Введение к работе
Актуальность работы. Осредненное воздействие осциллирующих силовых полей на неоднородные по плотности гидродинамические системы является одним из приоритетных научных направлений в вибрационной механике. Это объясняется возможностью применения вибраций в различных областях науки и техники, в частности, в космических технологиях, поскольку в условиях невесомости влияние вибраций особенно велико. Экспериментальные исследования, направленные на обнаружение и исследование новых вибрационных явлений, имеют большое значение в фундаментальном и прикладном плане.
Целью работы является экспериментальное исследование вибрационной динамики твердого цилиндра кругового сечения в полости, заполненной вязкой несжимаемой жидкостью, при вибрациях различного типа. Изучается:
взаимодействие легкого цилиндра с границами прямоугольной полости, совершающей поступательные колебания;
осредненная динамика тяжелого тела при поступательных вибрациях;
поведение тяжелого цилиндра в коаксиальном зазоре при высокочастотных вращательных колебаниях полости вокруг горизонтальной оси симметрии.
Научная новизна результатов заключается в том, что в работе впервые экспериментально :
изучено поведение легкого цилиндра в прямоугольной полости с жидкостью, совершающей поступательные вибрации. Обнаружено, что на цилиндр, колеблющийся вблизи границы полости, действует вибрационная сила отталкивания, под действием которой легкое тело занимает устойчивое квазистационарное положение на некотором расстоянии от потолка. Сила отталкивания связана с гидродинамическим взаимодействием тела с границей полости. За пределами вязкого пограничного слоя вибрационная сила отталкивания сменяется силой притяжения. Последняя способна удерживать легкий цилиндр вблизи дна полости;
разработана и использована оригинальная методика непосредственного измерения вибрационной подъемной силы, основанная на квазистационарном
вибрационном подвесе тела в поле силы тяжести. Изучена зависимость подъемной силы, действующей на тело, от расстояния до стенки. Исследования выполнены в широком интервале значений безразмерной частоты;
методом высокоскоростной видеорегистрации исследована колебательная и осредненная динамика легкого цилиндра. При интенсивных вибрациях в надкритической области обнаружен новый вид неустойчивости - возбуждение тангенциального движения тела вдоль границы полости. Показано, что движение цилиндра связано с потерей симметрии его колебаний;
изучено поведение тяжелого цилиндра при горизонтальных вибрациях полости. Обнаружено, что за исключением фазы колебаний динамика тяжелого тела аналогична динамике легкого: с повышением частоты вибраций тело пороговым образом отталкивается от дна полости на конечное расстояние. Дальнейшее повышение интенсивности вибраций приводит к возбуждению осредненного тангенциального движения;
изучена осредненная динамика цилиндрического тела в секторе горизонтального коаксиального зазора, заполненном жидкостью и совершающем высокочастотные вращательные вибрации. Исследовано гидродинамическое взаимодействие цилиндра с границами полости. Обнаружены и изучены квазистационарные состояния тяжелого цилиндра на наклонных участках коаксиального зазора, возникающие в результате потери симметрии колебаний тела по отношению к полости.
Автором выносятся на защиту результаты экспериментального исследования:
взаимодействия легкого цилиндра с границами прямоугольной полости, за
полненной вязкой несжимаемой жидкостью и совершающей поступатель
ные горизонтальные вибрации, в широком диапазоне безразмерных частот:
о изучение вибрационной силы отталкивания, действующей на тело вбли
зи потолка полости;
о изучение колебательной и осредненной динамики тела с применением высокоскоростной видеорегистрации;
о изучение вибрационной силы притяжения цилиндра ко дну полости;
вибрационной динамики тяжелого цилиндра в вязкой жидкости при гори
зонтальных колебаниях прямоугольной полости:
о определение пороговых переходов тела на плоскости управляющих безразмерных параметров;
о изучение колебаний цилиндра вблизи дна полости методом скоростной видеосъемки в зависимости от безразмерной частоты вибраций;
поведения тяжелого цилиндра в горизонтальном коаксиальном зазоре с не
проницаемой перегородкой, совершающем вращательные колебания:
о изучение вибрационной подъемной силы, действующей на тело; о исследование квазистационарных состояний цилиндра на наклонных участках коаксиального зазора.
Достоверность результатов, основных положений и выводов диссертации обеспечивается детальным и всесторонним изучением задачи с применением апробированных экспериментальных методик, современного оборудования и технологий для контроля и последующей обработки экспериментальных данных, анализом результатов и их согласием с известными экспериментальными и теоретическими работами других авторов.
Научная и практическая ценность работы. Выполненные экспериментальные исследования важны для развития теории вибрационной механики гетерогенных гидродинамических систем, для более глубокого понимания осред-ненных явлений в многофазных системах в осциллирующих силовых ПОЛЯХ.
Экспериментальная аппаратура и оригинальная методика измерения вибрационной подъемной силы, разработанные и использованные в эксперименте, могут применяться в дальнейшем при решении задач вибрационной механики. Результаты исследований могут быть использованы при решении различных технологических и прикладных задач, связанных с управлением фазовыми включениями в жидкости, в частности, при создании очистителей жидкости вибрационного типа. Исследования проводились при поддержке РФФИ, Рособ-разования и администрации ПГПУ.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации достаточно полно изложены и опубликованы в работах [1-12]. Работа [2] выполнена и опубликована автором лично. В остальных работах экспериментальные исследования и обработка результатов проведены диссертантом, обсуждение и анализ осуществлялся совместно с соавторами.
Апробация работы. Результаты, представленные в работе, докладывались на всероссийских и международных конференциях, школах и семинарах: Всероссийской конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» (Россия, Пермь, 2007), XVI Зимней школе по механике сплошных сред (Россия, Пермь, 2009), XXXVII и XXXVIII Международных Летних школах «Актуальные проблемы механики» (Россия, Санкт-Петербург, 2009, 2010), на 11-ом Национальном Конгрессе по теоретической и прикладной механике (Болгария, Боровец, 2009), 61-ом Международном Астронавтическом конгрессе (Чехия, Прага, 2010), Пермском гидродинамическом семинаре.
Содержание и структура работы. Основной текст диссертационной работы содержит 121 страницу текста с 55 рисунками и состоит из введения, трех глав, содержащих результаты исследований и их анализ, заключения и библиографического списка (125 источников).
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование вибрационной динамики цилиндрического тела в вязкой жидкости
