Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Описание установки. Методика испытаний. Результаты .предварительных исследований 22
I. Описание установки аппаратуры и методика исследования брызгообразования 22
2. Определение скоростей в плоской газовой струе, текущей вдоль поверхности жидкости 30
Глава II. Исследование прогибов жидкой поверхности и волнообразования под воздействием плоских газовых струй 42
3. Состояние исследований прогибов жидкой поверхности 42
4. Постановка эксперимента 44
5. Анализ изгиба жидкой поверхности с позиций теории размерностей и обсуждение результатов измерений 51
6. Расчетное определение параметров изгиба жидкой поверхности для тонких газовых струй
и сравнение с экспериментальными измерениями 55
7. Исследование подъема жидкой поверхности под газовой струей при наличии возвышения сопла 61
8. Определение параметров волн на поверхности жидкости при воздействии на неё плоских
газовых струй 66
9. Постановка экспериментов и описание полученных результатов 67
10. Анализ вознообразования с позиций теории размерностей 70
Глава III. Исследование брызгообразования 86
II. Постановка эксперимента 87
12. Анализ физического механизма брызгообразования при помощи кинограмм, фотографий и визуализаций течений жидкости и газа 91
13. Исследование критических условий, соответствующих началу брызгообразования, с
вариацией сред газ-жидкость, 108
Н. Результаты опытных исследований интенсивности брызгообразования 119
15. Исследование законов интенсивности брызгообразования с поверхности жидкости 125
16. Исследование дисперсности брызг, срываемых с поверхности жидкости воздушными
потоками 141
17. Сравнения расчетов брызговых потоков с результатами исследований в США 152
18. Оценка брызговых концентраций в приводном слое атмосферы и забрызгиваемости судов
во время шторма 159
19. Брызгообразование при движении СВП 169
Глава ІУ. Исследование брызгообразования при входе клиньев в воду. 173
20. Изучение параметров брызговых струй 173
21. Определение объемов воды, выбрасываемых брызговыми струями. 196
Заключение 202
Литература 204
- Описание установки аппаратуры и методика исследования брызгообразования
- Состояние исследований прогибов жидкой поверхности
- Постановка эксперимента
- Изучение параметров брызговых струй
Введение к работе
Проблема забрызгиваемости и_еejaкт^альность^ Известно, что в процессе своей эксплуатации суда подвергаются воздействию целого ряда внешних факторов, одним из которых является забрызгивае-мость.
Забрызгиваемость судов может существенно влиять на их эксплуатационные характеристики. Так, при отрицательных температурах брызги вызывают интенсивное обледенение, что может привести к потере остойчивости и гибели судна /4, 39, 60, 73, 92, 94, 107, 114/. Оседание брызг на корпусе быстроходных аппаратов увеличивает их сопротивление /31, 35/. Частицы воды, попадая через воздухозаборники в двигательные установки, в различные палубные механизмы, в систему воздухопроводов, вызывают их эрозию и коррозию /4, 10, II, 35/. Брызги создают помехи работе навигационного оборудования, ухудшают видимость из ходовой рубки, затрудняют обслуживание механизмов и устройств, установленных в открытых местах /23/.
Перечисленные последствия забрызгиваемости с очевидностью указывают на практическое значение этой проблемы и необходимость её исследования.
Успешное исследование забрызгиваемости судов невозможно без знания законов и причин брызгообразования, а также поведения капель после их отрыва от поверхности моря.
Можно выделить два основных механизма образования брызг, участвующих в забрызгиваемости. Один из них связан с взаимодействием корпуса судна с водной поверхностью. Сюда относятся удары корпуса о воду /43/, образование брызговых струй при глиссировании /70, 79/. Другой механизм образования брызг связан с взаимодействием воздушных потоков с поверхностью воды. Такое брызго- образование особенно интенсивно во время сильных штормов, когда ветер срывает капли и частицы воды с гребней волн /55,57/. Аналогичные процессы происходят при движении судов с аэродинамическими принципами поддержания (суда на воздушной подушке, эк-ранопланы). Здесь интенсивное брызгообразование обусловлено воздействием воздушных струй на водную поверхность А, 10, II, 35/.
Следует указать, что проблемы забрызгиваемости судов, брыз-гообразования и поведения капель после отрыва от поверхности воды, несмотря на их практическое значение, до сих пор остаются мало исследованными* По-видимому это объясняется тем, что указанные проблемы сложны и зависят от большого количества факторов. С брызгообразованием связан весь комплекс свойств, который обычно опускается в целях упрощения рассмотрения задач. Вязкость, весомость., поверхностное натяжение, турбулентность, устойчивость, фазовые переходы - вот далеко не полный перечень факторов, влияющих на образование и последующее движение брызг. Все это создает существенные трудности как экспериментального, так и теоретического исследования.
С другой стороны на общем фоне повышения безопасности плавания и улучшения эксплуатационных характеристик судов вопросы, связанные с забрызгиваемостыо, становятся все более актуальными и требуют своего решения.
Предмет исследования и состояние вопроса. Настоящая работа посвящена исследованию проблем, имеющих непосредственное отношение к забрызгиваемое^ обычных судов, а также судов и аппаратов с динамическими принципами поддержания. Это - брызгообразование при воздействии газовых потоков на поверхность воды и брыз-говые струи, образующиеся при входе тел в воду. При проведении исследований основное внимание уделялось изучению физики этих процессов. _ 9 -
Имеющиеся работы по брызгообразованию потоками воздуха с поверхности воды можно разбить на две группы. К первой относятся исследования, связанные со срывом брызг с поверхности океана под действием ветра. Эти исследования выполнены в основном специалистами, в области океанологии и физики моря. Во второй группе работ содержатся некоторые сведения о брызгообразовании при воздействии на поверхность воды воздушных струй, в основном вертикальных.
Первые результаты измерения брызговых потоков над океаном опубликованы Вудкоком /120/ и Блиновым /12/.
Блинов занимался измерением горизонтального потока ж' солевых частиц и капель воды над сушей на расстояниях от береговой полосы от 20 до 600 м. Скорость ветра в процессе измерений находилась в пределах 10-16 м/сек. Улавливание производилось на приемные пластины, которые устанавливались на высотах от 0,5 до 6 м над уровнем моря. На небольших расстояниях от береговой полосы максимум брызгового потока оказался на высоте примерно 1,5-2,5 м. Этот факт в работе /55/ объясняется тем, что с уменьшением высоты измерений концентрация жж^ капель увеличивается, а скорость ветра, значит и капель уменьшается. Таким образом, поток капель, равный произведению скорости на концентрацию, будет иметь максимум на некоторой высоте от уровня моря. По измерениям Блинова средний размер капель в момент отрыва от поверхности моря равнялся 3,6*1СГ\. Концентрация капель в 20 метрах от линии берега на высоте 2.м составила около 1Сг капель м3. Блинов также установил, что спектр капель по размерам узок (80 % капель имеют радиус, ж) - Горизонтальный брызговой поток - количество капель, пролетающих в единицу времени, через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению ветра. жж)- Концентрация капель - количество капель в единице объема воздуха. отличающийся от среднего не более чем на 10 - 1,5 IQ~J м).
Вудкок /120/ проводил свои измерения на башне маяка на высоте 38 м над уровнем моря, скорость ветра равнялась 27-30 м/сек. Во время измерений определялся горизонтальный поток солевых ядер при помощи приемных пластин и сборников. Согласно полученным данным количество частиц соли в единице объема воздуха составляла (3*4) I03 м . Диаметры капель находились в пределах 0,9»1(Гт4.
Очевидно, что такие размеры характерны для капель, поднимающихся на большую высоту в результате турбулентного переноса.
Позже были проведены исследования образования брызг в аэродинамической трубе. Так, Мур и Мейсон /10f/ занимались определением скорости образования ядер соли ж^ с массой больше 2»1СГ^ кг при срыве брызг соленой воды. Максимальная скорость воздушного потока в аэродинамической трубе соответствовала скорости ветра жж^
16 м/сек над морем на высоте 10 м. При этих условиях скорость об-
5 ? Т разованкя ядер составляет 4*10 J м~~ сек . Этот результат, достаточно хорошо согласуется с оценкой, полученной теми же авторами на основании анализа кривых распределения ядер по размерам над океаном.
Лабораторные измерения брызгообразования над поверхностью воды были выполнены (куда и Хаями /І0.Є/. Эксперименты проводились в аэродинамическом лотке длиной 14,7 м глубиной воды 0,43 м и высотой слоя воздуха над водой 0,57 м. Брызговые измерения в этих экспериментах выполнялись с помощью листков фильтровальной бумаги, ж) Скорость образования ядер соли определяется как количество капель, образующихся с единицы площади водной поверхности в единицу времени. жж) При переходе от скорости воздуха в аэродинамической трубе к скорости ветра над морем на высоте 10 м авторы пользуются тем, что профиль скоростей в приводном слое воздуха в опытах и на море подчиняется логарифмическому закону. которые устанавливались на 5-Ю сек у подветренного торца лотка перпендикулярно к продольной оси канала. Количество воды, попавшей на бумагу, определялось разностью веса листков до и после опыта. Срыв брызг начинался при ветре II м/сек и постепенно усиливался с ростом скорости. Горизонтальный поток воды в брызгах*' уменьшался с ростом высоты над водной поверхностью. На высоте 0,30 м он составлял 10$, от величины потока на уровне 0,10 м. На результаты измерения не оказывали заметного воздействия волны, создаваемые волнопродуктором. Однако, с увеличением крутизны волн, скорость начала брызгообразования уменьшалась.
Тоба /117/ исследовал зависимость скорости образования брызг от скорости ветра. Измерения проводились в аэродинамическом лотке. На основании полученных данных для скоростей воздушного потока, соответствующих скоростям ветра 15-23 м/сек на высоте 10 м над уровнем моря, была получена следующая зависимость: D=D„exP[(U(Dio-15)] где I) - скорость образования брызг 15 - скорость образования брызг при 1^ = 15 м/сек l5w - скорость ветра на высоте 10 метров Тоба /116/ считает, что основной причиной образования капель является охлопывание на поверхности воды воздушных пузырьков, которые образуются при обрушении гребней волн, Аналогичных взглядов придерживается целый ряддругих авторов /55, .9.9, 121/. ж) Горизонтальный поток воды в брызгах - масса воды, переносимая в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению движения воздуха.
С помощью скоростной киносъемки были изучены различные фазы разрушения пузырьков на поверхности морской воды. Согласно полученным данным можно различить две стадии разрушения пузырьков: полусферическая оболочка пузырька лопается в наиболее тонкой верхней части, разбрызгиваясь при этом на множество мелких капель. после разрыва верхней части жидкой оболочки со дна пузырька извергается струйка, при распаде которой образуется от I до 5 капель.
Если образуется одна капля, то её диаметр равен примерно 1/10 диаметра пузырька.
Иной точки зрения на механизм брызгообразования придерживается Pay /112/.
Согласно его исследованиям процесс срыва брызг с гребней волн значительно более эффективен, и концентрация солевых ядер с массой больше 10 кг может достигать 10 частиц на один кубический сантиметр. Однако, Роль /57/ высказывает сомнение в том, что срыв брызг в лабораторных условиях должен быть таким же, как и в природе.
Работа Монагена /106/ интересна тем, что в ней сделана попытка сопоставить результаты измерений в натурных условиях с лабораторными данными, В этой работе содержатся наиболее полные сведения о брызгах в непосредственной близости от морской поверхности. Его экспериментальная установка состояла из фотокамеры и осветителя, установленных на специальном поплавке. Поплавок ориентировался по ветру с помощью плавучего якоря таким образом, чтобы брызги пролетали между осветителем и фотокамерой. Форма поплавка обеспечивала малые вертикальные перемещения установки относительно водной поверхности и приблизительное постоянство высоты камеры над поверхностью воды при волнении. Высота равнялась 0,13 м. -- ІЗ -
Камера была направлена навстречу лучу, идущему от осветителя, и изображение капли, пролетающей перед камерой, имело вид яркого диска с темной точкой в центре. Благодаря фокусировке объектива четкие изображения получались только для тех капель, которые попали в заданный объем (около 7,7»1С м3)« Источником света служила импульсная лампа-вспышка с экспозицией 12- млсек и интервалом между вспышками 1,5 сек, В процессе экспериментов производилось измерение скорости ветра. Наблюдения проводились в прибрежных и открытых районах Атлантического океана при разгонах от I до 900 км; и скоростях ветра до 16 м/сек.
Чтобы перейти от концентрации капель в воздухе к скорости их образования с единицы поверхности, Монаген предположил, что начальные вертикальные скорости капель определяются механизмом выброса струйки при охлопывании пузырьков, Скорости образования брызг при ветре II и 16 м/сек, вычисленные Монагеном по измеренным; концентрациям, оказались сопоставимыми с результатами Тоба /117/1 полученными в лабораторных исследованиях.
Преображенский /54/ находил распределение по размерам брызг и зависимость массовой концентрации капель ж' от высоты над морской поверхностью с целью оценки влияния брызгообразования на показания термоанемометра. Полученные им распределения капель по размерам качественно согласуются с результатами Монагена. Значения концентраций получились на 2-3 порядка ниже. Согласно результатам Преображенского распределение массовой концентрации брызг s по высоте 2- может быть аппроксимировано выражением
9s(2)=9oeo;p (-Но-*) ж) Массовая концентрация капель - масса брызг в единице объема воздуха. где П0 - постоянная, примерно равная высоте волны
О0 - некоторая величина, зависящая от скорости ветра Приведенные выше сведения о брызгообразовании соответствуют сравнительно небольшим скоростям ветра 16-20 м/сек. Однако,известно, что особенно интенсивное брызгообразование в море наблюдается при ветровых скоростях, превышающих 25 м/сек. Так, при скорости ветра 25-29 м/сек состояние моря по шкале Бофорта характеризуется следующим образом: "Поверхность моря покрыта слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость значительно уменьшена". Краус /37/ так характеризует состояние воздуха вблизи поверхности океана при ураганном ветре: "... он недостаточно плотен для того, чтобы плыть, но слишком плотен, чтобы в нем дышать". При таких условиях натурные измерения концентрации брызг никогда не проводились. Однако Буччинг /86/ попытался оценить брызговое сопротивление конструкций в море при ураганном ветре 50 м/сек. В своих расчетах он принял массовую концентрацию капель Qs = 2.0 кг/мЗ и скорость капель равной половине скорости ветра. Его расчеты привели к брызговой нагрузке в 8 раз большей аэродинамического сопротивления. При этом сам автор отмечает, что принятое значение Qs возможно существенно отличается от действительных концентраций.
Интересные результаты о брызгообразовании содержатся в работе /102/, авторы которой занимались изучением профилей скорости в приводном слое воздуха с учетом наличия в нем брызг. Исследования проводились в аэродинамическом лотке при скоростях воздуха до 20 м/сек. В процессе экспериментов определялись зависимости от скорости и высоты над водой таких характеристик брызгообразования, как горизонтальные массовые потоки брызг, горизонтальный поток числа капель, брызговое ударное давление, массовая концентрация брызг. По оценке авторов этой работы, основанной на эксперимен- тальных измерениях в лотке, брызговое сопротивление при ураганном ветре 50 м/сек (скорость ветра на высоте 10 м) составляет примерно 2.0$ от аэродинамического сопротивления, а массовая концентрация брызг на высоте 10 м имеет порядок 0,4: кг/м3. Полученные значения примерно в 50 раз меньше значений, полученных Бучингом и на несколько порядков превышают значения брызговых концентраций полученных в работах /54, 100, 106, 106, 117, 121,/.
Если допустить, что приведенные в /102/ сведения соответствуют действительности, то при расчетах остойчивости судов в условиях сильного шторма необходимо учитывать брызговое сопротивление; До сих пор этот фактор специалистами в области теории корабля никак не рассматривался.
Ряд сведений о брызгообразовании под действием вертикальных воздушных струй содержится в работах /19, 41, 80, 81, 82., 83/. Согласно этим исследованиям образование брызг происходит по следующей схеме. Струя воздуха, воздействуя на поверхность жидкости., образует впадину. Воздушный поток, двигаясь вдоль впадины, вырывается приблизительно по касательной к её контуру. Поверхность впадины теряет устойчивость. В результате образуются волны, с гребней которых происходит срыв брызг. Капли уносятся газовым потоком и дробятся. Траектории полета брызг определяются их размерами, и полем скорости, в газовой струе при выходе воздуха из впадины.
Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время существует множество нерешенных вопросов в области брызго-образования.
Так, отсутствует единое мнение о механизме брызгообразования. Одни авторы считают, что основная масса брызг возникает при охлопывании пузырьков воздуха, образующихся в результате обрушения гребней волн, другие полагают, что наиболее эффективен механизм брызгообразования, связанный со срывом пены и гребешков волн под действием ветра, а Л.А.Эпштейн и А.В.Савков объясняют брызгооб-разование стягиванием жидких пленок с гребней за счет касательных напряжений. Результаты расчетов и оценок брызговых характеристик отдельных авторов иногда отличаются на порядки. Таким образом, имеющиеся сведения по вопросу брызгообразования не позволяют достоверно) определить, какие факторы и при каких условиях являются главными^ а какими можно принебречь. До сих пор не ясно влияние на брызгообразование свойств газовой и жидкой сред, что не позволяет выявить критерии моделирования образования брызг, а также оценить масштабные эффекты при использовании лабораторных измерений для натурных условий. Как видно из обзора, большинство авторов при переносе лабораторных данных на морские условия не рассматривают возможные масштабные эффекты, принебрегая ими. Некоторые исследователи не согласны с этим /50, 57/. Например Роль /57/, как указывалось выше, сомневается в том, что срыв брызг в лабораторных условиях происходит так же, как и в натурных.
Существенное значение с точки зрения забрызгиваемости судов имеют вопросы, связанные с распределением брызг по размерам и зависимостью концентрации брызг от высоты над водной поверхностью. Однако, имеющиеся сведения не позволяют обоснованно оценить эти характеристики для различных реальных условий.
Б изучении брызгообразования и забрызгиваемости при ударах корпуса судна о воду можно выделить три основных направления. Первое связано; с исследованиями на натурных судах в море. Обширные экспериментальные исследования в этом направлении были, выполнены сотрудниками, научно-исследовательского института Арктики и антарктики /13, 24, 39, 40, 75 и др./. В этих работах собран интересный фактический материал о забрызгиваемости судов в морских условиях и о факторах, оказывающих существенное влияние на брызго^-образование.
Второе направление связано с экспериментальными исследованиями в опытовых бассейнах /76/. При этом обеспечивается моделирование по числу Фруда и считается, что тдкие испытания дают возможность сравнительной оценки забрызгиваемости судов и не дают представления о реальных параметрах брызгообразования, например о высоте подъема брызг, о количестве воды, поднимаемой при ударах корпуса о воду. Это связано с тем, что в условиях опытовюго бассейна не обеспечивается полное моделирование процесса брызгообразования.
Третье направление основано на изучении погружения плоских профилей в воду /4,3, 51/. При этом предполагается, что в первом приближении можно воспользоваться методом плоских сечений. Такая постановка задачи существенно упрощает вопрос и дает возможность использования теории погружения в идеальную жидкость клиньев /44, III, 118/. В работах этого направления роль основного параметра забрызгиваемости выполняет скорость в брызговой струе 'Uc » даны методы расчета этой скорости, получены формулы для определения критической скорости, соответствующей образованию всплеска воды над палубой, и формулы для расчета среднего числа всплесков над палубой за единицу времени, при движении судна в море. Таким образом материалы, приведенные в этих работах позволяют проводить сравнение различных судов с точки зрения их забрызгиваемости, но не дают представления о количествах воды, поднимаемых в виде брызг и высотах их подъема, а именно эти характеристики представляют существенный научный и практический интерес.
Важные результаты получены в работе Л.А.Эпштейна /79/, в которой выполнено теоретическое исследование масштабных эффектов при моделировании тонкой сводчатой струи,а также при определении размеров, высоты подъема и дальности полета брызг, образованных при глиссировании. Из работы следует, что масштабный эффект для сводчатой струи существенен, если величина —^ (Ос- толщина 9А^с сводчатой струи, ис - начальная скорость вылета струи) сравнима с единицей, и что размеры струй, полученные при модельных испытаниях, будут относительно меньше натурных. При этом масштабный эффект в основном определяется размерами модели и практически не зависит от размеров натуры. Противоположные результаты получены при изучении размеров, высоты подъема и дальности полета брызг. Капли, из которых состоят брызговые струи у натуры, оказались по абсолютной величине меньше, чем у модели, высота и дальность полета капель относительно уменьшились. Масштабный эффект существенно усиливается при увеличении размеров натуры. При рассмотрении сводчатых и брызговых струй считалось, что начальные параметры выдета струй и капель известны.
В случае погружения клиньев в воду начальные параметры можно расчитать по формулам, которые получены в теории о входе клиньев в идеальную невесомую жидкость. Однако, при этом необходимо проверить насколько теоретические параметры брызговых струй будут совпадать с измерениями! при входе клиньев в реальную жидкость - воду.
Необходимо отметить, что при исследовании масштабных эффектов сводчатых струй /79/ предполагалось, что границы струи неподвижны относит-ельно окружающей среды и поэтому влияние воздуха на её форму отсутствует. При погружении клиньев границы струи будут перемещаться относительно воздуха и это должно привести к дополнительным масштабным эффектам.
Таким образом имеющиеся сведения а брызговых струях при входе клиньев в воду и высотах подъема брызг ограничены, а вопрос об объемах воды, выбрасываемых при погружении клиньев практически не исследован.
Цель работы и постановка задач. Основная цель работы при исследовании брызгообразования потоками, воздуха заключается в выяснении физического механизма срыва брызг с водной поверхности, в определении закономерностей интенсивности брызгообразования с последующим использованием полученных результатов для оценки брызгообразования судами на воздушной подушке и забрызгиваемости обычных судов в условиях сильного шторма брызгами, сорванными ветром с гребней волн.
У судов на воздушной подушке и у некоторых типов экранопла-нов и гидросамолетов брызгообразование происходит под воздействием щелевых газовых струй. Поэтому для лабораторных исследований была выбрана сопловая модель установки, на которой воспроизводилось брызгообразование с поверхности жидкости под действием плоских газовых струй. Плоская постановка задачи позволяет сравнительно в упрощенной схеме изучать физику процесса брызгообразования. С другой стороны, исследование масштабного эффекта, связанного с увеличением размеров плоских газовых струй, решает вопрос о возможности использования полученных данных для оценки брызгообразования аппаратами; и ветром на море.
По литературным сведениям и результатам предварительных исследований было установлено, что брызгообразование, вызываемое воздействием воздушной струи на воду, сопровождается и тесно связано с такими явлениями, как: прогибы жидкости*, волнообразование, касательные напряжения и нормальные давления на водную поверхность.
В связи с этим были сформулированы следующие конкретные задачи:
Изучение полей скоростей газовых струй и сил трения газа о водную поверхность.
Исследование прогибов жидкой поверхности.
Исследование образования волн вдоль впадин.
Исследование механизма срыва брызг с гребней волн.
Исследование интенсивности брызгообразования с поверхности жидкости,а также изучение масштабных эффектов с использованием, вместо воздуха и воды, других сред газ-жидкость.
Исследование распределения сорванных объемов жидкости по размерам капель.
Использование проведенных исследований для оценки интенсивности брызгообразования и забрызгиваемости. в натурных условиях.
При исследовании брызгообразования погружающимися в воду клиньями основными целями являлись:
Получение экспериментальных данных о параметрах брызговых струй в процессе погружения клиньев в воду и сравнение полученных данных с теорией для идеальной жидкости.
Экспериментальное исследование максимальной высоты подъема брызг.
Определение объемов воды, выбрасываемых брызговыми струями. Для упрощения исследований рассматривалась плоская постановка задачи. Скорость, погружения клина была равномерной. После погружения клиньев до верхней кромки производилась их мгновенная остановка и дальнейшее движение жидкости происходило по инерции.
Из-за сложности изучаемых вопросов основная роль в данной работе отводится экспериментальным методам исследований в сочетании с методами теории размерностей и подобия.
Научная новизна. При исследовании брызгообразования потоками воздуха получены следующие основные результаты:
Исследованы прогибы поверхности жидкости под действием наклонных плоских газовых струй, результаты обработаны в соответствии с теорией размерностей и подобия, получены формулы, определяющие величину прогибов в характерных точках, водной поверхности, аналогичные исследования выполнены по определению осредненных характеристик волнения, возникающего на поверхности впадин; исследован вопрос о критических условиях, соответствующих началу срыва брызг, причем в процессе экспериментов варьировались физические свойства сред газ-жидкость (были исследованы среды воздух-вода, воздух-ртуть, вода-ртуть), проведены исследования механизма срыва брызг с гребней волн с использованием визуализаций течений в жидкости и в газе, выполнены экспериментальные измерения интенсивности брызгообразования, установлены критерии моделирования и получена формула для расчета этой характеристики; исследован вопрос о распределении брызговых объемов по диа-метрам капель, определены формулы для расчета кривых распределения; на базе полученных результатов выполнены оценки интенсивности брызгообразования СВП и оценки брызговых концентраций над поверхностью моря при. сильном ветре
При исследовании брызгообразования клиньями получены данные о параметрах брызговых струй в процессе погружения клиньев, о максимальных высотах подъема брызг, а также об объемах воды, выбрасываемых брызговыми струями.
Практическая ценность диссертации состоит: в определении критериев моделирования и механизма брызгообразования с поверхности жидкости под действием газовых потоков, что может быть использовано при экспериментальных исследованиях забрызгиваемости судов и аппаратов с динамическими принципами поддержания (СВП, экранопла-ны); в разработке подходов к оценке брызговых концентраций над морем* при сильном ветре и брызговых объемов, срываемых в единицу времени, при парении СВП над поверхностью воды; в получении данных о брызгообразовании клиньями, что может быть использовано при изучении забрызгиваемости при ударах корпуса судна о воду.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первых трех главах изложены результаты исследования брызгообразования потоками воздуха. :В четвертой главе описаны исследования по брызгообразованию при входе тел (клиньев) в воду.
Работа содержит 146 страниц машинописного текста, 72 рисунка , список литературы из 121 наименования, и выполнена в 1975-
1982 годах на кафедре теории корабля Калининградского технического института рыбной промышленности, и хозяйства и в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории мореходных качеств судов флота рыбной промышленности. (СНИЛа МК).
Описание установки аппаратуры и методика исследования брызгообразования
Установка для исследования брызгообразования с поверхности жидкости при воздействии на неё плоских газовых струй была спроектирована и изготовлена в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории мореходных качеств судов флота рыбной промышленности Калининградского технического института.
Общая схема установки представлена на рис. I. Основной частью установки является наполненный водой резервуар (I), который изготовлен из органического стекла. Резервуар выполнен в виде щели с расстоянием между боковыми стенками 3,5#1СП м. Длина его равняется 2.м, а высота - 0,4. м. Щелевая конструкция резервуара дает возможность во время эксперимента имитировать плоскую картину. Прозрачные боковые стенки позволяют вести наблюдения, фото и киносъемку процессов, происходящих в резервуаре. Для снятия с фотографий размеров волн, впадин, брызг и других характеристик, изучаемых процессов, на одну из боковых стенок нанесена масштабная сетка с клетками 0,03 х 0,03 м.
Установка снабжена волногасителем (2), который представляет собой пластину из органического стекла длиной 0,5 м и шириной 0,035 м. Пластина крепится к двум стойкам. Они опираются на дно ванны и удерживают волногаситель на необходимой высоте. Крепление пластины к стойкам обеспечивает возможность изменения высоты расположения и угла наклона волногасителя к поверхности жидкости.
Необходимый напор для создания воздушных струй обеспечивается компрессором (3), Мощность компрессора 500 вт, максимальный напор 0,4: м водяного столба. Питание компрессора осуществляется через регулятор напряжения, С помощью изменения напряжения, пода ваемого на обмотки электродвигателя компрессора, производится регулировка скорости истечения газа из сопла. Сопло (9), формирующее плоский воздушный поток, одевается на конфузор (4), который соединен с компрессором. Крепление компрессора позволяет менять положение сопла по высоте и угол наклона к поверхности жидкости.
Для поддержания постоянного уровня жидкости ванна снабжена расходным измерительным бачком (8), который представляет собой сосуд из оргстекла с герметично закрытой верхней крышкой и трубкой на дне. Бачок наполняется жидкостью и устанавливается над ванной таким образом, чтобы нижний торец его трубки был на уровне жидкости в ванне. При понижении уровня между её поверхностью и торцом трубки образуется зазор, в который начинает попадать воздух, происходит долив жидкости из бачка в ванну до прежнего уровня. Бачок имеет мерную шкалу, при помощи которой можно определить объемы жидкости, истраченные на долив, или, другими словами, объем израсходованной из ванны воды.
Для того, чтобы исключить попадание сорванных капель обратно в ванну и расход воды из ванны соответствовал объему жидкости, уносимому брызгами, а также для защиты от забрызгивания оборудо - 26 вания и помещения, установка снабжена брызгоулавливателем (7), Конструкция брызгоулавливателя приведена на рис.2. Улавливатель изготовлен из жести и представляет собой коробку (I) с размерами: высота 0,3 м, ширина 0,2 м, длина 0,6 м. Приемное отверстие (2), через которое брызги попадают в улавливатель, имеет размеры 0,2 х 0,25 м. На базе предварительных исследований брызгового факела высота и ширина отверстия были выбраны таким образом,чтобы все брызги попадали в улавливатель. Для исключения обратного течения воздуха и его влияния на изучаемые процессы, в верхней крышке у задней стенки коробки сделано окно (3) с сечением 0,2. х 0,2 м. Это окно обеспечивает выход воздуха из улавливателя. Боковые карманы (4) являются емкостями, в которых собирается вода, попавшая в улавливатель.. Для удаления воды из карманов имеются сливные краники (5). Верхние кромки внутренних стенок карманов соединены плоскостью (6), которая перекрывает щель, ванны и исключает попадание брызг в неё. Работает брызгоулавливатель следующим образом. Перед проведением экспериментов коробка улавливателя (I) одевается на стенки ванны (7), как показано на рис.2_. Воздушные массы вместе с брызгами попадают через приемное отверстие (2) в улавливатель. Часть брызг оседает на боковые стенки и плоскость. (6). Остальные капли движутся в потоке воздуха до задней стенки. Здесь воздушный поток меняет направление и выходит в окно (3). Брызги за исключением очень мелких, обладая существенно большей инерционностью по сравнению с воздухом, не успевают изменить траекторию полета и ударяются о заднюю стенку. Капли, попавшие на стенки улавливателя и плоскость (б), стекают в боковые карманы.
Состояние исследований прогибов жидкой поверхности
Вопросы прогибов жидкой поверхности под воздействием газовых струй рассмотрены в ряде работ.
В частности в работе /81/ описаны результаты экспериментальных исследований впадин, возникающих при воздействии на воду вертикальных воздушных струй. В этой работе приведены расчеты параметров впадин и сравнение опытных данных с расчетами. Теоретический анализ проводился на основе комбинирования следующих физических соображений и допущений:
- давление торможения на оси струи у основания впадины равно гидростатическому давлению, причем для определения давления торможения с удалением от сопла используются законы свободно-затопленной турбулентной струи;
- вертикальная сила, действующая на жидкость, равна изменению секундного количества движения струи, которое равно весу вытесненной воды;
- впадина имеет параболическую форму;
- вязкость жидкости и газа, поверхностное натяжение на границе раздела сред не влияют на деформацию поверхности в исследуемом диапазоне скоростей,
В монографии /79/ дается описание явления прогиба жидкой поверхности под действием вертикальных осесимметричных струй, выполнен подробный анализ этого явления с позиций теории размерностей и подобия.
Постановка эксперимента
Угол наклона сопел менялся в пределах 0-20. Высота расположения соплат1сварьировалась в пределах от 0 до 6 10" м. Изменение коэффициента поверхностного натяжения производилось с помощью добавок в воду поверхностноактивных веществ. Варьирование кинематического коэффициента вязкости жидкости осуществлялось путем добавки в воду глицерина. Кроме воды были испытаны жидкости с 50 % воды и 50 % глицерина, с 25$ воды и 75 % глицерина. Коэффициенты кинематической вязкости жидкостей соответственно были в 4 и 17 раз больше чем у воды.
При исследовании критических условий начала брызгообразования были выполнены эксперименты, в которых роль, газа выполняла вода, а роль жидкости - ртуть. Для проведения этих опытов была изготовлена специальная установка, аналогичная описанной в I. (рис.28). Установка представляет из себя узкую ванну (I) с размерами.: высо-та 0,22 м:, длина 0,8 м, ширина между стенками 1,2 »10 м. Ванна склеена из оргстекла. На одну из её боковых стенок нанесена масштабная сетка с размером клетки 0,04 х 0,04 м. В одну из торцевых стенок вделано, сопло (2) с толщиной 4в10 м. Вода к соплу подается по шлангу (3) от водопроводного крана (4).
Для исследования масштабных эффектов интенсивности брызгообразования в более широких пределах, были выполнены опыты с соплами, имеющими толщину, равную 0,05 м и 0,1 м. Понятно, что сопла с такими размерами уже не вписывались в установку, на которой выполнялся основной цикл исследований. Поэтому опыты проводились в малом бассейне с размерами; 2x3x1,5 м. Сопла имели ширину 0,3м и для обеспечения условий плоской задачи, участок взаимодействия воздушной струи с водной поверхностью был ограничен боковыми стенками:. Роль одной из боковых стенок играла стена бассейна, роль другой - фанерный лист, опущенный в воду на глубину 0,4 м и закрепленный к краям бассейна. Воздушный поток, подводимый к соплу обеспечивался центробежным вентилятором со следующими характеристиками: мощность электродвигателя 10 квт, максимальный напор 0,23 м водяного столба, производительность 5000 м3/час. Параметры вентилятора позволяли обеспечивать скорость газовой струи при VQ= 0,1 м ДО 50 м/сек. Улавливание брызг осуществлялось брызтоулавливателем, представляющим из себя фанерный ящик с размерами 0,8 х 1,5 х 0,8 м. Одна из торцовых стенок ящика о была удалена за исключением .полосы высотой 6 10 м, примыкающей к дну ящика и его боковым стенкам. Через это окно с размерами 0,76 х 0,8 м брызги попадали в брызгоулавливатель. Полоса предотвращала вытекание уловленной коды в бассейн. В крышке ящика с противоположной стороны от приемного окна было вырезано отверстие с размерами 0,8 х 0,65 м, которое обеспечивало выход воздушной струи из брызгоулавливателя. К днищу ящика были закреплены пенопластовые поплавки для поддержания ящика на плаву в таком положении, чтобы нижняя кромка приемного окна находилась над по-верхностью воды на расстоянии 4,5 10-4 . Это делалось с целью обеспечить идентичность условий улавливания брызг с основной установкой.
Изучение параметров брызговых струй
Основная цель настоящего исследования заключалась в разработке подхода к оценке максимальной высоты подъема брызг при ударах килеватых обводов носовых оконечностей судов о воду. При этом предполагалось использовать результаты теоретических исследований входа клиньев в идеальную жидкость. Для проверки возможности использования теории и моделирования применительно к реальной жидкости были выполнены экспериментальные исследования по определению параметров брызговых струй при равномерном погружении клиньев в воду.
Эксперименты выполнялись на установке, схема которой приведена на рис.61. Установка состоит из двух основных частей - плоского резервуара (ванны) (I) и пружинной катапульты (3). Резервуар выполнен в виде щели с расстоянием между боковыми стенками 0,03 м. Длина его равняется 0,6 м, а высота - 0,5 м. Боковые стенки сделаны из стекла, что обеспечивает свободное наблюдение и возможность фото и киносъемки процессов, происходящих в ванне. Щелевая конструкция резервуара дает возможность имитировать плоскую картину при погружении клиньев в воду. Пружинная катапульта установлена над ванной при помощи стойки (2). Конструкция крепления обеспечивает регулировку положения катапульты по высоте и в горизонтальной плоскости. Основное назначение катапульты состоит, в обеспечениии погружения клиньев (5) с различными скоростями. Крепление клиньев к катапульте осуществляется при помощи стержня (4). Скорость погружения регулируется изменением степени сжатия пружины (б). Разгон клина под действием пружины, во время испытаний, происходил до входа клина в воду. В процессе погружения движение клиньев происходило по инерции под действием сил сопротивления воды и сил трения в направляющих катапульты. iMacca движущихся частей установки подбиралась такой, чтобы скорость погружения была равномерной. Контакты (7), (8), (9) и замыкатель (10) обеспечивали запуск и остановку частотомеров (II), при помощи которых измерялось время прохождения клином расстояний, равных расстояниям между контактами. По измеренному времени и расстоянию между контактами определялась скорость погружения клина. Для контроля равномерности входа клина в воду при проведении опытов скорость фиксировалась дважды, на начальной и конечной стадии погружения. При фотографировании процесса формирования брызговых струек на гранях клина использовалась импульсная лампа стробоскопа (12) (см. I), срабатывающая при замыкании контактов (7), (8), (9) замыкателем (10). Съемка производилась в темноте на просвет при открытом затворе фотоаппарата. Таким образом на одном кадре фиксировалось три последовательных положения клина и соответственно три последовательных стадии развития брызговых струй. Образцы фотографий, выполненных таким способом, приведены на рис.63.
Похожие диссертации на Брызгообразование под влиянием газовых потоков и удара тел о воду. (К вопросу забрызгиваемости судов)
