Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1 Исследование параметров вихревых воронок 8
1.2 Причины возникновения вихревых воронок 14
2. Описание установки
2.1 Экспериментальная установка 20
2.2 Основной бак 21
2.3 Дно бака 22
2.4 Устройство для плавного смещения сливного отверстия 23
2.5 Съемка на видеокамеру 25
3. Методы измерений
3.1 Измерение скорости опускания столба жидкости 27
3.2 Измерение расхода жидкости 32
3.3 Измерение угловой скорости вращения жидкости 37
3.4 Измерение размеров объектов и расстояний между объектами в наполненном жидкостью баке 39
4. Исследование основных причин возникновения вихревой воронки и измерение параметров концентрированного вихревого течения
4.1 Исследование влияния неустойчивости течения на возникновение вихревой воронки 46
4.2 Исследование влияния вращения жидкости на возникновение вихревой воронки 49
4.3 Исследование влияния симметрии граничных условий на возникновение вихревой воронки 50
4.4 Измерение расхода жидкости 64
Заключение 89
Список литературы 90
- Причины возникновения вихревых воронок
- Устройство для плавного смещения сливного отверстия
- Измерение угловой скорости вращения жидкости
- Исследование влияния вращения жидкости на возникновение вихревой воронки
Введение к работе
Истечение из предварительно заполненных жидкостью емкостей через сливные отверстия небольшого диаметра реализуется во многих бытовых и технических устройствах. В некоторых случаях истечение сопровождается образованием у сливных отверстий интенсивных вихревых течений с воздушным ядром, в ряде случаев проникающим в сливное отверстие. Формирование такого рода течений, именуемых в дальнейшем вихревыми воронками, может приводить к ряду технических проблем, препятствующих нормальному функционированию этих устройств (проникновение воздуха в трубопроводы, изменение характеристик потока и т.д.). Исследование причин возникновения позволит управлять появлением и ростом концентрированных вихревых течений, что особенно важно при проектировании и обслуживании таких технических устройств, как баки, трубопроводы, различные сливные устройства и т.д.
Последнее время появилось много работ, посвященных исследованию различных характеристик и свойств вихревых воронок. Как правило, исследуются различные характеристики стационарных вихревых воронок. Нестационарные вихревые воронки, образующиеся при истечении жидкости из предварительно заполненной ёмкости, изучены значительно меньше. Систематических экспериментальных исследований данного явления выполнено недостаточно для определения причин образования вихря в каждом конкретном случае. Кроме того, данный вопрос является частью более общей проблемы, которая может быть охарактеризована как определение условий формирования концентрированного вихревого течения в системах, изначально не содержащих таких вихревых течений. Здесь можно отметить вопрос об условиях возникновения таких атмосферных явлений, как тайфуны, торнадо и т.д.
Можно указать на несколько возможных причин возникновения вихревых воронок при истечении жидкостей из емкостей: действие сил Кориолиса, неустойчивость течения, асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. Из этих причин детально изученным можно считать воздействие сил Кориолиса, которые приводят к вращению только в специальных условиях, не реализуемых обычно в бытовых и технических устройствах. Что касается трех остальных причин, то их влияние на возникновение вращения изучено недостаточно. Для того, чтобы изучить возможность возникновения вращения из-за влияния этих факторов, необходимы систематические экспериментальные исследования. Можно надеяться, что изучение условий возникновения концентрированного вихревого течения в конкретном течении поможет определить условия возникновения таких вихревых течений в других случаях.
Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:
1. Создание установки по изучению условий формирования вихревых воронок.
2. Исследование таких возможных причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.
3. Изучение влияния вихревых воронок на истечение жидкости из предварительно заполненной ёмкости.
Научная новизна:
1. Проведено экспериментальное исследование таких условий возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.
Заполнение емкости осуществлялось таким способом, что при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости истечение происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки. При исследовании асимметрии граничных условий было обнаружено, что расположение предметов, установленных внутри цилиндрического бака, при вытекании незакрученной жидкости не приводило к появлению вихревых воронок.
2.Исследовано влияние положения сливного отверстия на возникновение вихревой воронки при наличии в жидкости вращения. Обнаружено, что смещение сливного отверстия относительно оси бака приводит к значительному снижению высоты образования вихревой воронки. Построена зависимость высоты образования вихревой воронки от смещения относительно оси бака.
3. Исследовано поведение расхода жидкости при образовании вихревой воронки над сливным отверстием в зависимости от высоты наполнения бака, скорости вращения жидкости и диаметра сливного отверстия. В результате проведенных экспериментов получен ряд зависимостей расхода от высоты столба жидкости в баке при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Проведено сопоставление поведения расхода с появлением и ростом вихревых воронок. Выявлены фазы развития вихревых воронок.
Практическая ценность:
Создана экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений. Получены данные, о влиянии ряда факторов на появление концентрированных вихревых течений при истечении жидкости из предварительно заполненных емкостей. Построены зависимости высоты образования вихревых воронок от положения сливного отверстия и скорости вращения жидкости. Получены зависимости расхода жидкости от времени вытекания при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Собранные данные позволяют прояснить явление возникновения вихревых воронок при истечении из предварительно заполненных емкостей, а знание полученных зависимостей актуально при разработке различных технологических установок.
На защиту выносятся:
1. Экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений.
2. Результаты экспериментов по исследованию таких причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. 3. Результаты измерений параметров вихревых воронок при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на XLIV научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2001г.), на международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность "Не-За-Те-Ги-Ус"» (Москва, 2004г.), на «Ломоносовской конференции» проводимой Институтом механики МГУ (Москва, 2004г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, список которых представлен в конце автореферата.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В введении показана актуальность работы, сформулированы ее цель, научная новизна и практическая ценность. Сформулированы положения, выносимые на защиту. Кроме того, кратко изложено содержание диссертации по главам,
В первой главе обсуждается современное состояние проблемы. Здесь дается обзор работ, посвященных исследованию некоторых причин возникновения вихревых воронок, изучению параметров вихревых воронок, описанию экспериментальных установок и некоторым применениям вихревых воронок. Называются возможные причины возникновения концентрированного вихревого вращения. Подробно описано влияние силы Кориолиса на возникновение воронок.
Вторая глава посвящена созданию установки по исследованию условий возникновения концентрированного вихревого течения над сливным отверстием при истечении жидкости. Приводится описание общей схемы установки и узлов, обеспечивающих работу установки. Описывается конструкция основного бака, сливного устройства дна бака и дополнительного дна, позволяющего плавно изменять положение сливного отверстия. В третьей главе приведена методика расчета расхода жидкости по скорости опускания высоты столба жидкости. Приводится оценка точности получаемых данной методикой данных и сравнение их с другими способами измерения расхода. Поскольку в работе проводились измерения характерных размеров течения по фотоснимкам, получаемым видеокамерой, то в третьей главе приведена также оценка точности определяемых таким образом размеров.
В четвертой главе приведены результаты экспериментов по исследованию причин возникновения концентрированного вихревого течения и результаты экспериментов по измерению расхода жидкости при образовании вихревых воронок над сливным отверстием. Анализ полученных экспериментальных данных и сопоставление их с результатами других работ приведены в пятой главе.
Объем диссертации составляет 94 страниц, включая 40 рисунков и библиографию, содержащую 60 наименований.
Причины возникновения вихревых воронок
Исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений посвящено значительно меньшее количество работ. Одной из гипотез, которая выдвигалась для объяснения причин возникновения вихрей при вытекании жидкости из баков и раковин, являлось предположение об определяющем влиянии сил Кориолиса, возникающих из-за вращения Земли, В [44-46] была предпринята попытка экспериментального исследования влияния сил Кориолиса на возникновение вихревого течения при истечении жидкости из бака. Эти эксперименты показали, что силы Кориолиса действительно могут вызвать вращение, причем если в северном полушарии наблюдалось вращение против часовой стрелки, то в южном полушарии вращение наблюдалось по часовой стрелке. Установка, на которой проводилось исследование в [44-46] состояла из цилиндрического бака, диаметром 183 см, высотой 15 см и диаметром сливного отверстия 9.5 мм. Полное опорожнение бака происходило за 20 мин. Скорость вращения, наблюдавшаяся в работе, зависела от времени, в течении которого жидкость в баках выдерживалась перед открытием сливного отверстия. Максимальная скорость вращения у сливного отверстия 1 оборот за 3 с наблюдалась при времени выдерживания, равном 70 ч, а при времени выдерживания 18-20 ч скорость вращения составила 1 оборот за 8 с. Такие времена выдерживания требуются, чтобы движения воды в баке, возникшие при его заполнениии, угасли и стали значительно меньше, чем скорость движения, связанная с вращением Земли.
В этих экспериментах тщательно контролировалось постоянство температуры и скорости движения воздуха над поверхностью воды, чтобы возникающие из-за конвекции и взаимодействия с воздушными потоками движения жидкости были малы по сравнению со скоростью из-за вращения Земли. Чтобы подчеркнуть необходимость предпринятых мер, отметим, что на краях размещенного на полюсе бака радиусом 1 м скорость из-за вращения Земли составляет 4мм/мин.
Таким образом, в [44-46] было показано, что в специальных условиях из-за действия сил Кориолиса при истечении жидкости из бака возникает вихревое течение вблизи сливного отверстия, но из результатов этих же экспериментов следует, что на наблюдаемое в бытовых условиях вращение вблизи сливного отверстия силы Кориолиса не влияют. В монографии [47] отмечается, что причиной вращения вблизи сливного отверстия в данном случае являются движения в жидкости, возникающие при заполнении ванн и раковин, а также при использовании ванн и раковин человеком. Однако в [47] не приводятся экспериментальные данные, на которых это заключение основывается.
В [48] указывается, что действие сил Кориолиса на воронкообразование в реальных условиях пренебрежимо мало по сравнению с другими факторами. Вместе с тем, в работе подчеркивается, что основные причины возникновения вихревых воронок - это искусственно вызванный момент вращения или действие вихревых шнуров, возникающих при обтекании потоком местных сопротивлений. В [49] вопрос возникновения вихревой воронки над сливным отверстием авторы относят к явлениям самоорганизации в неравновесных системах и предполагают, что такого рода явления возникают в тех случаях, когда число, характеризующее энергию течения, превосходит некоторое критическое значение. Как показали эксперименты [49] образование вихревой воронки над сливным отверстием происходит при превышении расходом некоторого значения. Рассчитывая с помощью уравнения Навье-Стокса зависимости скорости вращения жидкости от радиуса в предположении, что на удалении от сливного отверстия жидкость равномерно вращается, авторы находят, что данные зависимости меняют свой вид при превышении расходом некоторой величины. В работе [49] делается вывод, что образование вихревой воронки происходит в случае, когда характерная энергия течения, возникающего из-за перепада давления у сливного отверстия, превосходит некоторое число, характеризующее влияние сил вязкости. Однако в [49] не описывается, как определить это характерное число для конкретного течения и не дается описание установки, на которой были получены экспериментальные данные. Возможно, возникновение вихревой воронки происходило из-за неравномерности подачи жидкости или каких-либо других конструктивных особенностей установки.
В работе [50,51] предполагалось, что характерной чертой концентрированных вихревых течений, как вихревых воронок, так и циклонов, является их диссипативная структура, требующая постоянной подпитки энергии. Поэтому в большинстве случаев такая структура формируется, когда поддерживающая её энергия превышает некоторое характерное значение. В работе исследовалось возникновение вихревой воронки в прямоугольном баке при истечение через отверстие, расположенное в центре бака. Подача жидкости в бак производилась с двух противоположных сторон через ряд последовательно расположенных сеток, сглаживающих возмущения в потоке. В качестве рабочей жидкости использовались водно-глицериновые смеси, в которые добавлялось немного алюминиевой пудры. Происходящее в емкости снималось видеокамерой с большим временем выдержки (около 4 с), так что траектории частиц становились видимыми. При превышении расходом некоторой величины над сливным отверстием происходило образование вихревой воронки. При дальнейшем увеличении расхода над сливным отверстием формировалось несколько вихревых воронок, которые через некоторое время сливались в один устойчивый вихрь.
Возникновение интенсивного движения при вытекании из тонкого капилляра наблюдалось в [52]. Такого рода течения реализуются в печатных головках струйных принтеров и других технических устройствах. Жидкость, вытекающая из тонкого капилляра, расширяясь, образует мениск, который под действием электрического поля начинает интенсивно вращаться. Как показали исследования [53, 54] интенсивное вращение жидкости происходило в тех случаях, когда число Re превосходило некоторое пороговое значение. Модель данного явления, теоретическое приближение, была разработана в [55] с использованием уравнений Навье-Стокса, записанных в конической системе координат. Было найдено, что течение устойчиво в различного рода возмущениям в широком диапазоне чисел Re. Однако при больших числах Re течение становится неустойчиво к возмущениям, возникающим в около капиллярной области мениска, которые начинают накапливаться, приводя к возникновению интенсивного вращения.
В работе [56] исследовалось возникновение вращения в узкой емкости, В центре дна емкости находился источник тепла, вызывающий появление в емкости температурной конвекции. Опускающиеся слои жидкости у стенки емкости и поднимающиеся в центре емкости приводили к возникновению циркуляция жидкости, а при некоторых значениях нагрева и параметров емкости струя жидкости в центре начинала вращаться. Интересное явление наблюдалось в эксперименте [57] в стеклянном стакане, заполненном жидкостью, который колебался в горизонтальной плоскости. При некоторых значениях амплитуды и частоты колебаний, волны возникающие на поверхности приводили к появлению вращения в жидкости.
Устройство для плавного смещения сливного отверстия
При изучении влияния асимметрии положения сливного отверстия на возникновение вращения не достаточно одного бокового отверстия смещенного на фиксированное расстояние от центра. Для получения ряда зависимостей необходима возможность плавного изменения положения сливного отверстия. Для решения этой задачи было сконструировано приспособление, позволяющее плавно смещать сливное отверстие. Устройство состоит из: 1 - круга, вырезанного точно по внутреннему диаметру основного бака (соединение не герметично, зазор между кругом и стенкой 3 мм), 2 - цилиндрической емкости, перевернутой вверх дном, 3 - прокладки, надежно герметизирующей соединение между цилиндрической емкостью и дном бака, 4 - оси, вокруг которой цилиндрическую емкость можно вращать, 5 - сливного отверстия диаметром 8 мм, 6 - выреза в виде полуокружности в круге (1), расположенного точно над сливным отверстием.
Как видно из рис.2.3.1 последовательно вращая цилиндрическую емкость (2) вокруг оси (4) сливное отверстие плавно смещается относительно оси бака, принимая значения в диапазоне от Дг=0мм до Аг= 120мм.
За высоту столба жидкости при этом принимается значение высоты столба жидкости в баке за вычетом высоты конструкции (130 мм). Данное предположение верно в том случае, если жидкость вытекает через отверстие (5) свободно, т.е. под емкостью (2) находится воздух.
Все детали основного бака и промежуточной емкости, по возможности, делались из прозрачных материалов, для того чтобы была возможность наблюдать со всех сторон за развитием возмущений, вносимых в поток. При проведении экспериментов происходящее в основном баке и промежуточной емкости фиксировалось на видеокамеру. Для удобства съемки был сконструирован специальный штатив, позволяющий фиксировать видеокамеру в любой удобной для видеосъемки точке. На рис.3.5.1 изображена съемка на видеокамеру образования вихревой воронки со штатива. Для удобства изменения конструкции дна прозрачный бак (2) подвешен на опорных шпильках (3), прикрепленных к несущим стойкам (1). К этим же стойкам крепится штатив (4). Штатив состоит из основания и трех колен, соединенных подвижными дисковыми соединениями, позволяющими легко менять положение рамы (6), на которую жестко закреплена видеокамера (5).
Внутри подвижного дискового соединения вставлена резиновая прокладка. Таким образом, затягивая болт, стягивающий колена штатива, можно увеличивать жесткость соединения. Такое устройство штатива позволяет легко перемещать видеокамеру во время съемки. Изменение положения видеокамеры происходит при надавливании рукой на раму (6). Жесткость соединения выбирается так, чтобы штатив оставался в том положении, в котором его оставили после перемещения.
Съемка велась на цифровую видеокамеру Sony DCRRV355E стандарта Digital 8, имеющей следующие параметры: размер изображения 720-576 пикселей, частота кадров 25 кадров в секунду. 3. Методы измерений.
При проведении экспериментальных работ был собран большой объем качественной информации: фото снимков и видеофильмов — о влиянии различных факторов влияющих на возникновение вращения при истечении жидкостей из отверстий. Полученную качественную информацию дополняет количественная информация: измерение скорости опускания столба жидкости, угловой скорости вращения, расхода и размеров вихревых воронок и т.д.
Эксперименты по измерению скорости опускания столба жидкости проводились при следующих параметрах установки: - снималось верхнее кольцо основного бака с закрепленными в нем сеткой и хонейкомбом, Высота основного бака при этом составляла Нбака= 600 мм. - диаметр центрального сливного отверстия менялся в диапазоне значений от 0 мм до 30 мм; - диаметр бокового отверстия 10 мм; - угловая скорость вращения менялась в диапазоне значений от 0 Vc до 2.0 Vc; -к внешней поверхности бака прикреплялась металлическая линейка с нанесенной на нее шкалой рис.3.1.1. Эксперименты по измерению скорости опускания столба жидкости проводились в следующем порядке: - бак наполнялся жидкостью до необходимой начальной высоты заполнения ho; -в жидкость на глубину около 5см опускался диск (1.5) рис.2.1.1 и включался электродвигатель (7). Электродвигатель вращался с необходимой скоростью 2-3 мин. После чего диск поднимался над жидкостью; - включалась видеокамера, предварительно установленная в такое положение, чтобы было видно границу жидкость-воздух и линейку со шкалой: -в жидкость на радиусе 10см капала краска или опускался маленький кусочек пенопласта, по скорости движения которых, в дальнейшем, определялась угловая скорость вращения жидкости в баке; - открывалось одно или несколько сливных отверстий; - камера опускалась одновременно с жидкостью так, чтобы в поле зрения всегда было видно границу жидкость-воздух и линейку со шкалой. Съемка на камеру велась непрерывно в течение всего времени проведения эксперимента до момента, пока из бака не вытекала вся жидкость.
Измерение угловой скорости вращения жидкости
Под угловой скоростью начального вращения жидкости в работе подразумевалось значение угловой скорости вращения на радиусе 100 мм перед открытием сливного отверстия. Измерение угловой скорости начального вращения производилось при помощи видеокамеры. Видеокамера располагалась сбоку бака на 2-3 см ниже уровня жидкости в баке.
При проведении экспериментов в некоторых случаях необходимо уметь определять размеры объектов и расстояние между различными объектами. Например, для определения объема воронки необходимо уметь определять диаметр и высоту воронки, а для определения скорости движения жидкости необходимо уметь определять положение капли краски в различные моменты времени и т.д.
Поскольку бак, в котором проводились эксперименты цилиндрический, то размеры объекта, находящегося в жидкости значительно искажаются. К тому же размеры объектов, находящихся внутри жидкости, определяются по шкале, находящейся снаружи бака. Измеренный таким образом размер также может значительно отличаться от реального размера объекта. Поэтому, для изучения влияния искажений, вносимых цилиндрическим баком с жидкостью, на измеряемые параметры течений и определение точности, полученных данных, были проведены несколько экспериментов. Съемка велась так, чтобы в кадр всегда попадала измерительная линейка, расположенная на расстоянии 14=55мм от внутренней поверхности бака. Измеряемый объект «а» располагался на расстоянии /7 от оси бака и на расстоянии 12 от плоскости измерительной линейки. В плоскости измерительной линейки объект «а» виден как объект размером Ь. За расстояние между объектами принималось расстояние, измеренное в единицах измерительной линейки.
Показания делений верхней и нижней линеек фиксировались в единицах измерительной линейки. Строился график зависимости измеренных расстояний от действительных расстояний рис.3.4.3. На рисунке приведены показания линейки, опущенной в жидкость (точки темно-синего цвета), и показания линейки, находящейся в воздухе (голубого цвета). Пунктиром показана прямая для случая, если бы измеряемые и действительные значения совпали.
Из рисунка видно, что искажения, вносимые баком линейны, т.е. изображение объекта равномерно растягивается относительно действительного. Поэтому, для определения действительных размеров объекта достаточно определить его размеры по фотографии и затем умножить на соответствующий коэффициент растяжения. Xb = Xa x к; где Xa - действительный размер объекта, Хъ - измеряемый размер объекта в плоскости линейки, к - коэффициент растяжения.
Область, закрашенная более светлым цветом, соответствует диапазону изменения коэффициента растяжения при различных положениях объекта относительно оси бака. Нижняя кривая соответствует положению объекта на оси бака /у = 0 мм, а верхняя кривая - у внутренней поверхности бака /у = 150 мм.
В некоторых случаях, при проведении экспериментов для получения изображений хорошего качества, изображение объектов увеличивалось при помощи оптической системы видеокамеры. Положение видеокамеры и объекта наблюдения при этом не менялось. Для того чтобы убедиться, что изменения внутри оптической системы видеокамеры не влияют на коэффициент растяжения, было проведено дополнительное исследование, в котором при фиксированных // = 80 мм и /j- 230 мм менялось фокусное расстояние камеры и находился коэффициент растяжения. Как видно из рисунка, не смотря на изменение фокусного расстояния и увеличение видимой картинки, все точки ложатся на одну прямую и все прямые имеют одинаковый наклон. Т.е. при проведении экспериментов можно увеличивать объекты при помощи оптической системы видеокамеры и это не приведет к искажению результатов.
Исследование влияния вращения жидкости на возникновение вихревой воронки
Формирование вихревых воронок при истечении из различных бытовых устройств, баков зачастую происходит при наличии в жидкости начального вращения, появившегося там вследствие работы этих устройств или несимметричного заполнения емкостей. В эксперименте исследуется влияние начального вращения жидкости на образование воронки. Исследование проводилось в нестационарном режиме при различных высотах заполнения 5 ho 50 см и скорости закрутки жидкости 0.0 w0 2.0 с"1. Вытекание жидкости происходило через центральное отверстие, диаметр которого устанавливали равным 10,20 и 30 мм.
Исследование показало, что если жидкость в баке перед открытием была закручена, то через 5-30 с над сливным отверстием всегда формировалась вихревая воронка, которая сохранялась в жидкости до конца вытекания. Формирование воронки происходило при всех высотах наполнения бака. На рис.4.2.1. приведена последовательность фотографий вытекания закрученной жидкости через центральное отверстие. Высота наполнения бака в эксперименте ho=S30 мм, скорость начальной закрутки wo=0.4 с"1, диаметр сливного отверстия d=10 мм. Как видно из рисунка формирование воронки происходит сразу после открытия сливного отверстия. Сформировавшаяся воронка существует в жидкости до конца вытекания. При скорости вращения жидкости w0 0.3 с"1 в жидкости формировались замкнутые вихревые воронки, воздушные ядра которых не проникали в сливное отверстие.
В эксперименте проводилось исследование влияния на возникновение вихревой воронки различных цилиндрических и прямоугольных предметов, расположенных асимметрично по отношению к сливному отверстию. Предметы устанавливались на дно бака на различных расстояниях от сливного отверстия. Цилиндрические предметы имели следующие размеры: высота 200 мм, диаметр 70 мм; а прямоугольные предметы: высота 200 мм, длина стороны 70 мм. Фигуры расставлялись в различных положениях, так как указано на рисАЗД. Исследование проводилось в нестационарном режиме: бак наполнялся жидкостью и некоторое время отстаивался. Вытекание жидкости происходило через центральное отверстие и в некоторых экспериментах через боковое отверстие, смещенное на 100 мм относительно центра. Исследование показало, что во всех случаях, кроме рисАЗАг, вытекание происходило без образования воронки, как при вытекании через центральное отверстие, так и через боковое отверстие. В самом конце вытекания в эксперименте, соответствующем рис A3.1.г образовалась небольшая воронка.
В следующем эксперименте предполагалось, что вихревая воронка может возникнуть под диском установленном в баке асимметрично по отношению к оси бака. Установка запускалась в стационарном и нестационарном режиме. Исследовалось вытекание незакрученной жидкости через боковое и центральное отверстия. В эксперименте изменяли высоту диска над дном. При нестационарном истечении изменяли высоту наполнения бака. Исследование показало, что установка асимметрично расположенного над сливным отверстием диска, как при центральном, так и при боковом положении сливного отверстия, не приводит к возникновению вихревой воронки.
На возникновение вихревой воронки также может влиять несимметричность боковой поверхности бака. Для исследования этого предположения в баке установили вертикальную плоскость, как показано на рис.4.3.3, Плоскость герметично касалась стенок бака и дна в случае 4.3.3,а и имелся небольшой зазор с одной стороны плоскости 4.3.3,6. Установка запускалась в нестационарном режиме. Исследовалось вытекание незакрученной жидкости через боковое и центральное отверстия. Исследование показало, что в случае (а) образование вихревой воронки над сливным отверстием не происходит, независимо от положения плоскости и от того, через какое отверстие вытекает жидкость. Вместе с тем, в случае (б) в конце вытекания над центральным отверстием наблюдалось появление воронки.
В следующей группе экспериментов изучалось влияние на возникновение вихревой воронки асимметрии расположения сливного отверстия при наличии в жидкости начального вращения. Исследование проводилось в нестационарном режиме истечения. Жидкость вытекала в различных комбинациях через центральное и два боковых отверстия диаметром 10 мм, расположенных симметрично на расстоянии 100 мм относительно оси рис.2.3.1. При проведении экспериментов бак наполнялся жидкостью до высоты ho=530 мм.
На рис.4.3.4. приведена последовательность фотографий вытекания незакрученной жидкости wo=0.0 с"1 через боковое отверстие. Как видно из рисунка формирование воронки не происходило в течение всего времени опорожнения бака. Вытекающая струя имеет гладкую форму на всей последовательности фотографий. На рис.4.3.5. приведена последовательность фотографий вытекания закрученной жидкости wo=0.4 с"1 через боковое отверстие. Как видно из рисунка, не смотря на наличие вращения в жидкости, вихревая воронка над сливным отверстием длительное время не образовывалась. Небольшая воронка возникала только в конце вытекания на высоте 10-30 мм.
В следующем эксперименте рис.4.3.6. исследовалось вытекание незакрученной жидкости wo=0.0 с"1 через центральное и одно боковое отверстия. Образование вихревой воронки не происходило в течение всего времени вытекания ни над центральным, ни над боковым отверстием. Если жидкость предварительно закручивали wo=0.4 с 1, то формирование воронки над центральным отверстием происходило сразу после открытия сливного отверстия, а над боковым отверстия воронка не образовывалась. Только в конце вытекания на высоте 10-30 мм воронка формировалась и над боковым отверстием рис.4.3.7.
В эксперименте представленном на рис.4.3.8. исследовалось вытекание незакрученной жидкости wo=0.0 с"1 через два боковых отверстия. Образование вихревой воронки не происходило в течение всего времени вытекания ни над одним из отверстий. Формирование вихревых воронок не происходило и в случае, если жидкость предварительно закручивали wo=0.4 с рис.4.3.9. Небольшие воронки появлялись только в конце вытекания над обоими отверстиями на высоте -10-20 мм.
