Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Классическая теория гидравлического удара 11
1.2. Многофазные (гетерогенные) сплошные среды 21
1.2.1. Основные сведения о многофазных потоках 21
1.2.2. Неустановившееся и неравномерное движение 27
1.3. О скорости распространения волн в многофазной среде 31
1.4. Гидравлический удар в инженерных расчетах 39
Глава 2. Исследование статической сжимаемости загазованной дисперсной среды 48
2.1. Основные параметры исследуемой среды 48
2.2. Экспериментальное исследование сжимаемости 52
2.2.1. Описание экспериментальной установки. 52
2.2.2. Программа исследований на экспериментальной установке для определения статической сжимаемости 56
2.3. Матричное планирование многофакторного эксперимента 60
2.3.1. Уровни варьирования факторов и план эксперимента 60
2.3.2. Определение количества повторных опытов 66
2.4. Результаты экспериментальных исследований статической сжимаемости 67
2.5. Разработка элементарной модели сжимаемости 71
2.5.1. Основные допущения 71
2.5.2. Расчет действия внешнего давления 72
2.6. Сравнение элементарной модели сжимаемости с экспериментальными данными 77
Глава 3. Расчет волны давления при нелинейном гидравлическом ударе 81
3.1. Основы нелинейных процессов в динамической среде 81
3.2. Стационарное течение среды и условия классической постановки задачи гидроудара 85
3.3. Нелинейный гидравлический удар в загазованной дисперсной среде 88
3.4. О расчете конструкции, деформирующейся под действием гидравлического удара в загазованной дисперсной среде 96
Глава 4. Исследование скорости распространения гидравлического удара в загазованной дисперсной среде 100
4.1. Состав транспортируемых сред 100
4.2. Экспериментальное исследование скорости распространения деформаций трубопровода 102
4.2.1. Описание экспериментальной установки. 102
4.2.2. Программа исследований на экспериментальной установке по изучению распространения гидроудара 103
4.2.3. Приборы и методика определения точности измеряемых величин 107
4.2.4. Ма тричное планирование многофакторного эксперимента 109
4.3. Сравнение модели распространения гидроудара с
Экспериментальными данными 115
Заключение 121
Список использованной литературы 123
- О скорости распространения волн в многофазной среде
- Программа исследований на экспериментальной установке для определения статической сжимаемости
- О расчете конструкции, деформирующейся под действием гидравлического удара в загазованной дисперсной среде
- Программа исследований на экспериментальной установке по изучению распространения гидроудара
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию нелинейных процессов, протекающих при гидравлическом ударе в загазованной дисперсной среде, распространяющемся в деформируемой оболочке. В литературе к таким средам относят потоки, используемые при гидротранспортировании твердых частиц. В качестве деформируемых труб при гидространспортировании используют армированные резиновые рукава. В данной работе исследуется сжимаемость загазованной дисперсной среды, распространение волны давления по деформируемому трубопроводу, а также влияние нелинейных эффектов на скорость распространения волны давления методами физики твердого тела и натурных исследований.
Актуальность темы Актуальность проблемы. В последнее время в области неустановившегося движения реальной жидкости в трубопроводах ведутся исследования, в частности, связанные с изучением скорости распространения звуковых волн в многофазных смесях, протекающих в деформируемых оболочках. Исследованию параметров гидроудара посвящены работы: Богомолова А.И., Coy С, Тарасова В.К., Liee Jiatiang, Дятловой Н.Е., Джваршеишвили А.Г.Горнштейна М.С., Ландау Л.Д. К числу работ, имеющих прямое отношение к проблеме, принадлежат исследования скорости распространения скачка давления при гидроударе выполненные Жуковским Н.Е., Жмудем Е.Е., Фоксом Д.А., Нигматулиным Р.И.,Жакиным А.И., исследования реальных свойств неоднородных сред Чарных И.Л., работы, посвященные изучению скорости звуковых колебаний в загазованных средах Комисарова М.Н., Студеничника Н.В, Донцовым В.Е. Задачи статической сжимаемости загазованной дисперсной среды стала классической, однако, во многих работах расчетные зависимости содержат коэффициенты пропорциональности, в известной степени, обесценивающие предлагаемые решения. На этапе современного развития нет однозначной методики, позволяющей в полной мере определить параметры гидроудара, в том числе скорость распространения волны давления, в загазованных смесях. Например, при рассмотрении явления гидравлического удара различные решения указанных выше и других авторов не учитывают загазованность жидкой среды, жесткость системы жидкость-оболочка, наличие газовой фазы в порах твердых частиц, а также, предполагают наличие некоторого эмпирического материала или же не позволяют решать задачу о распространении волны давления при гидроударе аналитически.
Исследование сжимаемости и параметров гидроудара в загазованной дисперсной среде (ЗДС), движущейся в деформируемой оболочке представляет интерес для нескольких отраслей физической науки: физики конденсированного состояния, механики жидкости, гидроакустики, гидротранспортирования.
В прикладном отношении исследование ЗДС в рамках рассматриваемой проблемы представляет материал, при помощи которого объясняется переход кинетической энергии потока в потенциальную энергию среды и оболочки. При этом деформируемые оболочки могут обладать рядом преимуществ по сравнению не только с традиционным стальными трубами, но и армированными резино-тканевыми напорными рукавами. Эти преимущества заключаются в следующем: учет загазованности несущего потока и наличия газа в порах твердой фазы снижают значения скачка давления в среде, напряжения в оболочке и скорости распространения фронта волны давления при развитии нелинейных процессов гидравлического удара, что позволяет снизить запас прочности оболочки и уточнить время закрытия задвижек, пуска и остановки насосов.
Таким образом, актуальность проблемы, поднимаемой в диссертации, обусловлена интересами как научного, так и прикладного характера.
Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании: сжимаемости загазованных дисперсных сред для определения их степени загазованности, пористости дисперсной фазы; параметров гидроудара при движении таких сред в деформируемой оболочке для расширения сферы практического применения композитных материалов в гидротранспортировании.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
Разработать методику и математическую модель определения адиабатической сжимаемости ЗДС с учетом пористости частиц.
Экспериментально исследовать сжимаемость такой среды в области низких, до сотни кН/м , и высоких, до нескольких сотен кН/м , давлений.
Выполнить расчет параметров гидравлического удара, распространяющегося в деформируемой оболочке.
Исследовать параметры гидроудара в загазованной дисперсной среде, а также разработать методику определения загазованности и пористости дисперсной фазы в связи со свойствами деформируемых оболочек и скоростью распространения волны давления.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие результаты, полученные в данной диссертационной работе:
Методика и экспериментальная установку для определения статической сжимаемости ЗДС.
Результаты экспериментального исследования и элементарную математическую модель сжимаемости ЗДС.
Полученное выражение для вычисления скорости звука и пористости частиц в ЗДС.
Методику и экспериментальную установку для определения скорости распространения фронта волны давления при гидроударе в деформируемой оболочке.
Предложенные выражение для расчета скачка давления, уравнение структуры ударной волны и коэффициента динамичности ударной нагрузки на оболочку.
Научная новизна заключается в том, что при решении важной задачи по исследованию неустановившегося движения загазованной дисперсной среды в деформируемом трубопроводе впервые:
Разработана методика определения скорости распространения волны давления при гидроударе в ЗДС, учитывающая сжимаемость несущей и твердой пористой фаз, а также загазованность среды.
Установлено, что в области низких давлений (до сотни кН/м*) сжимаемость ЗДС обусловлена сжатием газа, а в области высоких (до нескольких сотен кН/м ) - сжимаемостью несущей и твердой фаз.
В нелинейной постановке решена задача о распространении ударной волны в ЗДС, движущейся в деформируемой оболочке.
Научная и практическая ценность диссертации заключается в том, что проведенные комплексные исследования сжимаемости ЗДС в диапазоне давлений 0 - 600 кН/м подтверждают доминирующую роль в сжимаемости ЗДС сжимаемости газа в микропузырьках в жидкой фазе и порах твердых частиц в области давлений до 150 кН/м , и сжимаемости жидкой и твердой фазы в области давлений 150 - 600 кН/м2. Проведенные исследования параметров гидроудара показывают: возрастание влияние нелинейных эффектов и близость величины деформации оболочки к случаю статического приложения нагрузки при снижении жесткости материала оболочки; снижение скорости распространения гидроудара
9 кроме реологических свойств оболочки определяется средней по сечению трубы объемной долей газа; увеличение интенсивности затухания волны давления при гидроударе при росте ее амплитуды. Проведенные исследования могут быть использованы при проектировании и эксплуатации гидротранспортных систем, трубопроводов, резинотканевых армированных рукавов, проведении мероприятий по предупреждению гидравлических ударов в трубах.
Апробация работы
Материалы диссертации представлялись: на объединенных семинарах кафедр физики, теоретической и экспериментальной физики Курского государственного технического университета (2004, 2005 г., г.Курск); на научно-практической конференции «Молодежь и 21 век» (2005 г., г.Курск); на международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (2005 г., г.Курск); на международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (2005 г., г.Москва, МГСУ).
Работа выполнена в Курском государственном техническом университете в соответствии с Единым заказ-нарядом Личный вклад автора: разработана методика и создана экспериментальная установка для проведения комплексных экспериментальных исследований статической сжимаемости ЗДС в диапазоне избыточных давлений до 600 кН/м , а также экспериментальная установка для определения параметров гидроудара при течении такой среды в деформируемой оболочке; выполнен весь объем экспериментальных исследований; разработана элементарная модель статической сжимаемости ЗДС и проведено ее сравнение с экспериментальными данными; получены выражения для определения параметров нелинейного гидроудара в деформируемой оболочке при
10 течении ЗДС и обозначена область их применения; сформулированы положения, выносимые на защиту.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, изложенных на 129 страницах машинописного текста (без приложений), включая 23 рисунка, 15 таблиц и перечень используемой литературы, состоящей из 84 наименований.
Первая глава обзорная. В ней изложены основы современной теории распространения гидравлического удара и представлены основные сведения о гетерогенных средах.
Во второй главе даны результаты экспериментальных исследований адиабатической сжимаемости загазованной дисперсной среды. Назначение этой главы заключается в разработке простой математической модели такой среды с учетом сжимаемости несущей и твердых фаз, а также загазованности.
В третьей главе приводится решение задачи по определению ширины зоны резкого изменения давления при распространении ударной волны в среде, движущейся в деформируемой оболочке. Анализируется влияние нелинейных эффектов.
В четвертой главе проводится экспериментальное исследование распространения волны давления при гидроударе. Проведен анализ соответствия экспериментальных данных и решения задачи по определению параметров гидроудара в загазованной среде, движущейся в деформируемой оболочке. Определяется область применения предложенной модели.
О скорости распространения волн в многофазной среде
Физический смысл такой зависимости заключается в том, что величина /3 отражает энергию, которая сообщается потоку для обеспечения движения.
Полученные выражения для времени переходного процесса (1.22) в системе и изменение потерь напора во времени в этот период не учитывают: - времени появления im\ - жесткости системы жидкость - трубопровод, которая в явлении гидравлического удара определяет скорость распространения упругих деформаций.
Вызывает интерес работа [59], посвященная изучению неустановившегося движения вязкой сжимаемой жидкости, базирующаяся на общем решении уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока с учетом гравитационных сил. Полученное автором [59] семейство частных решений позволяет рассчитать изменение давления, плотности и скорости течения невязкой сжимаемой жидкости в любой точке трубы при гидроударе. Показано, что значение приращений давления могут быть несколько меньше значений, следующих из формулы Жуковского Н.Е., и эти отклонения растут с увеличением отношения начальной и конечной относительных скоростей жидкости. Приведенные зависимости не позволяют выявить влияния упругих свойств оболочек и дисперсных частиц, но позволяют учесть загазованность потока.
Важным шагом в расчетах гидравлического удара было создание графического метода, доступно изложенного в монографии Л.Бержерона [8]. Однако, современные методы расчетов в области гидравлического удара, справедливы лишь для достаточно простых гидросистем без учета нелинейных и кавитационных процессов. Все это не позволяет гарантировать достаточную точность существующих методов расчета и их широкое использование на практике.
Дисперсные среды широко распространены в природе, технике и быту, поэтому исследованию их свойств посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные работы, некоторые из которых основаны на измерениях скорости движения и ослабления звуковых волн. Скорость распространения волн связана с одним из фундаментальных свойств среды - упругостью. Известно, что динамическая упругость неоднородных сред определяется упругими параметрами матрицы и диспергированной фазы, их конструктивными параметрами, такими как размер, форма, концентрация, а также обменными процессами между фазами [9-20].
Широко известен факт наличия газовых включений в виде мелких пузырьков в донных слоях потоков и водоемов [60]. Газонасыщенный слой обычно имеет толщину нескольких метров, а его природа связана с протекающими в нем окислительно-восстановительными реакциями. Скорость звука резко снижается при наличии в среде пузырьков газа от 1600 м/с в дисперсной среде до 50 м/с в газонасыщенной [60]. Для некоторых газонасыщенных сред скорости звуковых волн (таблица 1.1) были определены экспериментально. Пузырьки газа в таких средах достаточно устойчивы благодаря покрывающим их пленкам, имеют средние размеры 0.01 4- 0.1 мм, и заполняют трещины твердой фазы [61, 62].
Расчет скорости звука в трехфазной среде можно производить по следующим формулам: где р и р - плотность и сжимаемость среды, or,-, р, СІ - объемная доля, плотность и скорость звука соответствующей фазы среды.
Скорость волны в нестационарном потоке в трубопроводе зависит от эффективного модуля Р упругости жидкости и для жидкости, свободной от пузырьков, определяется геометрией и упругостью материала трубы [66], то есть где Р - модуль упругости (сжимаемости) жидкости; d, Т, Е - внутренний диаметр, толщина стенки и модуль упругости материала трубы.
Если в жидкости имеются пузырьки газа, то значение р значительно уменьшается. Влияние пузырьков газа при низких давлениях становится больше, чем влияние упругости трубы. Нестационарные явления в потоке могут стать причиной формирования сильно отличающихся давлений одновременно в различных частях трубопровода, следовательно, скорости звуковых волн на этих участках могут различаться на порядок [66]. Задача существенно усложняется из-за образования газовых пузырьков из растворенного газа, присутствующего во всех жидкостях. Для воды при атмосферном давлении содержание насыщенного газа составляет около 2% по объему [66].
При рассмотрении гидроудара в жидкости, содержащей объемную долю аз газа в виде пузырьков, Пирсол [67] получил следующую зависимость для скорости распространения гидроудара: где й?е — масса жидкости, р — абсолютное давление. Выражение (1.27) получено в предположении, что весь объем газа содержится в маленьких пузырьках, а температура его равна температуре воды, а массой свободного газа пренебрегается. Формула (1.27) справедлива при малых значениях объемной доли газа 0.
Скорость волны зависит от удельного объема газа в жидкости [66] как показано на рис. 1.6. Изображенная на нем кривая зависит от давления, но начальные значения при аз = 0 и 100 % не зависят от него. Поскольку кривая зависимости скорости волны от аз имеет широкий и пологий минимум, авторы работы [66] предлагают использовать это минимальное значение и при умеренных величинах аз.
Программа исследований на экспериментальной установке для определения статической сжимаемости
В данной главе разрабатывается методика определения сжимаемости загазованной дисперсной среды. Даны результаты экспериментального определения характерного времени адиабатической и изотермической сжимаемости. Приводятся результаты экспериментальных исследований сжимаемости загазированной дисперсной среды (воды с мелкодисперсной пористой фракцией и пузырьками воздуха). Экспериментально показано, что в области низких давлений (до 1.5 атмосфер) сжимаемость среды обуславливается сжатием газа, а в области высоких - сжимаемостью несущей и твердой фаз. Предлагается простая математическая модель сжимаемости среды, в которой приняты во внимание капиллярные силы в порах. Приводится зависимость для расчета скорости звука, учитывающая сжимаемость несущей и твердой фаз, а также загазованность среды.
Задача о гидравлическом ударе при течении однородной жидкости в цилиндрической деформируемой трубе была решена Н.Е.Жуковским [44] и далее обобщалась для случаев разветвленных трубопроводов [45], с учетом вязких потерь напора [46, 47], наличия демпферов, а также реологических свойств трубопроводов (угла наклона армирующих волокон [48, 49]) и так далее. В реальных случаях гидросмесь представляет собой загазированную дисперсную среду, поэтому представляет интерес исследовать гидроудар с учетом загазованности в условиях сильной деформируемости гибкого трубопровода. Как показывают исследования, в эксплуатационных условиях скорость движения волны давления в трехкомпонентной пульпе (вода + частицы + воздух) снижалась в 1.3-2 раза [36]. Следует ожидать, что сильная деформируемость резино-тканевого композитного трубопровода может привести к еще большему снижению скорости ударной волны.
Задача о статической сжимаемости загазованной дисперсной среды стала классической и создается впечатление о законченности исследований в данном направлении. Этот факт отражен в справочном материале (смотри в [68], например, формулу В.Н.Алышева для скорости распространения гидроудара в загазованной дисперсной среде, где учтено объемное содержание газа и дисперсной среды, уравнение состояния газа и упругие свойства несущей и дисперсной фаз). Однако практически во всех работах инженерного плана расчетные формулы содержат «подгоночные» коэффициенты, которые, по сути, обесценивают предлагаемые методики расчета.
Задача о исследовании волн в мелкодисперсных двухфазных средах с размером включений менее 10"5 м хорошо исследована (смотри, например, обзорную часть статьи [20]), и в общем случае многопланова и довольно сложная. Это связано с возможностью прохождения ряда таких сложных процессов, как фазовых переходов в пузырьках [50], диссипационных и теплообменных процессов на границах фаз включений [20,51]. Эти процессы важны при распространении высокочастотных возмущений (ультразвуковых волн [20]) и в специальных условиях, когда, например, возможна кавитация [50]. При гидравлическом ударе этими усложнениями можно пренебречь, поэтому мы будем учитывать только адиабатическое сжатие воздуха в пузырьках и микропорах твердой фазы и, естественно, сжимаемость несущей и твердой фаз.
Таким образом, исследуемая среда должна состоять из несущей жидкой фазы, газовых включений в виде пузырьков, и дисперсной твердой фазы известного гранулометрического состава. В общем случае такая смесь относится к суспензиям, но и имеющей некоторые свойства пузырьковых сред. Рассматриваемая гетерогенная среда характерна для гидротранспортирования, подобно широко известному факту наличия газовых включений в виде мелких пузырьков в донных отложениях водоемов [52], имеющих толщину порядка нескольких метров. Насыщение дисперсной фракцией для изучения характерных процессов гидротранспортирования не должно достигать до границ перенасыщенных потоков.
Для качественного решения задачи статической сжимаемости загазованной дисперсной среды предлагается: 1) Повторить вывод формул для статической сжимаемости в более строгой постановке, то есть учесть действие капиллярных сил в порах. 2) Провести исследование статической сжимаемости водопроводной воды с пузырьками газа и пористыми дисперсными частицами.
О расчете конструкции, деформирующейся под действием гидравлического удара в загазованной дисперсной среде
В данной главе рассматривается методика определения скорости распространения деформаций трубопровода по длине при гидравлическом ударе в загазованной дисперсной среде, протекающей под действием избыточного давления в деформируемом трубопроводе. Даны результаты экспериментального определения характерной скорости распространения волны давления, а также результаты экспериментальных исследований реологических свойств различных деформируемых оболочек. Производится анализ соответствия предложенной модели и экспериментальных исследований.
В общем случае задача о скорости распространения гидроудара многопланова и сложна. Теоретические основы ее решения изложены в [44] и обобщены для случая деформируемых трубопроводов [56]. Были разработаны методики инженерного расчета гидротранспортных систем, например [35], в которых обобщался большой эмпирический опыт. В настоящее время при решении инженерных задач широко применяются численные методы расчета параметров, а при расчете сложных трубопроводных систем зачастую используют переход от систем с распределенными параметрами к моделям с сосредоточенными [43]. Все больший интерес представляют нелинейные процессы, протекающие при транспортировании многофазных систем, особенно вопросы, связанные с расчетом неустановившегося движения реальных жидкостей и смесей [37, 38,45,58].
Реальные смеси, используемые в гидротранспортных установках, зачастую имеют многофазную структуру, например [52], [53]. Задача о гидроударе существенно усложняется из-за присутствия в транспортируемом потоке газовых пузырьков, которые также могут выделяться дополнительно из растворенного газа, присутствующего во всех жидкостях, при прохождении волн разряжения. Для воды содержание насыщенного газа при атмосферном давлении составляет около 2% по объему [66]. При изменениях давления, приложенного к пузырькам газа в жидкости, процессы поглощения и выделения газа происходят намного быстрее, чем через свободную поверхность жидкости, вследствие сильного увеличения поверхности, через которую происходит диффузия газа.
При нестационарных явлениях время, в течение которого происходит выделение или поглощение газа много меньше времени, необходимого для установления равновесия, поэтому расчет газосодержания при этом нельзя производить в соответствии с законом Генри. Согласно [66] существуют два подхода к описанию газообразования в таких случаях, но отметим, что предлагаемые модели, по мнению их авторов, основаны на предположениях, которые не могут быть полностью справедливыми.
Между тем, даже незначительное содержание газовой фазы ог3 в транспортируемом потоке существенно влияет на скорость распространения звука в нем (см. рис. 1.6) [36, 37, 38]. По данным [52] ее значения снижаются на порядок по сравнению со скоростью в матрице -несущей жидкости. В нашем случае предполагается наблюдение еще большего снижения величины скорости распространения волны давления при распространении гидроудара в деформируемом трубопроводе.
Распространение волн давления в жидкости с пузырьками газа достаточно подробно исследовано теоретически и экспериментально [73, 74, 75]. Наличие третьей фазы существенно влияет как на структуру, так и на затухание волн в трехфазных средах, а учет полидисперсности в газожидкостной среде приводит к увеличению интенсивности затухания волн давления [76].Многофазной смесью, с наличием некоторой доли газовой составляющей, является «свежая» водопроводная вода. Это подтверждается данными исследования ее сжимаемости, приведенными ранее. Скорость распространения гидравлического удара в такой среде будет изменяться согласно (3.26) при течении, как в недеформируемой, так и в деформируемой оболочке.
При анализе предложенной модели распространения гидравлического удара можно сделать некоторые выводы. К снижению значений скорости распространения, величины скачка давления и повышению ширины зоны резкого изменения давления приводят следующие независимые факторы, как в совокупности друг с другом, так и раздельно: 1) рост скорости движения смеси VQ; 2) увеличение загазованности смеси 0 или пористости транспортируемых частиц COQ, 3) снижение модуля упругости материала трубопровода Е; 4) увеличение толщины стенки трубопровода 8\ 5) снижение величины радиуса трубопровода R. Эмпирические исследования такого влияния указанных величин проводились на установке, изображенной на рис. 4.1, принципиальная схема которой приведен на рис. 4.2. Испытуемый участок деформируемого трубопровода 4, по которому протекает загазованная среда, находится между двумя пьезоэлектрическими элементами 1 типа ЗП-1. Расстояние между ними определяет величина /. Эти датчики вырабатывают сигнал до 15 В под действием внешней нагрузки. Гидравлический удар создается перекрытием затвора 15, конструкция которого представляет собой, по сути, вентиль без резьбы на шпинделе. Такая особенность устройства позволяет при приложении усилия за незначительный промежуток времени перекрыть сечение трубопровода. В качестве рабочей смеси, как и в исследованиях по сжимаемости, использовалась «обычная» водопроводная вода.
При работе затвора 15, установленного на трубе, заполненной покоящейся или движущейся сжимаемой жидкостью, создается прямой гидравлический удар, так как установка присоединена к действующей водопроводной сети, протяженность которой велика. Под действием величины скачка давления происходит деформация трубопровода, а сигнал с пьезоэлементов, возникающий при этом, передается непосредственно на аналого-звуковой преобразователь звуковой карты ЭВМ.
Программа исследований на экспериментальной установке по изучению распространения гидроудара
Скорость волны в табл. 4.5 определялась по разности времени прихода пика первой осцилляции волны на два датчика. Из рис. 4.4, 4.5 видно, что в пределах погрешности измерений скорость распространения гидравлического удара определяется средней по сечению объемной долей газа 23 чт0 объясняет значительное снижение скорости от величины -1372 м/с в чистой воде до 200 м/с [66], а также реологическими свойствами материала трубы, которые объясняют еще большее уменьшение скорости.
Эксперименты показали, что снижение значения модуля упругости материала трубы приводит к увеличению интенсивности затухания амплитуды волны (рис. 4.4, 4.5). Высокочастотные осцилляции на переднем фронте волны, смотри, например, рис. 4.4(Б), связаны с прохождением по среде высокочастотных пульсаций ударной волны и их отражением от стенок, а также с колебаниями пузырьков газа [77]. При увеличении амплитуды ударной волны во всех случаях наблюдалось увеличение интенсивности ее затухания в среде.
По данным исследования трубопроводов используя (3.32) и (3.33) возможно выяснить степень соответствия развитой теории экспериментальным данным табл. 4.2 о скорости распространения скачка давления при гидроударе в загазованной среде, движущейся по деформируемому трубопроводу.
Величина скачка давления определится по (3.35). В рамках предложенной модели так же возможно оценить согласно (3.34) ширину области перехода от движущейся к неподвижной среде.
Результаты расчета параметров гидравлического удара по указанным зависимостям сведены в табл. 4.6. Там же для сравнения имеются сведения о результатах экспериментальных исследований. Сформулируем основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе. 1. В результате обзора современных методик расчета параметров гидроудара выявлены их основные недостатки: - наличие в структуре зависимостей «подгоночных» параметров связанных с численным решением уравнений движения, которые, по-сути, обесценивают метод расчета; - в широко известных источниках нет работ учитывающих одновременно реологические параметры деформируемых оболочек и загазованность среды. 2. Развитие нелинейных процессов при гидроударе связано со сжимаемостью среды, обусловленной наличием твердой фазы в транспортируемом потоке и некоторой доли газовой составляющей. Некоторое влияние также оказывают капиллярные силы в порах переносимых частиц. Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие заключения. Кривые сжимаемости имеют два участка. Статическая сжимаемость на начальном участке обусловлена сжатием газовой фазы, распределенной в виде пузырьков в несущей среде и находящейся в порах твердых частиц, а на асимптотическом - несущей. Область перехода лежит в пределах величин внешнего избыточного давления 120-г200 кПа. Разработанная экспериментальная модель сжимаемости учитывает распределение частиц дисперсной фазы по размеру, а также наличие пор. При этом процесс сжатия газовой фазы считается баротропным, а сжатия всей среды - адиабатическим. В предложенной модели сжимаемости капиллярное давление и давление в пузырях определяется по уравнениям состояния, что повышает точность расчетов и упрощает ее применение. Проведены экспериментальные исследования характерного времени адиабатического сжатия загазованной среды, которое составляет несколько секунд. 3. Проведены исследования распространения ударной волны в загазованной дисперсной среде и предложено решение нелинейной задачи определения параметров гидроудара при движении в деформируемой оболочке такой среды. Получены выражения для определения скорости распространения гидроудара и скачка давления с точностью до членов порядка VQ/CL. Установлено, что с уменьшением жесткости оболочки значения этих параметров уменьшаются, при этом значительную роль в изменении скорости начинают играть нелинейные эффекты. Оценка влияния ударного действия предлагается с помощью коэффициента динамичности нагрузки, выражение для которого учитывает энергетический баланс транспортируемой среды и оболочки. 4. Проведены экспериментальные исследования скорости гидроудара. Разработана методика определения скорости распространения деформаций трубы по длине при скачке давления в загазованной дисперсной среде и стенд для исследования характеристик гидроудара. Установлено, что увеличение скорости движения среды VQ И модуля упругости материала оболочки приводит к некоторому росту скорости гидроудара. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что наличие в транспортируемом потоке даже незначительной доли газовой составляющей приводит к снижению ее значения (до величин порядка сотни м/с). По характеру изменения амплитуды сигналов датчиков при деформации трубы установлено, что снижение модуля упругости материала оболочки приводит к увеличению интенсивности затухания скачка давления Ар. Кроме того, аналогичный эффект наблюдается при росте начальной амплитуды ударной волны. Наличие высокочастотных осцилляции на фронте волны деформации говорит о прохождении высокочастотных пульсаций ударной волны и отражением их от стенок. Установлено хорошее соответствие теоретических выводов и экспериментальных исследований. Результаты работы могут использоваться при проектировании гидротранспортных систем. В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю А.И. Жакину за помощь, оказанную при подготовке диссертации.
Похожие диссертации на Теоретические и экспериментальные исследования гидроудара в загазованной дисперсной среде, движущейся в деформируемой оболочке
