_d = = 0.003 МПа. При d_c/d_k ≤ 0.5 с увеличением P_in донное давление вначале плавно снижается ниже атмосферного, а затем при определенной величине P_in для конкретного диаметра сопла начинает резко возрастать до величины, существенно превышающей атмосферное давление.

Это связано с тем, что при уменьшении диаметра сопла в конце камеры образуется кольцевая площадка, перпендикулярная оси генератора. По-видимому, это приводит к возникновению обратного течения части основного потока от сопла к днищу камеры. Наличие вращательной составляющей потока может приводить к появлению тороидальных вихрей, размеры которых возрастают по мере уменьшения диаметра сопла. Это приводит к повышению донного давления. Вихревая кавитационная каверна, возникающая в приосевой области камеры генератора при P_in = = 5.0 МПа, P_out = 0.1 МПа, d_c/d_k = 0.9 [6], отрывается от дна и по мере уменьшения диаметра сопла смещается к нему. При d_c/d_k = 0.3–0.45 возникает неустойчивое положение вихревой каверны относительно сопла. Она возникает то перед соплом, то за ним, при этом периодически частично перекрывает проходное сечение сопла, в результате чего возбуждаются мощные пики давления. Причем этот процесс носит автоколебательный характер. Давление на боковой поверхности камеры генератора с увеличением P_in, P_out и уменьшением соотношения d_c ⁄d_k также возрастает и при P_in = 5.0 МПа, P_out = 0.3 МПа, d_c/d_k = 0.25 достигает величины P_k = 3.5 МПа, что составляет 70% от максимальной величины входного давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения исследований было выявлено следующее: при изменении геометрии проточной части камеры гидродинамического генератора вихревого типа возможно резкое повышение интенсивности протекания волновых и гидродинамических процессов. Так, при изменении диаметра сопла в пределах d_c/d_k = 0.3–0.45 в проточной части генератора при P_in = 5.0 МПа и P_out = 0.3 МПа в диапазоне частот f = 4.0–4.3 кГц возбуждаются мощные нелинейные волны, амплитуда которых достигает 0.8 МПа. Донное давление в камере генератора с уменьшением диаметра сопла диапазоне d_c/d_k = 0.9–0.25 при P_in = = 5.0 МПа и P_out = 0.1 МПа возрастает с 0.003 МПа до 1.6 МПа (почти в 500 раз). Давление на боковой поверхности камеры генератора с увеличением P_in, P_out и уменьшением диаметра сопла также возрастает и при P_in = 5.0 МПа, P_out = 0.3 МПа, d_c/d_k = 0.25 достигает величины P_k = 3.5 МПа, что составляет 70% от максимальной величины входного давления.