Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пневматические методы измерения плотности сыпучих материалов 9
1.1. Плотность сыпучих материалов и ее особенности 9
1.2. Классификация пневматических методов измерения плотности замещением 13
1.3. Манометрические методы измерения плотности 15
1.4. Пневмодинамические методы измерения плотности 19
1.5. Кинетические (струйные) методы измерения плотности 32
1.6. Выводы и постановка задач исследования 40
Глава 2. Влияние нагрузки на распространение струй новаку стического сигнала вдоль длинной линии 42
2.1. Распространение струйно-акустического сигнала вдоль длинной линии 42
2.2. Струйно-акустическая длинная линия с идеальной нагрузкой 48
2.3. Отрезки длинной линии с нагрузкой в виде твердой плоской поверхности 52
2.4. Отрезки длинной линии с нагрузкой в виде пневматической емкости 56
2.5. Отрезки длинной линии с нагрузкой в виде сыпучего материала... 59
2.6. Выводы по второй главе : 62
Глава 3. Методы контроля концентрации газовой фазы и плотности сыпучих материалов 63
3.1. Метод контроля концентрации газовой фазы в слое сыпучего материала 63
3.1.1. Влияние высоты слоя сыпучего материала на выходной сигнал 67
3.1.2. Влияние скорости перемещения сыпучего материала на выходной сигнал 70
3.1.3. Влияние гранулометрического состава сыпучего материала на выходной сигнал 72
3.1.4. Адекватность математической модели метода контроля концентрации газовой фазы физическим процессам, происходящим в струйно-акустической измерительной системе 74
3.1.5. Метрологический анализ метода контроля концентрации газовой фазы 77
3.2. Метод контроля плотности частиц сыпучих материалов 85
3.3. Выводы по третьей главе 88
Глава 4. Методы и устройства генерации струйно-акустических колебаний 89
4.1. Физика генерации струйно-акустических колебаний 89
4.2. Характеристики свободных турбулентных струй 106
4.3. Структура и характеристики газовой струи на выходе струйно-акустического генератора 113
4.4. Выбор конструкции струйно-акустического генератора 116
4.5. Выводы по четвертой главе 119
Глава 5. Струйно-акустическое устройство контроля плотности сыпучих материалов 120
5.1. Конструкция устройства и принцип его действия 120
5.2. Блок индикации узла в распределении амплитуд
звукового давления 121
5.3. Метрологический анализ устройства контроля плотности
сыпучих материалов ; 128
5.4. Выводы по пятой главе 132
Основные результаты и выводы по работе 133
Список использованной литературы
- Классификация пневматических методов измерения плотности замещением
- Отрезки длинной линии с нагрузкой в виде твердой плоской поверхности
- Влияние скорости перемещения сыпучего материала на выходной сигнал
- Структура и характеристики газовой струи на выходе струйно-акустического генератора
Введение к работе
До 80 % веществ используемых и производимых в различных отраслях промышленности являются сыпучими, то есть представляющими собой совокупность большого количества твердых частиц, пространство между которыми заполнено газом. Одним из основных свойств таких веществ, наиболее полно отражающим состояние, является плотность.
Весьма заметна роль измерения плотности в организации системы количественного учета (по массе) веществ при их приемке, хранении и отпуске.
Научные основы измерения плотности различных веществ были заложены в трудах Д.И. Менделеева, А.Н. Доброхотова, Н.С. Михельсона, И.К. Турубинера, М.Д. Иппица, С.С. Кивилиса, И.П. Глыбина и др. Измерение плотности сыпучих материалов является более сложной задачей, чем измерение плотности жидких и газообразных веществ. Большой вклад в решение проблемы измерения плотности сыпучих материалов внесли ученые СИ. Вольфкович, Н.Е. Пестов, С.Н. Торопин, Е.И. Андрианов, П.А. Коузов и др.
Проблема создания новых методов контроля плотности сыпучих материалов связана с необходимостью получения оперативной информации о ходе технологического процесса, о качестве и количестве сырья, продуктов и полупродуктов.
Для определения плотности сыпучих материалов большое распространение получил метод поэтапного измерения объема и массы. Операция измерения массы материала не вызывает трудностей, тогда как вопросы измерения объема сыпучего материала исследованы недостаточно и не получили должного освещения в научно-технической литературе.
Измерение плотности сыпучих материалов возможно только косвенными методами. При этом принцип измерения пневматическим замещением позволяет проводить измерение не самой интересующей нас величины, а другой - являющейся замещающей, параметры которой несут информацию об измеряемой величине. Пневматические методы контроля плотности, основанные на принципе замещения, наиболее универсальные, надежные и позволяют измерять кажущуюся и истинную плотность частиц сыпучих материалов.
Использование новых аэродинамических эффектов позволяет усовершенствовать ранее применявшиеся пневматические методы измерения плотности сыпучих материалов, а так же создать принципиально новые методы, существенно отличающиеся от известных.
С применением этих методов открываются новые возможности для автоматизации производственных процессов. Аэродинамические методы существенно дополняют электрические методы, имеющие для современной науки и промышленности главное значение. В некоторых случаях целесообразным является создание комбинированных измерительных систем, в которых имеются не только аэродинамические элементы, но и элементы других типов: электрические, акустические, механические и другие.
В предлагаемой диссертационной работе проведено исследование неотраженных в существующих доступных источниках научно-технической информации вопросов, связанных с разработкой новых струйно-акустических методов контроля и созданием реализующих их устройств для измерения плотности сыпучих материалов.
На основе теоретического и экспериментального исследования процессов, происходящих в струйно-акустической системе, разработан бесконтактный струйно-акустический метод контроля плотности сыпучих материалов и концентрации газовой фазы. Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через одно- и двухдиафрагмовые звукообразующие элементы. Путем сравнения свойств генераторов диафрагмового типа доказана целесообразность использования однодиафрагмового генератора при реализации струйно-акустического метода. Разработано принципиально новое струйно-акустическое устройство для контроля плотности сыпучих материалов. Проведена экспериментальная проверка разработанного метода и устройства, вьывлены и оценены их основные метрологические характеристики. Разработанные устройства прошли производственные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения», ЗАО СМНУ «Тамбовагропромпусконаладка», ОАО «Тамбовское опытно-конструкторское технологическое бюро», кроме того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.
Цель работы. Разработка и исследование струйно-акустического неразру-шающих методов и устройства контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
осуществить теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, происходящих в струйно-акустической длинной линии с различными типами нагрузок;
разработать бесконтактные струйно-акустические методы контроля концентрации газовой фазы в слое сыпучего материала и кажущейся плотности его частиц;
осуществить экспериментальную проверку полученных результатов и провести метрологический анализ методов контроля концентрации газовой фазы и плотности;
разработать устройство для контроля концентрации газовой фазы и плотности частиц в слое СМ; осуществить анализ его работы и экспериментальную проверку;
изучить и осуществить сравнительный анализ различных аэродинамических генераторов акустических колебаний.
Методы и методики исследований. Основные задачи работы решались моделированием и анализом моделей процессов газовой динамики. При проведении экспериментальных исследований использовались методы физического моделирования, статистического и регрессионного анализа.
Научная новизна. На основе проведенных исследований процесса распространения струйно-акустического сигнала предложен метод неразрушающего контроля концентрации газовой фазы и плотности сыпучих материалов, заключающийся в следующем:
формируется плоская падающая звуковая волна, отражение которой от слоя сыпучего материала высотой равной четверти длины звуковой волны, приводит к возникновению режима стоячих волн;
фиксируется положение узла стоячей волны в пространстве, которое однозначно определяет величину концентрации газовой фазы, а с учетом массы - плотность
7 сыпучего материала независимо от параметров окружающей среды и скорости движения.
Предложена физическая модель СМ в виде параллельного соединения твердой фазы как сплошного вещества и газовой фазы как акустической емкости. Для такой системы получена аналитическая зависимость изменения длины струйно-акустической линии эквивалентной нагрузке в виде СМ в результате струйно-акустического замещения.
Выявлены и физически обоснованы процессы аэродинамического звукообразования при истечении газа через одно - и двухдиафрагмовые звукообразующие элементы. Путем сравнения свойств генераторов диафрагмового типа доказана целесообразность использования однодиафрагмового генератора при реализации струйно-акустического метода;
Предложен метод сигнализации момента достижения узла в распределении амплитуд звукового давления в струйно-акустической системе в режиме стоячих волн, основанный на использовании эффектов, возникающих при акустическом воздействии на ядро турбулентной струи.
Практическая ценность. Разработано струйно-акустическое устройство неразрушающего контроля плотности неподвижных и движущихся сыпучих материалов. Осуществлен выбор конструктивных размеров его основных элементов.
Производственные испытания экспериментальных образцов устройств, реализующих разработанный метод контроля плотности СМ, показали их работоспособность. Величина максимально допустимой погрешности йе более 5,0 %.
Оригинальное устройство для измерения плотности признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и рекомендованы к внедрению на предприятиях ОАО «Завод подшипников скольжения», ЗАО СМНУ «Тамбовагропром-пусконаладка», ОАО «Тамбовское опытно-конструкторское технологическое бюро», кроме того, они используются в научно-исследовательской и учебной работе Тамбовского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Четвертой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале
8 XXI века» (Тамбов, 2001 г.); 11 Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2001 г.); III Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений» (Н. Новгород,
г.); VII научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2002 г.); 15 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Тамбов,
г); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (Пенза, 2002 г.); II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 16 таблиц. Список литературы включает 78 наименований.
Классификация пневматических методов измерения плотности замещением
Производственный контроль веществ, представляющих собой гетерогенную систему, состоящую из различных по физическим свойствам частей, актуален для многих производств. Наиболее распространены гетерогенные системы, содержащие твердую и газовую фазы. К таким системам относятся, например сыпучие, волокнистые и пористые материалы. Задача контроля плотности твердой фазы гетерогенных систем значительно сложнее задачи контроля плотности однородных сред.
Сыпучий материал - многофазный объект измерения, поэтому плотность сыпучих материалов не является однозначным свойством и должна рассматриваться с учетом влияния и учета газовой фазы. Существует большое количество методов измерения плотности сыпучих материалов, что связано со сложностями физического состояния контролируемого материала.
Для определения плотности необходима информация о массе и объеме вещества в пробе. Масса веществ определяется при помощи весов. Такая процедура общеизвестна и не вызывает никаких затруднений. Задача измерения объема СМ яв 14 ляется более сложной. Газовые (пневматические) объемомеры находят применение при измерении объема пористых материалов, а также веществ, не допускающих смачивания жидкостью (например, волокна различного происхождения, древесная стружка и т.п.).
Применение метода пневмодинамического замещения при измерении плотности СМ позволяет осуществить деление полученных значений массы и объема материала [69-73].
Пневматические методы в зависимости от вида воздействия на контролируемый сыпучий материал могут быть потенциальные и кинетические (рис. 1.4). В потенциальных методах в процессе измерения течение газа или отсутствует или настолько мало, что его влиянием можно пренебречь. В кинетических методах результат измерения получают при взаимодействии струи газа с частицами СМ.
Потенциальные пневматические методы базируются на принципе газового замещения. Их разделяют на манометрические и пневмодинамические в зависимости от величин используемых в качестве меры плотности. В манометрических методах газ, взаимодействующий с газовой фазой измеряемого СМ, находится в замкнутом объеме. При этом измеряют какой-либо параметр газа (давление или объем), определяющий его состояние, по которому судят о величине искомой плотности. В манометрических методах выходная величина является статической, то есть не зависящей от времени.
Пневмодинамические методы предполагают изменяющееся во времени воздействие на контролируемое вещество сжатым воздухом (газом). Возникающие при этом эффекты связаны с изменением параметров газовой фазы сыпучего материала во времени, и являются основой методов измерения плотности. Важным классифицирующим признаком является деление пневмодинамиче-ских методов на группы по виду воздействия на массу газа в измерительном элементе. Согласно этому признаку методы измерения могут осуществляться: - при изменяющейся массе газа в измерительном элементе путем подачи его с постоянным расходом в течение некоторого времени и фиксации скорости изменения давления; - при пульсирующем изменении массы газа в измерительном элементе путем его дозированной подачи с фиксацией количества поданных доз, приводящих к изменению давления на заданную величину; - при постоянной массе газа с пневмопульсационным (инфразвуковым) воздействием.
Измерение плотности сыпучих материалов, не допускающих смачивания в какой-либо жидкости, является сложной экспериментальной задачей, поскольку обычные методы (метод гидростатического взвешивания и пикнометрический) неприменимы. Для определения кажущейся плотности таких материалов могут быть использованы манометрические методы [6-8], основанные на законе Бойля-Мариотта, при реализации которых в пневматическую камеру с известным объемом помещают контролируемый материал и измеряют давление воздуха. В манометрических методах измерения плотности частиц используют статическое замещение воздуха в закрытой камере сыпучим материалом с получением сигнала в виде изменения давления. Измерение объема СМ более сложная задача, чем измерение массы, поэтому при реализации манометрических методов измерения плотности частиц СМ основное внимание уделяется измерению объема вещества.
Отрезки длинной линии с нагрузкой в виде твердой плоской поверхности
При взаимодействии волны струйно-акустического сигнала с нагрузкой в виде твердой плоской поверхности, волновое сопротивление которой (ZH =ртвств, где рта, ста - плотность материала твердой поверхности и скорость звука в нем) значительно превышает волновое сопротивление среды (воздуха), в которой распространяется звуковая волна ( Ze = рвсв, где рв, св - плотность воздуха и скорость звука в нем), перенос энергии в нагрузку отсутствует и звуковая волна полностью отражается от нее, поэтому распределение амплитуд звукового давления в линии в режиме стоячих волн, согласно (2.23), будет определяться как
Сравнение (2.29) и амплитуды поля, описываемого уравнением (2.23), показывает, что в отличие от абсолютно жесткой поверхности, реальная плоская твердая поверхность вносит некоторое фазовое смещение в распределение амплитуд звукового давления в линии в режиме стоячих волн. Уравнение (2.29), с учетом ір=тісг, можно записать в виде
Аналогичная зависимость была получена в [30] в рамках разработки струй-но-акустического метода контроля плотности жидких сред. Это позволяет сделать заключение о том, что нагрузки в виде жидкости и в виде плоской твердой поверхности являются однотипными и носят индуктивный характер. Как видно из рис. 2.2, отличие режимов струйно-акустических линий с такими нагрузками состоит лишь в величине фазовых смещений /э. Причем фазовые смещения в случае воздействия струйно-акустического сигнала на жидкость, лежат в диапазоне /эе[0, /рр], а для твердых поверхностей - /Зє[/гр, Х/4], где 1 - длина отрезка струйно-акустической линии, эквивалентного импедансу вещества, лежащего на акустической линии, эквивалентного импедансу вещества, лежащего на границе волновых сопротивлений жидкостей и твердых веществ.
На рис. 2.3 представлена экспериментальная зависимость, показывающая, эквивалентным отрезком воздушной линии какой длины может быть заменена нагрузка, представляющая собой то или иное вещество с определенным волновым сопротивлением. Зависимость (2.32) адекватно описывает физические процессы, происходящие в струйно-акустической длинной линии с нагрузкой в виде плоской однородной поверхности.
Вследствие того, что волновые сопротивления твердых тел превышают волновые сопротивления жидкостей в среднем на порядок, то, как можно видеть из рис. 2.2, чувствительность фазовых изменений, в случае нагрузок в виде твердых поверхностей, будет значительно меньше, чем в случае нагрузок в виде жидкостей.
Проведенные выше исследования показывают, что принцип струйно-акустического замещения справедлив при рассмотрении процесса взаимодействия струйно-акустического сигнала с плоской твердой поверхностью, но не может быть положен в основу метода контроля плотности, так как его чувствительность в этом случае будет невелика.
Зависимость волновых сопротивлений жидких и твердых веществ от длины эквивалентного отрезка струйно-акустической линии: экспериментальные данные - медь, 0 - свинец, V - алюминий, А - стекло, - глицерин, - масло М-8, - масло компрессорное КС-19 , - бензин; аппроксимирующая зависимость 2.4. Отрезки длинной линии с нагрузкой в виде пневматической емкости
При взаимодействии волны струйно-акустического сигнала с нагрузкой в виде пневматической емкости (рис. 2.4), звуковая волна проникает внутрь такой нагрузки - происходит процесс ее заполнения. В этом случде пневматическая емкость представляет собой акустическую емкость. Потери энергии в этом случае отсутствуют, поэтому математическое описание происходящих процессов может быть получено с использованием режима стоячих волн. -чпгадТ ур ч . . .ЧЧЧ ч ч Ш Рис. 2.4. Взаимодействие звуковой волны с акустической емкостью
Волновое сопротивление акустической емкости Z2, при взаимодействии с ней струйно-акустического сигнала, является функцией ее линейного размера, в отличие от волнового сопротивления твердой поверхности, которое на низких частотах является функцией физико-механических свойств вещества поверхности.
При получении математического описания происходящих процессов, будем считать, что: - струйно-акустическая длинная линия, в которой распространяется звуковая волна, ограничена генератором с одной стороны и плоскостью 0-0 с другой, а ее длина определяется координатой х; - эффективное отражение звуковой волны происходит от поверхности, расположенной в плоскости 1-1, отстоящей от плоскости 0-0 на расстоянии xi; - расстояние xi от плоскости 0-0 до плоскости 1-1 определяет величину акустической емкости и является свойством нагрузки; - стенки акустической емкости - абсолютно жесткие.
Влияние скорости перемещения сыпучего материала на выходной сигнал
Адекватность математической модели метода контроля концентрации газовой фазы физическим процессам, происходящим в струйно-акустической измерительной системе, проверялась с использованием экспериментальной установки (рис. 3.1) путем сравнения результатов, полученных по формуле (3.3) с результатами, полученными в ходе эксперимента. Методика проведения эксперимента включала в себя следующие основные этапы: - емкость высотой ясл = — заполняют сыпучим материалом, пока она не пе 4 реполнится (избыток СМ удаляют одноразовым движением пластинки, повернутой ребром, по верхней плоскости емкости); - струйно-акустический измерительный преобразователь размещают над ПО верхностью сыпучего материала на расстоянии у от него; - сжатый воздух с заданными параметрами подают на вход струйно-акустического измерительного преобразователя; - изменяя расстояние до сыпучего материала, перемещением струйно-акустического измерительного преобразователя осуществляют поиск узла стоячей волны; - в момент достижения нулевого значения в распределении амплитуд звуко вого давления в струйно-акустической длинной линии, фиксируют положение струйно-акустического блока, измеряют расстояние от генератора до контролируе мой поверхности, по которому определяют величину Ах смещения узла стоячей волны относительно ее положения в случае идеальной нагрузки (на расстоянии — ). Образцовые измерения концентрации газовой фазы проводились методом жидкостной волюмометрии [1, 5, 32-34] с погрешностью не превышающей 0,5 %.
Обработка экспериментальных данных заключалась в определении смещения Ах,- расстояния от излучателя звука до контролируемой поверхности, при котором образуется узел в распределении амплитуд звукового давления в режиме стоя чих волн, относительно его положения на расстоянии —, и расчете расстояния Ахр, полученного из уравнения (3.3) приhai= — = (33,0+0,1)-10"3м. Данные экспериментального исследования и расчета приведены в табл. 3.6. При этом использовалась последовательность операций рекомендованная в [37]. После определения математического ожидания 1 N N Ы\ где N - количество измерений, и дисперсии #-2,=, находится число где Ip - данные, рассчитанные по модели. Таблица 3.6. Результаты проверки адекватности статической характеристики № п/ п Сыпучий материал Бо Дх„, 10" Дх„ 10 3л Ш м А \ЪГмг Sy,Ш6м2 F 1 опилки железные, d4 1,0 лш 0,658 10,8 10,5 10,7 10,2 10,3 10,4 10,6 10,1 10,4 0,056 0,200 1,40 2 гранулы полистирола, d4 = 2,0 мм 0,610 10,1 10,1 9,5 9,7 10,1 9,7 9,4 9,9 9,8 0,091 0,375 1,21 3 дробь свинцовая, d4 = 2,3 мм 0,607 10,0 9,9 9,4 9,6 9,3 10,0 9,5 9,8 9,6 0,083 0,318 1,31 4 шарики стеклянные,d4 = 2,3 мм 0,593 9,8 9,2 9,7 9,2 9,3 9,4 9,6 9,1 9,4 0,059 0,178 1,67 5 6 7 гранулы полистирола, d4 = 3,5 мм дробь свинцовая, d4 = 5,3 мм шарики керамические, d4 = 6,0 мм 0,516 8,5 8,1 8,0 8,5 8,6 8,4 7,9 8,5 8,3 0,094 0,593 0,79 0,424 7,0 6,8 6,7 6,8 6,5 6,4 6,5 6,9 6,6 0,043 0,209 1,04 0,375 6,2 5,7 5,5 5,6 5,9 5,5 5,9 5,8 5,7 0,036 0,093 1,93 Используя полученные значения Dy и Sy определяют расчетное значение квантиля F - распределения Фишера J7_DI{N-2) по таблицам [38] для соответствующих значений степеней свободы Ic - N-2, находят / У- табличное значение квантиля распределения Фишера. В рассматриваемом случае были получены следующие значения N=1, /с=5,Ff=5,05. Среди вычисленных значений квантиля, максимальное - не превышает 2 (Ли,-1,93).
Адекватность математической модели оценивалась путем сравнения квантиля распределения Фишера, рассчитанного по экспериментальным данным, с его табличным значением. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о том, что расчетная математическая зависимость адекватна процессу, протекающему в измерительной системе, так как F FT 3.1.5. Метрологический анализ метода контроля концентрации газовой фазы
Анализ источников погрешности, определяющих общую погрешность струйно-акустического метода контроля концентрации газовой фазы в слое СМ, позволил представить ее в виде Ям=/(Ясист,Яслуч), (3.10) где "сист = "оми " "о \3 Ч) случ=л/ ки+ нв. (3.12)
В уравнениях (3.10)-(3.12) приняты следующие обозначения: Пм - погрешность метода контроля концентрации газовой фазы; Ясист - систематическая составляющая общей погрешности; Пту1 - случайная составляющая общей погрешности; /7оми - погрешность образцовой методики измерения; П0 - погрешность вызванная перемещением слоя СМ в плоскости, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны; Пш - погрешность косвенных измерений; Пт - погрешность от влияния величин, неконтролируемых в процессе измерения. Произведем оценку каждой из погрешностей, определяющих общую погрешность метода контроля концентрации газовой фазы.
В качестве образцовой использовалась методика измерений [1, 5, 32-34], в соответствии с которой емкость с сыпучим материалом заполняют водой и измеряют объем суспензии и объем налитой жидкости, по которым определяют концентрацию газовой фазы в слое СМ. Погрешность такого метода не превышает 0,5 %. поэтому погрешность образцовой методики измерения в формуле (3.11), будет иметь величину 77оми = 0,5 %.
Погрешность Д, характерна для процессов связанных с транспортированием сыпучих материалов с некоторой скоростью в плоскости, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны. Выше было оценено влияние скорости перемещения сыпучего материала на выходной сигнал с точки зрения положений геометрической акустики и выявлено, что отклонения лежат в пределах погрешности обработки экспериментальных данных.
Для количественной оценки влияния скорости перемещения сыпучего материала рассмотрим подробно особенности происходящих физических процессов.
При взаимодействии волны струйно-акустического сигнала с сыпучим материалом происходит, как показано выше, запаздывание по фазе отраженной волны относительно падающей на величину кДх. Это обусловлено, главным образом, проникновением звуковой волны внутрь слоя СМ, что, согласно принятой физической модели сыпучего материала, означает заполнение акустической емкости высотой
Структура и характеристики газовой струи на выходе струйно-акустического генератора
Обработка экспериментальных данных заключалась в определении величин математического ожидания / и случайной погрешности Af с доверительной веро w ятностьюр=0,95. Эксперимент проводился при Т= (20,0 ± 0,5) С. Диаметры d и D диафрагм 1 и 2 составляли соответственно 02,5Н1О(+0 04) и 016Н1О(+0,07). Скорость газа Vc через ДДЗЭ изменялась путем изменения расхода питания Q в диапазоне от 15,16- 10-бм3/с до 57,08-10"6 м3/с. Анализ данных табл. 4.4, с привлечением полученных выше уравнений, по зволил выявить влияние параметров а, Р и Vc на частоту генерируемых колебаний. Увеличение скорости Vc при постоянных углах аир, которое может быть обеспечено увеличением расхода Q питающего газа, приводит к увеличению частоты генерируемых колебаний. Это связано с тем, что силы F„ Fy и Fc увеличиваются, вследствие чего увеличивается скорость роста давления на газовый клапан со стороны основной струи.
При увеличении угла а, уменьшение силы Fy и рост Fx влечет за собой увеличение скорости роста объема области взаимодействия и увеличение силы Fc, действующей со стороны основного потока. Разность сил Fc - Fy, под действием которой газовый клапан совершает периодические колебания, быстрее достигает критического значения, что приводит к увеличению частоты генерации.
Если угол а = 90, то Fx - Fy и, независимо от изменения угла Р, частота генерации имеет постоянное значение.
При значениях Р в диапазоне от 0 до 90, сила Fx, ответственная за формиро вание газового клапана, и сила Fy, определяющая время существования газового клапана, малы, следовательно, звуковые колебания либо не возникнут, либо будут Ш иметь высокую частоту и очень малую амплитуду звукового давления. При даль нейшем увеличении Р, в зависимости от значений а, звуковые колебания возникают, а их частота имеет тенденцию к увеличению.
Характеристики свободных турбулентных струй В силу того, что режим течения газовых струй на выходе диафрагмовых Ш струйно-акустических генераторов докритический (число Маха М « 1), ограни чимся рассмотрением струйных течений воздуха со скоростью, значительно меньшей скорости звука. При этом будем считать воздух несжимаемой средой. Опыты показывают, что характеристики свободных турбулентных струй мало изменяются и при переходе к более высоким дозвуковым и околозвуковым скоростям течения [25].
Границы турбулентной струи, вытекающей из сопла или диафрагмы, не яв ляются конечными, так как скорость течения, а, следовательно, и скоростной напор в сечении струи по мере удаления от оси ее стремятся к нулю асимптотически. Однако для удобства границей струи можно считать поверхность, на которой скорость течения незначительна по сравнению со скоростью на оси струи в соответствующих сечениях. Границы струи, определяемые таким образом, очерчиваются, как следует из приводимых ниже данных, достаточно четко.
Упрощенная схема свободной турбулентной струи [26] представлена на рис. ф 4.6, а. На начальном участке струи протяженностью А„ имеется ядро постоянных скоростей, в котором скорость частиц равна их скорости на выходе из диафрагмы. Остальную часть сечения на этом участке занимает пограничный слой. На основ ном участке струи при h hH пограничный слой занимает все сечение, и скорость на оси струи уменьшается с увеличением h. Уменьшение скорости частиц обуслов лено увеличением массы струи вследствие вовлечения в нее воздуха из окружаю щей среды. Принимается, что этот процесс происходит при постоянном количестве движения (статическое давление во всех точках свободной струи при этом посто янное и равно давлению среды, в которой распространяется струя).
В работе [26] наряду с указанной выше упрощенной схемой приводится бо лее точная схема струи (рис. 4.6, б). Согласно этой схеме между начальным и ос новным участками имеется переходной участок, движение струи на котором опре деляется закономерностями, отличными от закономерностей, действующих на на чальном и основном ее участках. Для струй круглых сечений протяженность этого ф, участка в среднем составляет h„ =1,5-/г„. Внешние границы сечения струи имеют излом, и каждая из них образуется двумя прямыми.
В литературе приводятся различные данные о форме и протяженности ядра постоянных скоростей. Еще более разноречивыми являются сведения о численных значениях углов, которыми определяются внешние границы струи. При схеме струи, показанной на рис. 4.6, а, по некоторым источникам а = 14, по другим а = 20 или даже 25 [10, 19, 25-28]. Для уточненной схемы струи указываются значения углов (рис. 4.6, б) cti = 1620 иа2 = 25. В работе [26] схема строения струи с учетом переходного участка показана так, как это представлено на рис. 4.6, а.
Упрощенная схема свободной турбулентной струи Анализ данных существующих исследований показывает, что при представлении структуры струи в соответствии с одной и с другой из указанных схем (рис. 4.6, а, б) характеристики струй в ограниченной области относительно малого удаления от диафрагмы мало отличаются между собой. Это позволяет принять в качестве исходной для исследования характеристик элементов упрощенную схему струи, показанную на рис. 4.6, а.
Выбор углов аир (рис. 4.6, а) основан на использовании следующих данных. Определение угла р/2 связано с заданием границы начального участка струи. Граница начального участка определяется тем, что до значения h = Л„ скорость на оси струи Vc равна скорости в выходном сечении диафрагмы VQ, а при h hH скорость Vc изменяется, уменьшаясь с увеличением h. Скорости течения в выходном сечении диафрагмы условно принимаем одинаковыми для всего сечения. Влияние неравномерности распределения скоростей в выходном сечении диафрагмы и степени турбулентности потока на характеристики струи учитывается вводимым далее коэффициентом структуры струи а. На рис. 4.7 приведена обобщенная характеристика изменения V /VQ =f(2ah/do) для струи круглого сечения [27]. Здесь d0 - диаметр диафрагмы. Характеристика построена на основании обработки опытных данных, полученных рядом экспериментаторов. Коэффициент структуры струи - а в различных первичных опытных данных варьируется в диапазоне от 0,066 до 0,076. Этим коэффициентам отвечают отношения максимальной и средней по сечению скоростей в выходном сечении диафрагмы VQ max/ o лежащие в диапазоне от 1 до 1,25.
