Об особенностях кавитационного обтекания тел вертикальным потоком жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Т о м VI 197 5

№ 2

УДК 532.528

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ КАВИТАЦИОННОГО ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ ВЕРТИКАЛЬНЫМ ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ

С. И. Гульнвв, Е. Н. Капанкан

В работе представлены результаты экспериментального исследования осесимметричного кавитационного обтекания тел вращения (дисков, полуэллипсоидов) вертикальным потоком жидкости. Изучены формы каверн, характер уноса газа из них и сопротивление испытываемых тел. Установлены особенности кавитационных течений, вызванные изменением вдоль оси каверны внешнего гидростатического давления.

В настоящее время кавитационные течения, возникающие при горизонтальном движении тел, достаточно подробно исследованы (см. [1—3]). В этом случае внешнее гидростатическое давление практически не меняется вдоль условной геометрической оси каверны; небольшие его изменения наблюдаются лишь при малых скоростях из-за искривления оси каверны, которая „всплывает“ в весомой жидкости. Представляет интерес изучение особенностей кавитационных полостей в условиях существенно изменяющегося вдоль оси каверны внешнего гидростатического давления. Такое явление наблюдается, например, при кавитационном обтекании осесимметричных тел вертикальным нисходящим потоком жидкости. Для этого случая в данной работе приведены результаты экспериментального исследования■ осесимметричного обтекания дисков и полуэллипсоидов. Изучены формы каверны и характер уноса газа из них, а также сопротивление испытываемых тел. Обнаружен ряд существенных особенностей каверн „вертикальных“ по сравнению с кавернами „горизонтальными11. Приведено краткое описание экспериментального оборудования и методики эксперимента.

1. Экспериментальное оборудование и методика эксперимента. Настоящее исследование проводилось на установке, которая представляла собой проливную трубу с вертикальной рабочей частью и открытым напорным резервуаром. Схема установки и ее основные размеры указаны на фиг. 1.

Из напорного резервуара 1 жидкость поступала в рабочую часть 4 через конфузор 3 с устройством 2, предохраняющим от воронкообразования и прорыва воздуха в поток.

При экспериментах скорость потока в рабочей части трубы менялась в пределах от 0,6 до 7 м/с. Задание необходимой скорости проводилось путем изменения площади выходного сечения трубы с помощью регулируемого конфузора 5. Пуск трубы осуществлялся после заполнения напорного резервуара водой до необходимого уровня посредством отбрасывания запирающей • крышки 6.

Исследование режимов искусственной кавитации за телами в нисходящем вертикальном потоке жидкости проводилось для

Фиг. 1

плоских круговых дисков диаметром 5, 8, 11 и 14 мм, поставленных поперек потока, и для полуэллипсоидов вращения с отношением полуосей X = 3, 6 и 12 и двух значений диаметра миделя 17 и 30 мм.

Модели крепились в рабочей части трубы на державке 7, которая была соединена с датчиком сопротивления 9 профилированной стойкой, заключенной в обтекатель 8.

Сопротивление измерялось для тел с наибольшими диаметрами.

Воздух на поддув в каверну подавался к модели через термостат И, мерное сопло 10, стойку и державку. Поскольку температура торможения газа была равна температуре воды в термостате, а в ходе эксперимента истечение из сопла поддерживалось закри-тическим, то секундный весовой расход воздуха <3 можно было определять по полному давлению р0 перед мерным соплом из известных соотношений.

Количество теряемого из каверны газа, а следовательно, и потребный расход воздуха на поддув определяются в основном процессами в хвостовой части каверны. Известно, что в хвостовой

части каверны происходит интенсивное перемешивание газа и воды, в результате чего образуется газожидкостная смесь. Температура газа в пузырьках смеси весьма близка к температуре воды. Поэтому при определении объемного расхода воздуха процессы в хвостовой части каверны предполагаются изотермическими, а объемный расход воздуха 0 определяется по формуле

где роо -^статическое давление жидкости на уровне расположения модели, Я — удельная газовая постоянная, Т—температура воды. По полученным опытным данным о расходе газа находился

приведенный объемный расход воздуха на поддув 0 = —где

4 гн

®оо — скорость набегающегр потока жидкости, а гн — радиус сечения тела, с которого сходит каверна.

При рассмотрении кавитационного обтекания тел вертикальным потоком жидкости целесообразно ввести специальное определение числа кавитации. В настоящей статье число кавитации определяется как отношение к скоростному напору набегающего потока разности статического давления в невозмущенном потоке жидкости на уровне схода каверны с тела и давления в каверне рк:

Указанная разность давлений измерялась дифференциальным водяным манометром 12, один конец которого сообщался с каверной, а другой — с дренажным отверстием в стенке рабочей части трубы. Для того чтобы избежать влияния возмущений от исследуемого тела на показания манометра, дренажное отверстие располагалось от него вверх по потоку на некотором расстоянии, которое определялось экспериментально. Вводилась соответствующая поправка на разность положений по высоте точки отбора давления и уровня схода каверны с тела.

Скорость потока Voo находилась с помощью вертушек-тахоге-нераторов 13, расположенных поперек рабочей части проливной трубы.

Через прозрачную стенку рабочей части трубы проводилась фотосъемка картины обтекания тела. Обработка снимков давала данные о форме кавитационных полостей, которая характеризовалась контуром каверны,радиусом ее миделевого сечения RK и„по-лудлиной“ LK— координатой миделевого сечения каверны.

Основными - параметрами, определяющими форму „вертикаль-ной“ каверны, являются число кавитации з0 и число Фруда Fr =

= --v-^-=-, где g—величина ускорения силы тяжести. Поэтому /2 grH .

в дальнейшем все данные экспериментов представлены в зависимости от этих параметров.

Следует отметить, что размеры исследуемых тел и режимы кавитационного обтекания (т. е. числа з0 и Fr) выбирались таким

/

образом, чтобы уменьшить влияние стенок трубы на форму и основные размеры каверн. Путем сравнения безразмерных форм и основных размеров каверн при а0 = const и Fr = const за телами различных размеров было установлено, что это влияние можно считать слабым, если затенение миделевым сечением каверны сечения рабочей части установки не превышает 4—6%.

2. Результаты эксперимента. В результате эксперимента были' получены фотографии вертикальных каверн за дисками и полу-эллипсоидами вращения для различных значений чисел о0 и Fr (фиг. 2 и 6) и найдены опытные зависимости от этих параметров безразмерных радиуса миделевого сечения каверны RK = RJrH,

% - 0,03S

F г-21^5

°-07

0^-03S

Фиг. 2

объемного расхода воздуха Q и коэффициента сопротивления сх = 2 ——у- , где х — сила сопротивления тела, а р — плотность

pt/2 7Iff]

жидкости.

Для дисков указанные выше зависимости приведены на фиг. 3—5. Из фиг. 2, а и 3 видно, что уменьшение числа кавитации при данном значении числа Fr как и для „горизонтальных* каверн (пунктирная линия на фиг. 3) приводит к увеличению размеров „вертикальных" каверн (сплошные линии на фиг. 3). Из фиг. 2, б и 3 видно, что влияние числа Fr на основные размеры и форму „вертикальных" каверн весьма существенно: увеличение числа Fr (в отличие от каверн „горизонтальных") приводит при а0 = const к заметному увеличению размеров каверны.

Следует отметить, что у „горизонтальных" каверн развитие всех поперечных сечений происходит при приблизительно постоянном гидростатическом давлении, которое не меняется вдоль оси

каверны. Отличительной чертой развития „вертикальных" каверн в весомой жидкости является изменение гидростатического давления линейно• по оси каверны, т. е. различным по глубине поперечным сечениям каверны соответствуют различные значения местных чисел кавитации а:

о = 2

Ров + Р ёХ—РЬ. р*£,

.+

Ъ* (х)

РГ(Х):

где х — координата рассматриваемого сечения каверны, отсчитываемая от уровня схода каверны с тела.

о 0,1 0О

Фаг. 4

В миделевом сечении местное число кавитации

< 2 / т \ ^

°м —°0+ ГС (£*).» ■

Возрастание величины о с ростом координаты х может служить объяснением того, что при одинаковых числах кавитации а0 размеры „вертикальной" каверны всегда меньше, чем „горизонтальной". Из представленных на фиг. 2 и 3 материалов видно, что „вертикальные" каверны заметно отличаются по форме от „горизонтальных" каверн, а именно: имеют каплеобразную форму с вытянутой верхней и укороченной хвостовой частями. С увеличением числа Иг „вертикальная" каверна „вытягивается", теряя каплевид-ность и приближаясь по форме к „горизонтальным" кавернам, симметричным относительно плоскости.своего миделевого сечения (фиг. 2, в). При достаточно больших значениях числа Фруда (Рг^ 13 и выше) зависимость безразмерных диаметра и длины „вертикальных" каверн от числа кавитации, а также форма каверны оказы-

ваются близкими к наблюдаемым для „горизонтальных" каверн (фиг. 3). При малых числах Рг область запененности каверны составляет значительную ее часть.

В опытах с „вертикальными" кавернами установлено, что возможны режимы течения, при которых давление газа в каверне может превосходить величину статического давления в невозмущенном потоке жидкости на уровне схода каверны с тела. Эти случаи соответствуют отрицательным значениям числа кавитации о0.

* Фиг. 5

Следует отметить, что в этой случае существует небольшая область вблизи тела, где о0<0. Однако, как показывают опыты, вблизи миделевого сечения местные числа кавитации положительны. Если предположить, что в миделевом сечении местное число кавитации всегда положительно, то возможность существования отрицательных чисел кавитации за насадком следует из формулы (1)..

При этом о0>-----р?2(2ГУ ; как Ви'а'н°,> из Фиг- экспериментальные

точки зависимости коэффициента сопротивления диска (гн = 7 мм) от числа кавитации для „вертикальных" каверн достаточно хорошо ложатся на кривую известной зависимости для „горизонтальных" каверн сх — сх (1 + а0), где схй принимался равным 0,82. Влияние числа Рг на эту зависимость практически отсутствует. Из фиг. 4 видно, что указанная зависимость ^ (о0) справедлива также

и для отрицательных чисел кавитации.

Из фиг. 5 видно, что увеличение числа рг приводит к заметному росту величины приведенного расхода воздуха на поддув,, что противоположно характеру этой зависимости, наблюдаемому при движении тел с кавитацией в горизонтальной плоскости. Это различие можно объяснить, если заметить, что при достаточно малых числах Рг искусственное кавитациоцное течение в нисходящем потоке жидкости приближается к явлению всплывания в ней воздушного пузыря.

Аналогичные экспериментальные данные, полученные для по-луэллипсоидов, приведены на фиг. 6, 7 и 8. Они подтверждают особенности искусственного кавитационного обтекания тел нисходя-

I

0,2 0 <Та

Фиг. 7

01

Фиг. 8

щим вертикальным потоком жидкости, выявленные на кавернах за дисками. Следует отметить при этом, что струи всегда сходили с краев донного среза полуэллипсоидов.

Кроме этого установлено, что уменьшение удлинения эллипсоидальных насадков ведет к увеличению раз-мерой каверн (см. фиг. 7) и некоторому росту потребного расхода воздуха 0.

Из фиг. 8 видно, что экспериментальные зависимости коэффициентов сопротивления полуэллипсоидов сх от числа кавитации близки к линейным. При этом снижение сх с уменьшением числа кавитации может быть весьма существенным. Влияние числа Рг на

■ '

Фиг. 6

ЛИТЕРАТУРА _

1. Логвинович Г. В. Гидродинамика течений со свободными границами. Киев, „Наукова Думка“, 1969.

2. Э п ш т е й н Л. А. Методы теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов. Л., „Судостроение", 1970.

3. Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. М., „Мир‘, 1964.

Рукопись поступила 6/Х1 1973 г.