Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 6, стр. 88-96

Постановка задачи. Периодические воздействия на кожный покров человека могут влиять не только на поверхностные слои кожного покрова и на эпителий, но также на подкожные мышцы, на элементы кровеносной и лимфатических систем, на биохимические превращения, в частности, на насыщение крови связанным кислородом, на внутренние органы, на кровоток и лимфоток, а также на приток крови, лимфы и лекарственных препаратов к внутренним органам. Исследование этого требует широкого диапазона параметров воздействий: давление должно изменяться от нулевых значений (разрежение) до существенных положительных (сжатие), скорости должны иметь все три пульсирующие компоненты, частоты и амплитуды воздействий должны быть управляемыми и находиться в широком диапазоне значений.

Ранее разработанные гидроволновые устройства [1–8] для своей работы требуют погружения в воду, что создает определенные неудобства в использовании. В настоящей статье представлено волновое устройство для гидромассажа [9] (рис. 1), которое может работать при истечении рабочей жидкости, как в воду, так и в воздух.

Рис. 1.

Схема исследованного гидромассажера: 1 – корпус; 2 – завихритель; 3 – сопло; 4 – кольцо фиксирующее; 5 – дефлектор прорезной; 6, 7 – прокладки.

Устройство работает следующим образом. Водопроводная вода или вода с лекарственными добавками подается через гибкий трубопровод во входной штуцер, расположенный на корпусе 1, проходит через тангенциально-аксиальные отверстия в завихрителе 2 и выходит через сопло 3. Вращением прорезного дефлектора 5 по резьбе на внешней поверхности сопла обеспечивается его осевое перемещение и тем самым регулируется расстояние от торца сопла до тела человека. После установки требуемого расстояния оно фиксируется путем вращения резьбового кольца 4 до его прижатия к дефлектору 5. Отсутствие протечек воды между элементами устройства обеспечивается с помощью прокладок 6 и 7, выполненных из мягкого материала, например, фторопласта или резины.

Подающие отверстия в завихрителе 2, показанные на рис. 1 условно, выполнены таким образом, что они обеспечивают комбинированную аксиально-тангенциальную подачу рабочей жидкости. За счет возникающих центробежных эффектов внутри устройства возникает вакуум, а за счет нестационарных процессов течения жидкости – пульсации давления.

Между соплом 3 и дефлектором 5 образуется полость, заполненная водой, через которую хорошо передаются волны давления и разрежения. Тем самым обеспечивается нормальная работа гидромассажера при истечении рабочей жидкости, как в воду, так и в воздух. Это позволяет пользоваться массажером не только в ванне, но и в душе, а при массировании рук – над раковиной.

Математическое моделирование волновых гидромассажеров проводилось с помощью коммерческой программы ANSYS Fluent (США) [10]. Осуществлялось решение системы уравнений неразрывности и Навье–Стокса [11] с моделью турбулентности крупных вихрей (LES – Large Eddy Simulation) [13–15]. Результаты были представлены в работе [16].

Методика проведения экспериментов. Экспериментальная установка (рис. 2) содержала водяной бак 1, выполненный из органического стекла для обеспечения возможности визуальных наблюдений.

Рис. 2.

Схема экспериментальной установки: 1 – водяной бак; 2 – исследуемый гидромассажер; 3 – гидравлический насос; 4 – вентиль байпаса; 5 – вентиль регулировки расхода; 6 – измеритель расхода; 7 – обрабатываемая поверхность; 8 – датчик давления; 9 – усилитель; 10 – осциллограф.

Водопроводная вода заливалась в бак по магистрали A. Непрерывная циркуляция воды через гидромассажер 2 осуществлялась при помощи насоса 3 по магистралям B и С. Регулировка расхода воды через гидромассажер осуществлялась с помощью вентиля байпаса 4 и регулировочного вентиля 5. Измерение расхода производилось с помощью расходомера 6 (ротаметра) с точностью ±5%. Слив воды по окончании эксперимента осуществлялся через магистраль D. Обрабатываемая поверхность 7 (размером 150 × 150 мм) с датчиком давления 8 имела возможность перемещения в продольном направлении х и в поперечном направлении y по отношению к гидромассажеру. Размеры обрабатываемой поверхности в поперечном направлении существенно превышали размеры исследуемой зоны течений, что позволяло путем ее смещения в поперечном направлении от оси симметрии гидромассажера измерять пульсации давления в различных точках на поверхности при заданном расстоянии от гидромассажера без существенного искажения течений в исследуемой области. Проведена серия экспериментов, в результате которых получены осциллограммы пульсаций давления на обрабатываемой поверхности при различном расстоянии y от оси симметрии гидромассажера и их частотные спектры.

В экспериментах для измерения пульсаций давления использовался датчик динамического давления PS2001-5-01, усилитель сигнала AS07 (коэффициент усиления 100) производства “ГлобалТест” (г. Саров, Россия) и осциллограф WaveSurfer MXs-B компании “LeCroy”. Для измерения статического разрежения на обрабатываемой поверхности использовался мановакуумметр EN-837-1 с пределами измерений от –100 до +150 кПа класса 1.0.

Результаты исследований. Амплитудно-частотные характеристики волнового гидромассажера с дефлектором при зазоре h = 2 мм на различных расстояниях y от оси симметрии и при различных расходах воды Q представлены на рис. 3–6.

Рис. 3.

Амплитудно-частотные характеристики волнового гидромассажера с дефлектором на оси симметрии (y = 0) при различных расходах воды Q: 1 – истечение в воду; 2 – истечение в воздух.

Рис. 4.

Амплитудно-частотные характеристики волнового гидромассажера с дефлектором на расстоянии y = 2 мм от оси симметрии при различных расходах воды Q: 1 – истечение в воду; 2 – истечение в воздух.

Рис. 5.

Амплитудно-частотные характеристики волнового гидромассажера с дефлектором на расстоянии y = 4 мм от оси симметрии при различных расходах воды Q: 1 – истечение в воду; 2 – истечение в воздух.

Рис. 6.

Амплитудно-частотные характеристики волнового гидромассажера с дефлектором на расстоянии y = 6 мм от оси симметрии при различных расходах воды Q: 1 – истечение в воду; 2 – истечение в воздух.

На оси симметрии (y = 0) при расходе Q = 9 дм³/мин для случая истечения в воду наибольшие амплитуды колебаний наблюдались в диапазоне частот   f =10–70 Гц, а  при истечении в воздух – в диапазоне  f  = 40–140 Гц (рис. 3). Величины максимальных амплитуд, при переходе от истечения в воду к истечению в воздух, в диапазоне частот  f  = 10–70 Гц уменьшились приблизительно в 2 раза, а в диапазоне  f  = 110‒140 Гц увеличились. При расходе Q = 12 дм³/мин в случае истечения в воду область наибольших амплитуд находилась в диапазоне частот f = 10–140 Гц, а при истечении в воздух – в диапазоне  f  = 12–180 Гц. Максимальные амплитуды колебаний, при переходе от истечения в воду к истечению в воздух, уменьшились незначительно. Дальнейшее увеличение расхода до Q = 15 дм³/мин расширило диапазон максимальных амплитуд при истечении в воду до f  = 30–220 Гц, а при истечении в воздух – до  f  = 14–220 Гц. Максимальные амплитуды колебаний для случая Q = 15 дм³/мин, при переходе от истечения в воду к истечению в воздух, уменьшились в 2–3 раза.

На расстоянии y = 2 мм от оси симметрии (рис. 4) при расходе Q = 9 дм³/мин наибольшие амплитуды колебаний были более явно выражены и для случая истечения в воду наблюдались в диапазоне частот  f = 40–70 Гц, а при истечении в воздух – в диапазоне f = 36–38 Гц и  f = 120–180 Гц. Величины максимальных амплитуд, при переходе от истечения в воду к истечению в воздух, уменьшились незначительно, а при f  = 160–180 Гц даже увеличились. При расходе Q = 12 дм³/мин в точке y = 2 мм при истечении в воду область наибольших амплитуд располагалась в диапазоне частот f  = 10–90 Гц, а при истечении в воздух – в диапазоне f = 12–180 Гц. Максимальные амплитуды колебаний, при переходе от истечения в воду к истечению в воздух при  f  = 10–90 Гц, уменьшились в 1.5–2 раза, а в диапазоне f = 110–180 Гц, увеличились более, чем в 2 раза. Дальнейшее увеличение расхода до Q = 15 дм³/мин привело к возникновению максимумов при истечении в воду в области f = 10–120 Гц, а при истечении в воздух – f = 14–120 Гц. Максимальные амплитуды колебаний для случая Q  = 15  дм³/мин в точке y = 2 мм, при переходе от истечения в воду к истечению в воздух при f = 10–120 Гц, уменьшились более чем в 3 раза, а в диапазоне f = 120–180 Гц изменились незначительно.

С дальнейшим удалением от оси симметрии до y = 4 мм (рис. 5) спектры колебаний существенно перестроились. При расходе Q = 9 дм³/мин амплитуды колебаний при истечении в воздух оказались существенно больше, чем при истечении в воду. Для расходов Q = 12 и 15 дм³/мин максимальные амплитуды колебаний для этих двух случаев истечения были примерно одинаковыми, но соответствовали разным частотам. При этом частотный диапазон максимумов сместился от f = 10–90 Гц для случая истечении в воду до f = 50–190 Гц при истечении в воздух.

На расстоянии y = 6 мм от оси симметрии амплитуды спектров колебаний оказались более острыми, чем на меньших расстояниях (рис. 6). На этом расстоянии с увеличением расхода воды Q при истечении в воду происходило монотонное возрастание максимальных амплитуд. Для случая истечения в воздух монотонность зависимости амплитуд от расхода воды сохранялась до y = 6 мм, а с увеличением этого расстояния эта монотонность нарушилась. При этом на расстояниях y = 8–12 мм от оси наиболее интенсивные колебания при истечении в воздух наблюдались для расхода Q = 12 дм³/мин, а при Q = 15 дм³/мин интенсивность колебаний существенно уменьшилась.

Обобщая результаты, можно отметить, что максимальные амплитуды колебаний при истечении в воду наблюдались на расстояниях y = 10–12 мм от оси симметрии и монотонно возрастали с увеличением расхода воды Q. В случае истечения в воздух при расходах Q = 9 и 12 дм³/мин максимальные амплитуды A_max возникали вблизи оси симметрии и незначительно изменялись до расстояний y = 10–14 мм, после чего происходило их уменьшение. Для расхода Q = 15 дм³/мин максимальная амплитуда колебаний была зарегистрирована при y = 4 мм, а начиная с y = 8 мм, наблюдалось существенное уменьшение амплитуд.

При истечении в воду частоты f_max, соответствующие максимальным амплитудам колебаний, повышаются, начиная с расстояний y = 6 мм. В случае истечения в воздух значения  f_max с удалением от оси симметрии сначала повышаются, а затем понижаются.

Заключение. 1. Исследованный гидромассажер с дефлектором создает колебания давления на обрабатываемой поверхности как при истечении в воду, так и при истечении в воздух. 2. Наибольшие амплитуды колебаний наблюдались не на оси симметрии (y = 0), а на расстояниях y = 8–14 мм от оси при истечении в воду и на расстояниях y = 2–6 мм от оси при истечении в воздух. 3. При переходе от истечения в воду к истечению в воздух частотный диапазон максимальных амплитуд сдвинулся в область более высоких частот. 4. В случае расхода воды Q = 9 дм³/мин переход от истечения в воду к истечению в воздух привел к некоторому снижению максимальных амплитуд колебаний, а для расходов Q = 12 и 15 дм³/мин в некоторых точках обрабатываемой поверхности при истечении в воздух максимальные амплитуды колебаний увеличились по сравнению со случаем истечения в воду.