Прикладные задачи динамики течения жидкости в трубопроводе с ограниченной искусственной газовой каверной

Аннотация

Гартиг Е. Б., Благовещенский И. Г. Прикладные задачи динамики течения жидкости в трубопроводе с ограниченной искусственной газовой каверной Дается обоснование возможностей создания пульсаций в потоке жидкости в результате автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны. Такая каверна может быть создана при подаче газа в зону отрыва потока за кавитатор, установленный в гидравлической магистрали, а ограничение развития каверны в осевом направлении обеспечивается установленным ниже по потоку местным гидросопротивлением типа дроссельной шайбы. На основе разработанной математической модели данного кавитационного течения выявлены условия возникновения в системе автоколебаний, показана возможность реализации пульсационных течений в широком низкочастотном диапазоне частот (2-100 Гц).

Внедрение интенсивных инновационных технологий с использованием вибраций оборудования и пульсаций потока является одним из приоритетных направлений развития многих производств в пищевой, химической, энергетической, в других отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве. Колебательные режимы течения рабочих сред используются в процессах смешения, растворения, фильтрации, экстрации, мойки продуктов, промывки внутренних и внешних поверхностей оборудования, для интенсификации теплообмена и в других случаях. Создание пульсирующих потоков достигается применением разных способов и устройств, обеспечивающих создание потока среды с заданными параметрами колебательного движения. Наиболее широкое применение для создания пульсаций в технологических процессах получили способы, основанные на регулировании проходного сечения внутреннего потока с помощью различных механических устройств дроссельного типа. Для тех же целей используются последовательное подключение рабочего участка к магистралям высокого и низкого давления, гидродинамическая кавитация, автоколебания клапанов, вибрации мембран и другие приемы.

Проведенные исследования показывают, что возбуждения пульсаций течения жидкости в трубопроводе можно добиться путем создания в трубопроводе ограниченной газовой каверны, образующейся за кавитатором в результате поддува газа и замыкающейся на местном гидросопротивлении ниже по потоку. Такая ограниченная искусственная каверна является потенциально неустойчивой и может генерировать возмущения, передающиеся в поток протекающего компонента. Схема течения с ограниченной искусственной газовой каверной представлена на рис. 1, где 1 – подводящий трубопровод с потоком жидкости; 2 – магистраль подачи газа с установленной на ней критической шайбой; 3 – кавитатор; 4 – искусственная газовая каверна; 5 – дроссельная шайба на выходе трубопровода.

На основе теоретических и экспериментальных исследований данного вида кавитационного течения была разработана его математическая модель, получено выражение для входного импеданса ограниченной газовой каверны, исследована устойчивость рассматриваемой гидросистемы, вскрыт механизм автоколебаний, получены зависимости для амплитуд и частот автоколебаний, обоснована возможность перехода к релаксационным колебаниям в виде последовательности гидроударов.

Обобщение этих результатов дано в [1]. В работе показано, что данный способ создания колебаний не требует применения сложных дополнительных устройств, излишних энергозатрат и может быть реализован на стандартной, имеющейся на каждом производстве, материальной базе. Он является хорошо управляемым и может быть автоматизирован. На одно из направлений применения данного способа возбуждения колебаний получен патент [2].

Результаты обработки осциллограмм с записью изменения параметров пульсаций в гидросистеме при автоколебаниях ограниченной искусственной газовой каверны приведены на рис. 2. Здесь обозначено: кружочки – G – средний расход жидкости; квадратики – P_i – средний уровень давления в i-м сечении магистрали; треугольники – Δ_i – отношение полуразности максимального и минимального значений давления, фиксируемых i-м датчиком, отнесенных к среднему его уровню; звездочки – F – частота (рис. 2, а – для частоты 10?16 Гц, рис. 2, б – для частоты 50?102 Гц).

Характерный вид самих осциллограмм приведен на рис. 3. На рис. 3, а видно, что в рассматриваемом примере в широком диапазоне существования колебания имеют вид, близкий к гармоническому. Для случая релаксационных автоколебаний с периодом T ∼ 0,2?0,5 c осциллограммы показаны на рис. 3, б.

Частотный диапазон колебаний в гидросистеме в рассматриваемых случаях достаточно широк и может регулироваться за счет изменения расходных параметров течения фаз, регулирования длины ограниченной газовой каверны, изменения собственных характеристик гидросистемы. Релаксационные колебания с размахом колебаний давления, соответствующим явлению гидроудара, и изменением расхода жидкости в расходном трубопроводе вплоть до изменения его направления можно реализовать также и при отсутствии кавитатора, производя вдув газа со стенки магистрали поперечно непосредственно в поток жидкости. На практике рассматриваемым способом в системе создавались колебания в частотном диапазоне от 2 до 100 Гц.

Список использованной литературы

1. Шкапов П. М. Создание пульсирующих потоков жидкости на основе автоколебаний ограниченной искусственной газовой каверны / П. М. Шкапов // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2010. – № 9. – С. 55–58.
2. Патент RU №208496 С1 от 20.07.97. Способ очистки различных поверхностей и устройство для его осуществления / В. Г. Кинелев, П. М. Шкапов. – Бюл. № 20.