Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор публикаций и цель исследований
1.1 Метастабильные состояния термодинамических систем 16
1.2 Формирование и развитие неравновесных парокапельных потоков 26
1.3 Анализ основных направлений по исследованию гидродинамической кавитации 33
1.4 Основные исследования новых технологий кавитации 40
1.5 Анализ основных особенностей лесных пожаров и методов их тушения
1.5.1 Предельные условия распространения лесных пожаров 48
1.5.2 Методы тушения, непосредственно воздействующие на фронт пожара 52
1.5.3 Методы тушения, направленные на локализацию зоны горения 55
1.6 Постановка задачи исследования 58
ГЛАВА 2 Генерация механических процессов в двухфазной среде под действием термодинамической неравновесности сжимаемой фазы
2.1 Анализ факторов, обеспечивающих генерацию гидродинамических процессов высокой интенсивности 61
2.2 Влияние термодинамически неравновесного состояния сжимаемой фазы на генерацию гидродинамических процессов в пузырьковой среде 65
2.3 Акустическое излучение, сопровождающее интенсивный нагрев жидкости з
2.4 Акустическое излучение из струи переохлажденного водяного пара
2.5 Выводы 91
ГЛАВА 3. Математическое моделирование кавитаци-онных устройств малой производительности
3.1 Некоторые особенности рабочей камеры, определяющие движение жидкости 92
3.2 Система уравнений, отражающих движение жидкости в рабочей камере генератора кавитации 96
3.3 Критерии подобия 105
3.4 Распределение окружной скорости в рабочей камере. 107
3.5 Влияние периферийной области на распределение окружных скоростей по радиусу лопасти 123
3.6 Методика математического моделирования генератора кавитации малой производительности 140
3.7 Выводы 141
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование кавитации в специализированных устройствах технологического назна чения
4.1 Краткое описание экспериментальной установки 142
4.2 Методика экспериментального исследования кавитации 147
4.3 Характеристики кавитации в следе за лопастью, вращающейся между параллельными стенками 152
4.4 Выводы 186
Глава 5 Физическое моделирование процесса кавитационного воздействия на жидкость
5.1 Величины, характеризующие работу кавитационных устройств 187
5.2 Энергетический баланс кавитационного устройства 189
5.3 Коэффициент полезного действия кавитационного устройства 196
5.4 Методика исследования энергетических характеристик кавитационных устройств технологического назначения 199
5.5 Экспериментальная проверка методики исследования кавитационных устройств технологического назначения 219
5.6 Экспериментальная проверка эффективности использования генератора кавитации в различных технологических процессах 2 5.6.1 Приготовление смазочно-охлаждающих жидкостей, используемых в машиностроении 225
5.6.2 Кавитационная обработка топлива дизельных двигателей внутреннего сгорания 232
5.6.3 Образование тонкодисперсных суспензий при воздействии гидродинамической кавитации на смесь глины и воды 235
5.7 Выводы 242
ГЛАВА 6. Механика термодинамически неравновесных капельных сред
6.1 Параметры переохлажденного водяного пара, получаемые при его истечении через сопло 245
6.2 Некоторые особенности струи переохлажденного водяного пара
6.2.1 Геометрические характеристики струи 258
6.2.2 Оптическая плотность струи переохлажденного водяного пара.264
6.3 Интенсивность конденсации переохлажденного пара на поверхности раздела сред. 268
6.3.1 Влияние параметров торможения и дополнительного охлаждения на динамику процессов конденсации. 268
6.3.2 Толщина пленки конденсата при перемещении источника переохлажденного пара. 276
6.4 Изменение свойств поверхности лесных горючих материалов при воздействии на них переохлажденным водяным паром 282
6.4.1 Факторы, влияющие на краевой угол смачивания 283
6.4.2 Методика проведения экспериментов и аппаратурное обеспечение 284
6.4.3 Оценка эффективности использования переохлажденного водяного пара для увлажнения элементов фитоценоза 286
6.4.4 Анализ результатов экспериментов по измерению краевых углов смачивания системы вода - элемент фитоценоза 290
6.4.5 Оценка эффективности использования переохлажденного пара для капельного увлажнения элементов фитоценоза 292
6.5 Выводы 296
ГЛАВА 7 Особенности взаимодействияпереохлажденного пара с очагами горения и элементами растительности
7.1 Особенности взаимодействия переохлажденного водяного пара с пламенем 298
7.1.1 Взаимодействие переохлажденного пара с факелом диффузионного горения 298
7.1.2 Взаимодействие переохлажденного пара с факелом кинетического горения 302
7.2 Влияние природы источника горючего газа на взаимодействие пере
охлажденного пара с пламенем и очагом горения 305 7.2.1 Диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения с поверхности, без химических реакций. 305
7.2.2 Диффузионное горение, происходящее в результате пиролиза сплошного материала 308
7.2.3 Сочетание диффузионного горения с гетерогенным горением 309
7.2.4 Горение сложной системы, характеризуемой малым временем прогрева горючего материала 312
7.3 Результаты испытаний новых способов локализации и тушения лесных пожаров 316
7.3.1 Цели и задачи испытаний 316
7.3.2 Описание мобильной установки для генерации переохлажденного водяного пара. 317
7.3.3 Условия и результаты проведения экспериментов по непосредственному тушению лесного низового пожара 319
7.3.4 Условия и результаты проведения экспериментов по локализации лесного низового пожара 324
7.4 Выводы 330
Выводы по диссертации 332
Литература
- Анализ основных направлений по исследованию гидродинамической кавитации
- Влияние термодинамически неравновесного состояния сжимаемой фазы на генерацию гидродинамических процессов в пузырьковой среде
- Система уравнений, отражающих движение жидкости в рабочей камере генератора кавитации
- Характеристики кавитации в следе за лопастью, вращающейся между параллельными стенками
Введение к работе
Актуальность проблемы
Создание конкурентоспособной продукции невозможно без широкого использования новых технологий, обеспечивающих экономию топливных и энергетических ресурсов. Одним из перспективных направлений интенсификации технологических процессов, проводимых в жидкостях, является использование термодинамически неравновесного состояния жидкой среды.
При переходе термодинамической системы в равновесное состояние, образуется новая фаза в виде некоторой неоднородности (пузырек пара в несжимаемой жидкости или капля конденсата в паровой среде). В окрестности фазовой неоднородности, термодинамическая неравновесность одной из фаз обуславливает протекание интенсивных процессов массообмена и возникновение полей давления высокой интенсивности, что может являться основой для создания новых технологических процессов.
Гидродинамическая кавитация, как типичный пример термодинамически неравновесной пузырьковой среды, является действенным фактором, обеспечивающим создание новых технологических процессов. Результаты научно- исследовательских работ, выполненных профессором В.М. Ивченко и его учениками, указывают на целесообразность и эффективность проведения кавитацион- ной обработки жидкостей в сахарном, химическом, целлюлозно-бумажном и других направлениях промышленного производства. К примеру, в сахарном производстве кавитационная обработка известкового молочка позволила сократить его расход на 18-20%; кавитационное воздействие на целлюлозно-бумажную массу приводит к увеличению степени помола до 35-40 ШР; одновременно возрастает сопротивление излому, продавливанию и величина разрывного груза. При кави- тационном воздействии на водоцементную смесь увеличивается прочность цементного камня на сжатие (в 2-2,5 раза) и на изгиб (в 1,5-2 раза).
Широкому использованию кавитации для проведения технологических процессов препятствует отсутствие специализированных кавитационных устройств (КУ) малой (200 г/с и менее) производительности, имеющих соответствующие габариты и мощность привода. Другим фактором является отсутствие объективных критериев, позволяющих проводить сравнение различных кавитаци- онных устройств одинакового назначения, а также методики их исследования.
В то же время результаты исследований по использованию термодинамически неравновесной капельной среды неизвестны, что свидетельствует о слабой изученности процессов, протекающих в таких средах.
Цель исследований состоит в разработке теоретических положений и проведении исследований особенностей механических, термодинамических и массо- обменных процессов, протекающих в условиях термодинамической неравновесности капельных и пузырьковых сред и на основе этого предложить новые методы проведения технологических процессов.
Задачи исследований:
провести анализ факторов, обуславливающих появление в термодинамически неравновесной среде гидродинамических процессов высокой интенсивности;
разработать гидродинамические кавитационные устройства малой (менее 200 г/с) производительности;
провести математическое моделирование и экспериментальные исследования особенностей гидродинамической кавитации в специализированных устройствах малой производительности;
обосновать физическое моделирование процесса кавитационного воздействия на жидкость;
оценить целесообразность использования гидродинамической кавитации для проведения различных технологических процессов.
провести комплекс экспериментальных исследований по выявлению основных механизмов взаимодействия термодинамически неравновесного водяного пара с открытым пламенем, очагами горения и элементами фитоценоза.
Достоверность полученных данных.
Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом погрешности измерений, повторяемостью результатов.
Достоверность теоретических результатов достигается применением современных методов математического моделирования, апробированных аналитических и численных методов решения, обоснованностью используемых допущений.
Достоверность полученных результатов подтверждается путем сравнения полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также путём сравнения с известными экспериментальными данными.
Научная новизна:
Разработаны основы теории генерации механических процессов в двухфазной среде под действием термодинамической неравновесности сжимаемой фазы.
Впервые разработан метод создания стабильных, высокоскоростных до- и сверхзвуковых пузырьковых течений пузырьковой среды. Новизна метода защищена АС СССР № 1235554.
Созданы гидродинамические кавитационные устройства малой (менее 200 г/с) производительности и методика их расчета. Новизна устройств подтверждается АС СССР № 1136845 и № 1168300.
Проведено экспериментальное исследование кавитации в следе за лопастью, вращающейся между параллельными неподвижными поверхностями. Выявлено, что одновременно, в зависимости от радиуса лопасти, могут существовать и пузырьковая, и суперкавитационная стадии развития кавитации.
Введен в рассмотрение новый параметр - энергия кавитации, которая является частью потерь механической энергии жидкости при её прохождении через кавитационное устройство (КУ).
Разработан новый метод исследования КУ. Новизна метода защищена АС СССР №1507461.
Экспериментальными исследованиями определена эффективность использования гидродинамической кавитации для:
дегазации жидкостей;
приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, используемых в машиностроении;
обработки топлива дизельных ДВС (новизна способа защищена АС СССР № 1254191);
приготовления тонкодисперсных глинистых суспензий, используемых в геологоразведочном бурении.
Впервые предложено использовать термодинамически неравновесный переохлажденный водяной пар для проведения технологических процессов - таких, как тушение пламени, увлажнение гидрофобных поверхностей и т.д.
Разработан новый подход, и новые методы тушения лесных пожаров с использованием струи переохлажденного водяного пара. На способы тушения лесных пожаров получены патенты России № 2216367 и №2273503.
Впервые исследована динамика процессов увлажнения гидрофобных поверхностей при воздействии струей переохлажденного водяного пара.
Практическая значимость.
Разработан метод создания пузырьковых потоков жидкости, позволяющий получать стабильные до- и сверхзвуковые течения при скоростях набегающего потока 20 - 30 м/с.
Определена целесообразность проведения кавитационной обработки жидкостей в различных технологических процессах - таких, как дегазация, эмульгирование и диспергирование. При дегазации воды, контактирующей с атмосферой, остаточная концентрация СО2 составила 0.25 от равновесной. Приготовление смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), используемых в машиностроении, позволяет получать более устойчивые к разрушению эмульсии, а также проводить их восстановление, что практически снимает проблему утилизации обедненной СОЖ. Кавитационная обработка топлива позволяет обеспечить возможность длительной, безаварийной работы дизельных двигателей на сильно обводненном (до 26%) топливе, что повышает безопасность эксплуатации судов морского и речного регистров. Использование гидродинамической кавитации в геологическом бурении позволяет уменьшить на 10 - 15 % расход бентонитовых глин на приготовление буровых промывочных растворов.
Энергия кавитации может служить основой для оценки и сравнения кавита- ционных устройств, отличающихся как конструктивными признаками, так и режимами работы. Это позволяет выбирать кавитационные устройства, наиболее полно отвечающие требованиям технологических процессов и проводить настройку имеющихся устройств на оптимальные режимы работы в условиях конкретного технологического производства.
Использование термодинамической неравновесности двухфазной среды для проведения технологических процессов позволяет разрабатывать принципиально новые, более эффективные технологии, обеспечивающие достижение заданного результата при минимальных затратах энергии. В частности, это позволяет развивать новые методы тушения лесных пожаров, отличающиеся высокой эффективностью и оперативностью применения.
Личный вклад автора состоит в выборе научного направления, цели и задач исследований; основные результаты получены лично автором, отдельные результаты получены либо под его руководством, либо при непосредственном участии; предоставление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Положения, выносимые на защиту:
Новый подход к использованию термодинамически неравновесных состояний для интенсификации технологических процессов.
Метод создания стабильных, высокоскоростных до- и сверхзвуковых пузырьковых течений пузырьковой среды.
Гидродинамические кавитационные устройства малой производительности и методика расчета их характеристик.
Результаты экспериментального исследования кавитации в следе за лопастью, вращающейся между параллельными неподвижными поверхностями.
Метод экспериментального исследования кавитационных устройств технологического назначения.
Результаты экспериментальных исследований по интенсификации технологических процессов при кавитационном воздействии на жидкости.
Результаты экспериментальных исследований по определению возможности использования переохлажденного водяного пара для проведения различных технологических процессов
Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: II, III, IV Всесоюзных школах - семинарах по гидродинамике больших скоростей (1984, 1987, 1989 гг.), Всесоюзных конференциях «Современные проблемы механики жидкости и газа» (1988, 1990), международной конференции по экранопланам (1993), международных конференциях «Математическое и физическое моделирование лесных пожаров и их экологических последствий» (1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005), международных конференциях «Сопряженные задачи механики и экологии» (1996, 1998, 2000, 2002, 2004), международных конференциях «Пятые Окуневские чтения» (2006) и «Седьмые Оку- невские чтения» (2011) , международной конференции «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (2008).
Публикации по теме диссертации.
По теме диссертации опубликовано 74 печатные работы, из них 13 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК и 8 авторских свидетельств и патентов.
Объем и структура работы.
Анализ основных направлений по исследованию гидродинамической кавитации
Возможность достижения в несжимаемой жидкости метастабиль-ного, «перегретого» состояния можно характеризовать с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса. Одновременно следует учитывать, что метод определения максимального порогового давления, при котором жидкое состояние теряет устойчивость, обоснованный на применении уравнения Ван-дер-Ваальса, может служить лишь для оценки границы устойчивости [7].
В сжимаемой среде возникновение новой фазы происходит в результате столкновений отдельных молекул. В процессе хаотического движения возможно появление молекул с любыми скоростями и энергиями, т. е. любое отклонение истинных значений параметров потока от средних. Такие отклонения принято называть флуктуациями. В отличие от обычных флуктуации, совместимых с сохранением данного агрегатного состояния, флуктуации плотности, выходящие за пределы одного агрегатного состояния, названы Френкелем «гетерофазными» [217]. Флуктационное образование зародышей может происходить на отдельных молекулах метастабильной фазы. О нем говорят как о гомогенной нуклеации. Флуктационное образование зародышей может, однако, происходить и на имеющихся в метастабильной фазе посторонних вкраплениях и на внешних границах метастабильной фазы. О таком флуктационном образовании зародышей говорят как о гетерогенной нуклеации. Физические основы превращения метастабильной фазы в стабильную детально рассмотрены в работе Ф. М. Куни [106].
Система, испытывающая флуктуации, может самопроизвольно перейти в менее вероятное состояние. Эти отклонения бывают кратковременными, так как по прошествии времени релаксации система переходит в наиболее вероятное равновесное состояние. Так, если бы в термодинамически УСТОЙЧИВОЙ СИСТеме (ц х\ Ц Х2 , ГДЄ фх1И фх2 СООТВЄТСТВЄН ного удельные потенциалы паровой и жидкой фаз при заданной температуре Т и давлении р) случайно возникли зародыши новой фазы, то через короткий промежуток времени эти новообразования исчезли бы (флуктуации рассеиваются). В случае метастабильного состояния (фх1 фх2), когда новая фаза является устойчивой, малые гетерофазные флуктуации являются неустойчивыми, несмотря на то, что в макроскопических масштабах новая фаза является единственно возможной Жизнеспособными являются только те зародыши, размер которых превышает определенную критическую величину. Дальнейший рост новой фазы происходит на таких устойчивых образованиях, называемых ядрами конденсации.
Применительно к случаю двухфазной среды, состоящей из пара и шарообразных капелек жидкости, впервые Томсоном [267] было показано, что давление пара, находящегося в равновесии с каплей жидкости при заданной температуре Т, тем больше, чем радиус г этой капли. Таким образом, возможны случаи, когда пар, ненасыщенный в обычном смысле (по отношению к капле бесконечно большого радиуса), оказыва 22 ется ненасыщенным по отношению к капельке достаточно малого размера. Этим объясняется испарение мелких зародышей в метастабильной системе.
Размер «критического» зародыша (зародыша, способного к дальнейшему росту) может быть определен из условия равновесия двухфазной системы, состоящей из пара и капелек воды:
Здесь а-коэффициент поверхностного натяжения, Н 1м ; рг 3 2 плотность жидкости, кг/м ; р&,Н/м - давление насыщения при тем пературе Т и радиусе капли RKp; pS00,H м - давление насыщения при той же температуре Т и радиусе капли г = со; ДТ=Тоо-Т-переохлаждение пара. Скорость J образования критических зародышей, способных к дальнейшему росту, может быть найдена путем решения основного уравнения кинетики ядрообразования. Подробный анализ предпосылок и допущений, использованных при выводе (1.4), приводится в [267].
Расчетная формула по Я. И. Френкелю, взятая в удобной для практических расчетов форме из работы Г. Гермати, имеет следующий вид [252]: J = Z0-pl exp[-Z, /\па ] ядер 1{м -сек) ,ч Здесь pi- местное давление в паре; J{2I7T)CJN ZQ =
Уравнение (1.4) позволяет определять границу метастабильных состояний, т.е. температуру, при которой должны начинаться фазовые переходы. Для получения количественного результата необходимо задаться определенным, физически оправданным, значением скорости яд-рообразования J. Позже появилось много исследований, уточняющих формулу для расчета скорости ядрообразования. Это связано с тем, что расчет дает, как правило, более раннее начало спонтанной конденсации, чем это получается в эксперименте. Для многих практических расчетов в зоне низких давлений формула Я. И. Френкеля дает приемлемую точность. Однако исследования сопл Лаваля в зоне высоких давлений [69] показали недопустимо большие расхождения распределения давления и дисперсности жидкой фазы в экспериментах и расчетах. С целью уточнения теоретических расчетов Л. И. Селезневым в формулу для скорости ядрообразования (1.4) в экспоненциальный множитель был введен поправочный коэффициент /?:
Влияние термодинамически неравновесного состояния сжимаемой фазы на генерацию гидродинамических процессов в пузырьковой среде
В разделе 2.1 было выявлено, что для генерации гидродинамических процессов, сопровождающих схлопывание кавитационного пузырька, необходимо, как минимум, выполнение трех условий: - наличие поверхностного натяжения; - наличие кривизны поверхности раздела фаз; - неравновесная конденсация сжимаемой фазы. Проверим значимость фактора термодинамической неравновесности сжимаемой фазы при её конденсации в условиях схлопывания кавитационного пузырька. При возбуждении кавитации в однородной жидкости, состоящей из нескольких взаимно растворимых компонент, схема взаимодействия кавитационного пузырька с окружающей его жидкостью, практически идентична схеме взаимодействия в однокомпонентной жидкости.
При возбуждении кавитации в неоднородной жидкости, состоящей из двух взаимно нерастворимых компонент, взаимодействие кавитационного пузырька с окружающей жидкостью может иметь двоякий механизм.
При частичном испарении, когда паровой пузырек окружает жидкая фаза, состоящая из таких же компонент, что и внутри пузырька, имеется возможность для неравновесной конденсации. В этом случае выполняются все три условия для появления гидродинамических эффектов, сопровождающих схлопывание кавитационного пузырька. При полном испарении дисперсной фазы, состоящей из жидкости с более высоким давлением паров насыщения, паровая фаза имеет другое уравнение состояния, отличное от уравнения состояния окружающей жидкости. В этом случае паровой пузырек может рассматриваться как газовый - поскольку практически отсутствует обмен массой между фазами.
Для подтверждения отмеченных механизмов, рассмотрим возможность создания стабильных паро- или газожидкостных пузырьковых потоков.
В настоящее время газожидкостные потоки создают либо путем вдува газа в поток жидкости [197], либо понижением давления до образования разрывов сплошности [120], либо электролизом воды путем пропускания электрического тока через проводники, размещенные поперек потока жидкости [251].
При реализации всех перечисленных методов, необходимо обеспечивать постоянный контроль и регулировку параметров пузырькового потока. В противном случае пузырьковый режим спонтанно переходит в снарядный.
Представляется, что проблемы, связанные с отсутствием стабильности параметров пузырькового потока, имеют схожий характер. Все упомянутые методы имеют аналогичные механизмы взаимодействия между фазами, основанные на растворимости содержимого пузырьков в окружающей их жидкости.
Условимся считать, что давление парогаза в пузырьке полностью определяется уравнением Лапласа.
Тогда давление парогаза в различных пузырьках, изменяясь в зависимости от их радиусов, предопределяет различия в динамике процессов испарения - конденсации. Как следствие, наиболее стабильным оказывается пузырек, имеющий самый большой радиус кривизны. Содержимое остальных пузырьков, под действием более высокого дополнительного давления, растворяется в жидкости [104, 135].
Если блокировать механизм растворения, тогда радиус пузырька будет зависеть только от уравнения состояния сжимаемой фазы, при неизменной её массе [72].
Таким образом, для повышения стабильности параметров пузырькового потока следует использовать газ, нерастворимый в окружающей его жидкости.
Отметим, что использование подобного газа может повысить стабильность параметров пузырькового потока только на достаточно малый период времени прохождения его через рабочий участок гидродинамического стенда. После этого неизбежно произойдет нарушение структуры газожидкостной смеси, обусловленное различиями в плотностях газа и жидкости. (Например, отношение плотности воды к плотности атмосферного воздуха равняется примерно 800, что и предопределяет появление гравитационной и иных видов сепарации газовой фазы). Тогда рабочая жидкость должна быть двухфазной средой при прохождении через рабочий участок и однофазной - в остальных случаях.
Как один из вариантов выполнения приведенных выше условий, является использование в качестве рабочей жидкости эмульсии, в которой при понижении давления перед рабочим участком дисперсная фаза переходит в парообразное состояние, а при последующем повышении давления образуется исходная эмульсия [173].
Условия возникновения кавитации в эмульсионных средах исследованы далеко не полностью. Несомненно, что для образования кавита-ционной полости необходимо, чтобы растягивающие напряжения могли вызвать местный разрыв сплошности. Разрывы сплошности жидкости происходят в особых точках - ядрах кавитации, имеющих пониженную прочность на разрыв.
Перечислить все механизмы образования и существования ядер кавитации невозможно из-за недостаточной изученности этого вопроса. Существенным является тот факт, что каверны из ядер кавитации образуются только при уменьшении давления до давления паров насыщения данной жидкости. При уменьшении давления в жидкой среде, состоящей из смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей, разрывы сплошности будут образовываться в той жидкости, у которой давление паров насыщения выше [172].
По модели возникновения кавитации, предложенной Керминым и Паркиным [255], разрывы сплошности образуются в центрах вихрей турбулентного (или турбулизированного) потока. Располагая начало координат на оси вихря, и учитывая только центробежные массовые силы, можно получить уравнение Стокса для капли, находящейся в ядре вихря:
Система уравнений, отражающих движение жидкости в рабочей камере генератора кавитации
Потери в подшипниках зависят от их конструкции, точности установки, материала и состояния рабочих поверхностей, а так же от частоты вращения вала.
Потери мощности, происходящие при преобразовании электрической энергии в механическую, зависят от конструкции электродвигателя и от частоты вращения вала.
Мощность сил трения об уплотнение вала зависит от радиуса вала, ширины контакта рабочей кромки уплотнения, шероховатости поверхности контакта, распределения давления уплотнения на вал и частоты вращения вала.
При проведении гидродинамического эксперимента и определении мощности механических потерь выполнялись следующие условия: все конструктивные характеристики - как двигателя, так и генератора кавитации, оставались неизменными; рабочие поверхности были приработаны друг к другу. Определение мощности механических потерь проводилось в несколько этапов.
На первом этапе проверялась приработка рабочих поверхностей друг к другу. При снятой крыльчатке определялась мощность механических потерь при различных скоростях вращения вала, после чего в рабочей камере устанавливалась крыльчатка, и проводился предварительный эксперимент. По окончании предварительного эксперимента рабочие органы снимались, и вторично составлялась зависимость мощности механических потерь от скорости вращения вала двигателя. Первый этап был закончен после получения стабильных результатов. Второй этап проводился до и после каждой серии основного эксперимента; полученные данные объединялись, и определялась зависимость мощности механических потерь от скорости вращения вала.
В связи с отсутствием каких-либо экспериментальных данных, характеризующих исследуемое устройство, был проведен предварительный эксперимент. Это позволило определить область изменения всех основных величин, характеризующих работу генератора кавитации. По частоте вращения вала, диапазон изменения заключен в интервале от 17 до 160 1/с. Обработка результатов предварительного эксперимента показала, что при проведении измерений с интервалом между значениями независимой переменной в 3-4 1/с, характер экспериментальных зависимостей не теряет своей информативности.
Интервал изменения значения независимой переменной принят равным 3 1/с. При планировании эксперимента принята трехкратная повтор-ность измерений; при выполнении измерений принят последовательный план. Порядок выполнения измерения был следующий: устанавливался требуемый режим, производилась выдержка 5 минут, в течение которой регулировалась температура жидкости, проводились измерения, устанавливался следующий режим.
Мощность, потребляемая установкой, определялась как произведение напряжения на силу тока; производительность генератора определялась по времени заполнения контрольного объема; свойства жидкости определялись по ее температуре. Остальные величины определялись прямыми измерениями.
При изменении величины относительного загромождения принят рандомизированный план. Рандомизация проведена на основе греко -латинского квадрата 4x4; изменение относительного загромождения производилась в следующей последовательности: 0.242, 0.412, 0.310, 0.171.
Результаты предварительного эксперимента показали, что, в области некавитационных режимов, потери энергии жидкости линейно зависят от частоты вращения вала и не зависят от относительного загромождения. При возникновении кавитации наблюдается отклонение от линейности (в сторону увеличения потерь).
Отмечено, что начало кавитационных режимов зависит от относительного загромождения рабочей камеры. Отмечено также, что потери энергии при кавитации для h =0.412 нелинейно зависят от частоты вращения вала и, одновременно, потери энергии при h= 0.310, 0.242 и 0.171 (некавитационные режимы) линейно зависят от частоты. Идентичная картина наблюдается в случае, когда кавитация фиксируется при h =0.310 (по сравнению с некавитационным течением при h =0.242 и 0.171). То же самое наблюдается при частотах вращения вала, когда кавитация фиксируется для /2=0.242 и не фиксируется для
Отмеченные закономерности позволили сделать вывод: потери энергии в исследуемом устройстве линейно зависят от частоты вращения вала; отклонения от линейной зависимости, совпадающие с возникновением кавитации, объясняются собственно явлением кавитации.
Характеристики кавитации в следе за лопастью, вращающейся между параллельными стенками
В процессе работы металлообрабатывающих станков эмульсия СОЖ разрушается, вышедший из эмульсии эмульсол образует в емкости - хранилище "шубу", плавающую на поверхности эмульсии. Эмульгация "шубы" традиционными методами неэффективна. В первой серии испытаний, проведенной 19.03.85, емкости 1и 5 были объединены, фактически, в генератор кавитации поступала смесь готовой эмульсии и эмульсола; эффективность приготовления СОЖ при этом не уменьшалась. Целью настоящего этапа испытаний являлась проверка применимости генератора кавитации в качестве средства для восстановления свойств эмульсии СШ. Основная сложность заключалась в том, что "шуба" является неньютоновской жидкостью с большой вязкостью. Генератор кавитации на такие жидкости не рассчитывался. Не известен так же точный состав "шубы". Предполагается, что она состоит из наименее летучих компонентов эмульсола различных марок, выделившегося из эмульсии в течении длительного времени. Сбор "шубы" предполагалось осуществлять при помощи емкости с размерами 400х350х 150 мм, одновременно служившей фундаментом для генератора кавитации. Боковые борта ванны имели 20 отверстий диаметром 3,2 мм для прохода обедненной эмульсии к генератору. Ванна устанавливалась так, чтобы верхние края её были на 10 - 15 мм ниже верхнего уровня "Шубы". Испытания проводились 17.05.85 Результаты испытания: 1. За 2.5 часа непрерывной работы генератора кавитации, толщина "шубы" уменьшилась с 15-20 мм до 3 - 5 мм. Визуально отмечено обеление эмульсии, приобретение ею желтоватого оттенка, что связывается участниками эксперимента с эмульгацией основной массы "шубы". 2. Выявлена недостаточная эффективность ванны - сбор "шубы" приходилось осуществлять совковой лопатой. Трижды отмечалось прекращение работы генератора кавитации - забивался всасывающий патрубок. Промывка холодной водой через выходной патрубок восстанавливала работоспособность генератора.
Кавитационная обработка топлива дизельных двигателей внутреннего сгорания Положительный эффект от добавления воды в цилиндры ДВС был известен еще в начале века. Так, в технической энциклопедии, изданной в 1904 - 1910 г.г., указывается, что, с целью снижения расхода топлива, в цилиндры двигателя "Русский дизель" подается вода. Более поздние исследования, проведенные Корнетом и Неро (США) в 1933 году с двухтактным дизелем фирмы "General motors" показали, что имеется сильная корреляция между содержанием воды и расходом топлива. Аналогичные результаты получил и Абдельфаттах (Александрия, 1939 - 1940 г.) на четырехтактном двигателе.
Широкому применению сильно обводненных топлив препятствует необходимость подачи воды в виде эмульсии в топливе, что предопределяет необходимость в применении поверхностно - активных веществ (ПАВ), ускоряющих износ двигателя. Отказ от применения ПАВ приводит к необходимости проводить эмульгирование непосредственно перед сжиганием топлива. Одновременно, традиционные методы эмульгирования имеют значительную энергоемкость, сводящую на нет экономию топлива.
Отметим, что присутствие не эмульгированной воды в топливе (уже при 1% влажности) приводит к поломкам двигателя. В первую очередь, повреждаются прецизионные пары топливного насоса высокого давления и форсунки.
В связи с этим, в Енисейском речном пароходстве были проведены промышленные испытания по совместной работе генератора кавитации и дизельного двигателя внутреннего сгорания 6ЧСПН 18/22 (правый главный двигатель т/х "Илимск").
Кавитационное устройство рассматривалось как средство, повышающее безопасность эксплуатации судов речного регистра. Характерной особенностью эксплуатации речных судов является высокая вероятность попадания воды в топливо.
Программа испытаний включала: 1. Определение работоспособности кавитационного эмульгатора в сис теме топливоподготовки дизельного двигателя. 2. Определение допустимого содержания воды в топливной эмульсии. Первая часть программы выполнялась без добавления воды, что по зволило согласовать режимы работы генератора кавитации и двигателя. Вторая часть программы фиксировалась отдельно от первой и предусматривала проведение испытаний при фиксированном значении влагосо-держания, которое увеличивали постепенно.
Перед началом замеров судно поставлено в положение упором в берег. В соответствии с программой экспериментов, магистраль для слива избыточного топлива не блокировалась, что не позволило определять возможную экономию топлива. Эмульсия приготовлялась генератором кавитации 1, который был установлен в системе топливоподачи, непосредственно перед блоком насосов высокого давления 2 (см. рис. 5.19). Электропитание эмульгатора осуществлялось от штатной бортовой сети, работающей от генератора электрического тока. Контроль параметров работы эмульгатора производился цифровым автоматическим тахометром ЦАТ - ЗМ.
