Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость изучения задач ка-витационных струйных течений связана со многими практическими приложениями и использования явления кавитации. Возникающие при этом задачи теоретического и практического свойства, непосредственно связанные с изучением этого явления, по тепло-массообмену реагирующих частиц с потоком, течению струй с явлениями конденсации и испарения, многофазным течениям смесей, движению тел в режиме развитой кавитации в воде и поведению двухфазной среды при различных воздействиях (например вибрации), эффектах вихревой кавитации (в том числе в затопленных струях) нашли отражение в работах Ватажина А.Б., Воинова О.В., Григоряна С.С, Гупало Ю.П., Иорданского СВ., Крошилина В.Е., Карликова В.П., Нигматулина Р.И., Петрова А.Г., Прокофьева В.В., Черного Г.Г., Якимова Ю.Л. Применение традиционных способов струйной очистки и разрушения материалов, в том'числе с твердыми добавками (песок, абразивные частицы, дробь) для эффектов кавитационнои эрозии и химических реагентов для моечных аппаратов, предполагают использование высоконапорных струйных установок (с напором до 200 МПа). Начиная с 70-х годов появились предложения использования механизма струйной кавитационнои эрозии в технологических процессах очистки, резки и других, а при низких давлениях напора для получения дисперсий, эмульсий и т.п. из плохо смешивающихся жидкостей. В целом. можно весь процесс условно разделить на три этана: 1) образование кавитирующей струи; 2) распостранение неравновесной двухфазной турбулентной струи; 3) взаимодействие кавитирующей струп с препятствием. В настоящем рассмотрении будет изучаться в основном первый из указанных аспектов. Известные в литературе способы исскуственного инициирования кавитации в струе жидкости истекающей из сопла
основаны на идее создания в потоке области пониженного давления (предлагается закручивать поток с помощью специальных лопаток, инициировать кавитацию на центральном теле на выходе из сопла, использование специальных сопел-например сопла Лаваля, трубки Вентури, профиль Витошин-ского и др.).
Диссертация посвящена теоретическому и численному исследованию задачи инициации кавитации в струе жидкости в соответствии с новым способом, когда поддув горячего пара осуществляется в область повышенного давления, специально формирующуюся на выходе из сопла, и выявлению общих закономерностей возникающего двухфазного течения.
Цель работы. В рамках плоского течения несжимаемой жидкости описать определяющие параметры, обеспечивающие заданный способ инициации кавитации в струе жидкости и получить зависимости размеров сопла, пузырей, величин давления напора и каверне от этих параметров. Провести исследование поведения пузырей в поле течения струи жидкости с большими градиентами давления с учетом явлений тепло-массообмена и их относительного движения, а также двухфазной неравновесной струи с пузырьками пара (газа).
Научная новизна. В диссертационной работе исследованы следующие вопросы:
-
Определение области параметров течения, каверны и струи для инициации кавитации и функционирования предложенной схемы.
-
Изучение динамики паровых пузырей в области смыкания струй при высокой начальной температуре пара в пузырьках, с учетом массо-теплообмена пузыря с окружающей жидкостью и явления гомогенной конденсации пара в объеме пузыря.
-
Конвективный тепло-массообмен пузыря при наличии относительного перемещения и вопрос его устойчивости.
4. Возмущенное двухфазное течение струм жидкости с пузырями пара или газа и многоскоростные эффекты в области больших градиентов давления, характерных для течений около каверны, с повышенным по отношению к окружающему пространству давлением в линейном по объемной концентрации пузырей приближении.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается применением строгих аналитических и аналитико-численных методов, анализе приближенных постановок задач и обеспечении необходимой точности численных расчетов, согласующимися с известными экспериментальными данными.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты способствует решению одного из основных вопросов, значительно расширяющего границы использования и применения кавитирующих струй: снижения напора струи. Областью практического приложения исследований является применение и реализация в различных технологических процессах с использованием установок кавитирующих струй предложенного способа инициации кавитации, на который получен Патент РФ N 2060344 от 20 Мая 1996 г. Представленные в работе исследования проводились в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института Механики МГУ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и получили положительную оценку на научном семинаре Института Механики МГУ иод руководством академика РАН Черного Г.Г.; конференции молодых учёных Института. Механики МГУ (1994 г.); VII школе-семинаре "Современные проблемы аэрогидродинамики" (Севастополь, 1994 г.); VI Всероссийской научной школы РАН "Гидродинамика больших скоростей"' (Чебоксары 1996 г.); научной конференции "Ломоносовские чтения" в МГУ им. М.В. Ломоносова (1996 г.)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, список которых в хронологическом порядке приведён в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы. Работа включает 95 страниц машинописного текста и 36 рисунков. Список литературы состоит из 100 наименований.