Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор . 7
1-І Стадии электровзрыва в жидкости 7
1.2 Динамика каверн в жидкости во внешних полях давления 9
1.3 Пульсация электровзрывной каверны в жидкости Постановка задачи исследования CLASS ГЛАВА 2. Модель динамики электровзрывнои каверны в поле внешнего переменного давления 20 CLASS
2.1 Приближение несжимаемой жидкости 20
2.2 Приближение Кирквуда-Бете 24
2.3 Начальные условия 28
2.4 Относительное влияние начальных факторов на характеристики электровзрывной каверны 43
2.5 Учет энергетических изменений на послеразрядной стадии 56
ГЛАВА 3. Динамика электровзрывной каверны в поле внешнего синусоидального давления 64
3.1 Гидродинамические явления электровзрыва в поле внешнего синусоидального давления 64
3.2 Влияние случайного характера наброса фазы внешнего синусоидального давления 72
3.3 Оптимизация кумулятивного эффекта 80
3.4 Интегральные характеристики пассивной стадии электровзрыва 91
ГЛАВА 4. Динамика электровзрывной каверны в поле внешнего импульсного давления 94
4.1 Влияние положительного давления прямоугольной формы 94
4.2 Влияние положительного давления экспоненциальной формы 103
4.3 Влияние отрицательного давления прямоугольной формы 105
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование силовых характеристик электровзрыва в поле внешнего переменного давления 114
5.1 Описание экспериментальной установки 114
5.2 Пиковое давление ударных волн 118
5.3 Сравнение экспериментальных и расчетных значений пикового давления ударных волн 121
5.4 Электровзрывная активация глинистых буровых растворов в поле внешнего переменного давления 122
Заключение 131
Список литературы
- Динамика каверн в жидкости во внешних полях давления
- Относительное влияние начальных факторов на характеристики электровзрывной каверны
- Интегральные характеристики пассивной стадии электровзрыва
- Влияние положительного давления экспоненциальной формы
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В современной промышленной технологии интенсивно внедряются электрофизические способы обработки материалов, основаннные на физических эффектах как явление электровзрыва в конденсированных средах. Наибольшее применение в технологии машиностроения и металлообработки, горном и строительном деле, в химической промышленности и агропромышленных отраслях находит электровзрыв в жидкой среде и прежде всего в воде как источник мощных ударных волн и нестационарных гидропотоков, воздействующих на обрабатываемые объекты и придающих им новые качества.
Разработка новых высокоэффективных электрофизических устройств, основанных на электровзрывном преобразовании энергии, требует понимания физических процессов электровзрыва под воздействием различных внешних условий, в частности, под воздействием внешних полей давлений. Основное внимание в исследованиях электрического разряда в жидкости посвящено активной и предпробо-йной стадиям, меньше пассивной стадии, в практическом отношении не менее важной, поскольку в процессе эволюции электровзрывной каверны генерируются мощные гидродинамические возмущения. Поэтому исследование динамики электровзрывной каверны в поле внешнего переменного давления является актуальной задачей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики электровзрывной каверны в жидкости в поле внешнего переменного давления, и на базе этих исследований, разработка рекомендаций по созданию электровзрывных установок различного назначения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Получены аналитические зависимости начальных характеристик канальной стадии разряда в воде как фун-функции трех аргументов: длины межэлектродного промежутка Z, начальной электропроводности воды а и начального напряжения U на конденсаторной батарее.
Построена математическая модель динамики электровзрывной каверны в приближении Кирквуда-Бете, позволяющая получать в численных расчетах согласующиеся с экспериментальными данными значения максимального радиуса, периода пульсаций и пикового давле-ления при охлопывании электровзрывной каверны.
Найдены закономерности влияния параметров внешнего периодического и импульсного давления на динамические характеристики электроязрнвной каверны. Определены условия, оптимизирующие кумулятивный эффект при охлопывании олектровзрывной каверны в поле внешнего переменного давления.
Установлены закономерности влияния на динамические характеристики электровзрывной каверны случайной фазы наброса внешнего синусоидального давления. Рассчитаны интегральные динамические характеристики пассивной стадии подводного электровзрыва. Доказано усиление в среднем кумулятивного эффекта при случайной фазе наброса внешнего синусоидального давления.
Экспериментально подтверждены установленные расчетами закономерности влияния внешнего синусоидального давления на характеристики электровзрывной каверны.
ПОЛОЖЕНИЯ ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ. модель динамики электровзрывной каверны в поле внешнего переменного давления; результаты теоретических исследований динамики^.электровзры- - установленную возможность интенсификации электровзрывных технологических процессов полем внешнего переменного давления.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Полученные в работе результаты позволяют определять рациональные технические параметры электрофизических устройств, основанных на электровзрывном преобразовании энергии в жидкости, в которых технологические процессы интенсифицируются полем внешнего переменного давления, и используемых для диспергирования, приготовления глинистых буровых растворов, эмульгирования, интенсификации химико-технологических процессов.
На основе полученных результатов разработана и создана установка "Искра-50 Б", предназначенная для очистки внутренней поверхности труб от минерализованных отложений, промышленные испытания которой проведены на Ишимбайском предприятии тепловых и электрических сетей.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы диссертации докладывались на III и IV Всесоюзных конференциях "Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности" (Николаев, 1984 и 1988 г.), на VI-й научной школе "Физика импульсных воздействий на конденсированные среды" (Николаев, 1993 г.). В целом работа доложена на научном семинаре НИМ высоких напряжений при Томском политехническом университете (Томск, 1998 г.)
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 15 таблиц; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 204 наименований, и двух приложений.
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубли-вано 15 научных статей, получено 5 авторских свидетельств.
Динамика каверн в жидкости во внешних полях давления
Задача о охлопывании пустой полости в безграничной несжимаемой жидкости под действием постоянного давления рассмотрена Рэлеем и Ламбом [863. Из ее решения следует простая функциональная зависимость времени охлопывания полости от давления и нача 1/2 льного радиуса At = 0.915 R (р /р) ; в момент исчезновения полости происходит гидравлический удар, когда при R - Q скорость R неограниченно возрастает как R [851. Наличие же газа в кэ-витационном пузырьке практически не изменяет времени захлопывания для пустой полости [163].
Динамика пузырька под действием периодически изменяющегося давления в несжимаемой жидкости изучалась Нолтингом и Непайрасом [191],; с учетом сжимаемости жидкости в первом приближении и вязкости - Херрингом и Флйнном [157],, Учет сжимаемости жидкости при пульсациях кавитационной полости в более высоком приближении дает метод Кирквуда-Бете [2]. В этом приближении с учетом вязкости рассматривались стохастические пульсации кавитационной полости в периодических акустических полях [66]. В результате численного интегрирования уравнений движения обнаружены периодические и непериодические решения, чередующиеся по мере увеличения амплитуды звукового поля. В области непериодичности решение носит неустойчивый характер, однако остается ограниченным по амплитуде. Показано, что данная нелинейная система относится к классу динамических систем со стохастическим аттрактором, подчиняющихся универсальному закону Фегейбаума [66]. В работе [196] движение одиночного пузырька в периодическом поле давления анализируется с геометрической точки зрения с использованием карт Пуанкаре. Показано, что уравнения движения могут быть трансфомирова-ны к возмущению гамильтоновской системы.
В работах [30, 192, 1933 задача динамики радиальных колебаний сферического пузырька в сжимаемой жидкости решалась методом сращиваемых асимптотических разложений.
Кедринский В.К. [621 рассмотрел динамику сферического газового пузырька в жидкости для случая волн давления экспоненциального профиля, привел зависимости для приближенных оценок основных характеристик пульсации пузырька в несжимаемой жидкости под их воздействием и показал, что предположение Кирквуда-Бете отвечает действительности при R/c порядка единицы и ниже.
В работах [1ST, 195, 197-199, 203, 204] рассматривалось сжатие сферического пузырька внешним импульсным давлением и изучалось влияние на этот процесс сжимаемости, вязкости, свойств газовой смеси в пузырьке, параметров начального состояния газа в пузырьке. Установлено, что переход к модели Ван-дер-Ваальса может снижать максимальные значения давления и температуры газа, достигаемые при адиабатическом ударном сжатии пузырька [2041.
Быковцев Г.И. И 9] рассмотрел пульсацию сферической полости, наполненной идеальным газом, в неограниченной вязкой жидкости под действием внешнего периодического давления и с учетом инерции газа внутри каверны. Учет инерции газа в каверне приводит к заметному снижению скорости ее схлопывания за счет диссипации в ударных волнах, возникающих внутри каверны.
Маргулисом М.А. и Дмитриевой А.Ф. 193] выведена система уравнений динамики схлопывания одиночного кавитанионного пузырька в идеальной несжимаемой жидкости с учетом теплообмена и, частично, динамики газа в пузырьке, но без учета фазовых переходов, и включающая уравнение Релея, уравнение состояния для газовой фазы в пузырьке, масса которой постоянна, и уравнений теплопроводности для жидкой и газовой фаз с учетом движения газа. Влиянием вязкости и поверхностного натяжения обоснованно пренебрега-лось [2, 157]. Результаты численного интегрирования данной системы [94, 95] показали, что теплообмен в процессе охлопывания каЕитационных пузырьков является одним из наиболее значительных факторов, определяющих динамику и энергетику процесса, существенно понижающим максимальные параметры парогазовой смеси внутри кавитационного пузырька. Минимальный радиус пузырька и радиус, при котором достигается максимальная скорость, при учете теплообмена почти вдвое выше, чем для адиабатического охлопывания,однако общее время схлопывания в адиабатическом режиме и с теплообменом незначительно отличается от релеевского времени для пустой полости. Сделано предположение, что ударные волны при кавитации обусловлены фазовым взрывом жидкости, перегретой до сверхкритических параметров в кавитационном пузырьке 1943.
Влияние теплообмена, массообменз, фазовых переходов на малые свободные и вынужденные колебания паровых и парогазовых пузырьков в жидкости рассматривалось в работах Нигматулина Р.И., Хабеевэ Н.С. и др. [3, 104-108, 158-161].
Относительное влияние начальных факторов на характеристики электровзрывной каверны
Из изложенного ясно, что для адекватного описания динамики электровзрывной каверны требуется знание кроме начального давле-ния с , радиуса у , скорости у также начальный момент времени х 0 . Если начальный момент времени задать по любой из формул (2.34), (2.36), (2.37), то провала давления наблюдаться не будет. Интересно отметить, что величины х и хд приблизительно равны между собой и значительно больше х , а величина х меньше нуля. В связи с этим возникает вопрос, как правильно выбирать начальный момент времени и какой физический смысл сто кт за этой операцией?
Так как причиной того, что в момент времени х в канале разряда давление к , радиус у , а скорость у является выделение в нем некоторой доли энергии Г(х ), которая расходуется на приращение внутренней энергии продуктов электровзрыва и на работу расширения, то можно записать [140] Г(х) = спУ? + УІ(г 1 )у? (2.33)
Таким образом, моменту времени х = хк отвечает такой момент времени, в который выделившаяся в канал разряда энергия равна энергии системы канал-жидкость с начальными характернетиками С , У , ул. На рис. 2.3, 2.4 показаны изменения характеристик канала во времени, когда начальный момент времени определялся по формулам (2.34), (2.37), (2.39); расчеты с начальным моментом времени по формуле (2.35) не отражены на рис. 2.3, 2.4 вследствие отрицательного хг= -0.0025, по формуле (2.36) - вследствие близости значений х и хд (х3=0.00584, хд= 0.00598).
Видно, что характеристики канала, полученные с начальными моментами х и х лежат несколько выше по сравнению с характеристиками для момента времени х . Последнее означает, что к энергии, которая выделяется в канале за время активной стадии прибавляется некоторая дополнительная энергия дї, имеющая максимальное значение при х = 0 и равная
Если же начальный момент времени рассчитывать по формуле (2.39), то ді очевидно равно нулю. В нашем случае Af#= 0.000204, что значительно меньше і(1).
Формула (2.39) для расчета начального момента времени получена для идеальной несжимаемой жидкости и без учета давления с вдали от канала разряда. С учетом давления к начальный момент времени хг рассчитывается по формуле
Таким образом, учет начального момента времени при расчетах характеристик электровзрывной каверны скажется лишь на начальном этапе развития канала и практически не отразится в конце активной и на пассивной стадиях электровзрыва.
Уравнения динамики электровзрывной каверны допускают аналитическое решение для случая несжимаемой жидкости, когда закон ввода мощности в каверну является степенным, а начальные условия и давление вдали от электровзрывной каверны - нулевыми. При начальных условиях и законе ввода мощности, характерных для подводного электровзрыва, решение уравнений динамики электровзрыва на активной стадии в приближении Кирквуда-Бете аппроксимируется при заданном числе Маха М полиномом четвертой степени от безразмерного времени х [50].
На пассивной стадии электровзрыва существенное влияние на динамику электровзрывной каверны оказывает также внешнее давление, что значительно усложняет задачу аппроксимации решения уравнений динамики электровзрыва. Однако, получив решение для ряда характерных точек в виде многомерной связи, можно получить представление о решении в целом, В качестве характерных точек могут выступать определенные моменты времени или моменты достижения исследуемой величиной экстремальных значений. С другой стороны, практический и теоретический интерес представляют сведения о степе-.., влияния на характеристики активной и пассивной стадий электровзрыва начальных факторов, о количественной оценке степени влияния того или иного фактора по отношению к другим с приданием точного смысла понятиям "значимый" и "пренебрежимый ЧбО, 143].
Решение указанных задач можно осуществить с использованием методов теории планирования экспериментов [35, 36, 97, 122, 1253. Весьма простыми по структуре являются многомерные модели в виде сочетания произведений и суммы парных функций, построенные по методу [363. В дальнейшем будем использовать данный метод построения многомерных моделей с использованием результатов расчетов, проведенных по планам на основе латинских квадратов [1253 для трех интервалов внешнего гидростатического давления Сп. В качестве начальных факторов выступают параметры математической модели динамики электровзрывной каверны (2.19) - (2.22),(2.30).
Интегральные характеристики пассивной стадии электровзрыва
Положительное давление прямоугольной формы является одним из простейших по форме и задается моментом наброса х на развивающуюся каверну, амплитудой Сд и длительностью дх.. В этом случае давление вдали от злектровзрывной каверны принимает вид где хъ - момент окончания действия импульсного давления, причем хъ= х + дх. За начало отсчета времени х принят момент начала разряда.
Ситуация еще больше упрощается, если считать длительность дх больше периода пульсаций электровзрывной каверны. В этом случае во внимание следует принимать два фактора - момент наброса х и амплитуду сд.
Начнем рассмотрение влияния положительного давления прямоугольной формы на динамику электровзрывной каверны с этого простейшего случая. При этом основное внимание уделим характеристикам и и с в первой фазе расширения - охлопывания электровзрывной каверны, определяющим силовые характеристики, генерируемые электровзрывной каЕерной при охлопывании. Решение системы (2.25 -2.30) проведено при к - Ю-2, М = 0.3 для различных моментов наброса положительного давления прямоугольной формы с амплитудой 10 2, 51СГг и I0"1. С увеличением амплитуды с = А/Г с и уменьшением момента наброса х = х /Т (О х 1) уменьшается период пульсации Т =Т/Т (рис. 4.1.)- Зависимости давления в каверне при замыкании с и характеристики от момента наброса х имеют максимум, который достигается в случае совпадения мо-мента наброса с моментом достижения электровзрывной каверной наибольших размеров (рис.4.2, 4.3). Увеличение амплитуды давления на порядок по сравнению с гидростатическим приводит к возрастанию к и с на дв&--- .юрядка, что обуславливает значительное -увеличение силовых характеристик, генерируемых электровзрывной каверной при схлошвании.
При одинаковых значениях с максимальные значения к превышают соответствующие значения с . Если кривые зависимости Се = С (х } приблизительно симметричны относительно оси, прохо-дятцей через их максимум, то кривые зависимости « = и (хр этим свойством не обладают.
Для выяснения совокупного влияния момента наброса, амплитуда и длительности положительного давления прямоугольной формы генерировался .программой полный факторный план вычислительного эксперимента на 60 опытов. Ери этом амплитуда импульсного давления менялась на трех уровнях (с = і, і = (1,5,10)), момент наброса - на пяти уровнях (х = і/6, і = (1,2,3,4,5)), длительность импульса - на четырех уровнях (АХ = 1/10, 1 - (1,2,3, 4)). Результаты расчетов обработаны программой построения многомерных моделей [36]
Первоначально полученные модели (4.2) и (4.3) показывают существенное влияние всех трех аргументов, однако для этих моделей достаточно высока остаточная вариация (табл. 4.I.). Поэтому были получены модели (4.4) - (4.13) от двух аргументов при фиксированном моменте""наброса импульсного давления, для которых характерна тенденция снижения остаточной вариации, увеличение относительного влияния с и снижение относительного влияния АХ с увеличением момента нэброса давления.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для достижения максимальных значений = и с положительным давлением прямоугольной формы необходимо воздействовать в момент достижения электровзрывной каверной максимального обьема. Положительное давление экспоненциальной формы является широко используемой идеализацией импульсного давления [623. В этом случае давление вдали от электровзрывной каверны будет изменяться по закону О, X X К = С + і 00 с С.ехр х - хЛ , X х . -. а (4.14)
Коэффициент в характеризует быстроту спада давления, причем при ft = 0 давление вырождается в давление прямоугольной формы бесконечной длительности, а при ft - со в давление с нулевой длительностью.
Для кп= Ю-2, М = 0.3, Ъ = б, изменяя амплитуду положительного давления экспоненциальной формы на трех уровнях (Сд= і, і = {1,5,10)), момент наброса - на пяти уровнях (х = 1/6, і = {1,2,3,4,5}), параметр ft - на четырех уровнях (ft = 101, I = {0,1,2,3)), сгенерирован программой план полного факторного эксперимента, по которому проведены численные расчеты системы (2.25 -2.30). Модели (4.15) и (4.16) получены для трех аргументов -(ft, с2» і )» а модели (4.17) - (4.26) - для двух аргументов ( , с) при фиксированном значении момента наброса давления х . Для моделей (4.15), (5.16) коэффициент множественной корреляции R 0.8, а остаточная вариация около 50 %, для моделей (4.17) -(4.26) нйблюдается тенденция роста коэффициента множественной корреляции и уменьшения остаточной вариации с увеличением момента наброса х (табл. 4.2).
Анализ результатов расчетов показывает, что характеристики С , к достигают максимальных значений при ft = 0 и моменте наброса х при достижении электровзрывной каверной максимального радиуса.
Давление вдали от электровзрывной каверны для случая внешнего отрицательного давления прямоугольной формы имеет вид (5.1), считая при этом амплитуду давления с отрицательной величиной. При с = Ю г, М = 0.3, b = 6 сгенерирован программой план полного факторного эксперимента, в котором отрицательное давление изменялось на трех уровнях (с = -І/З, і = {1,2,3)), момент наброса - на шести уровнях (х - 1/6, і = (0,1,2,3,4-,5)), длительность импульса - на четырех уровнях (лх = і, і - {1,2,3,4)).
Влияние положительного давления экспоненциальной формы
Расчитывалось в приближении Кирквуда-Бете по системе 2.25-2.29, 3.1, 2.108, 2.98-2.103 пиковое давление в ударных волнах, образующихся при охлопывании электровзрывной каверны в поле внешнего синусоидального давления, для условий по параграфу 5.1.
Средний арифметический период пульсации электровзрывной каверны и его среднее квадратическое отклонение составили соответ-ственно 7.4 и 1.9 мс.
Среднее арифметическое значение ПИКОЕОГО давления в ударных волнах, образующихся при охлопывании электровзрывной каверны, и его среднее квадратическое отклонение составили соответственно 54.9.105 Па и П.6-Ю5 Па.
Расчетное среднее арифметическое значение пикового давления в поле внешнего периодического давления больше экспериментального на 7.0 Ж.
Расхождение расчетных и экспериментальных данных объясняется стохастической природой фазы внешнего периодического давления и отличием реальной формы внешнего периодического давления от синусоиды.
Таким образом, предложенная модель динамики электровзрывной каверны в поле внешнего переменного давления адекватно отражает экспериментально наблюдаемые факты и может быть использована в вычислительных экспериментах при разработке электрогидроимпульс-ных устройств.
Усиление силовых характеристик электровзрыва в жидкости полем внешнего переменного давления может быть использовано для интенсификации процессов электровзрывного диспергирования, приготовления глинистых буровых раствороЕ, эмульгирования, интенсификации химико-технологических процессов.
Приготовление глинистых буровых растворов в основном осуществляется путем механического перемешивания глины с водой. Для активации этого процесса используется ультразвук, электрические и магнитные поля.
Достаточно хорошо изучен и получил промышленное использование злектровзрывной способ приготовления и активации глинистых буровых растворов [31, 32, 59, 89], позволяющий получать малоглинистые буровые растворы с сохранением реологических свойств. Данный способ приготовления глинистых буровых растворов позволя-ляет на (30-50 %) снизить расход глинопорошка, уменьшить содержание твердой фазы в буровом растворе.
Электровзрывная активация глинистых буровых растворов обусловлена протеканием в объекте обработки мощных гидродинамических процессов, влиянием высоковольтных электрических полей и импульсных токов.
Нами проведены экспериментальные исследования электровзрывной активации глинистых буровых растворов в поле внешнего переменного давления звуковой частоты (44.7 Гц), сравнимой с частотой пульсации в жидкой среде злектровзрывной каверны.
.Экспериментальные исследования выполнялись на лабораторной электровзрывной установке, включающей ГИТ, разрядную камеру, описанную в разделе 5.1 при следующих электрических параметрах установки: рабочее напряжение 11=50 кВ, емкость конденсаторной батареи 0=0.49 мкФ, межэлектродный промежуток 1=0.01 м, индуктивность разрядного контура 3.1.Ю-6 Г, частота следования импульсов 5 Гц. Объем обрабатываемого раствора составлял 60 л.
Объектом исследований были выбраны глинистые минералы палы-горскит и бентонит. В качестве дисперсионной среды для приготовления глинистых буровых растворов использовалась техническая вода. Глинистые і растворы заданной концентрации получали перемешиванием глины в воде механической мешалкой до достижения постоянных значений структурно-механических свойств.
Определялись следующие характеристики глинистых буровых растворов: условная вязкость, дисперсность, водоотдача, предельное статическое напряжение сдвига, плотность, толщина глинистой корки [76]. Условная вязкость замерялась на стандартном вискозиметре ВП-5. Дисперсность определялась пипеточным методом. Водоотдача определялась прибором ВМ-6. Предельное статическое напряжение сдвига за I и 10 минут измерялось прибором СКС-2. Плотность бурового раствора определялась ареометром АГ-ЗПМ.
Для получения информации об изменении свойств раствора на него подавалось определенное число импульсов, после чего раствор перемешивался, что позволяло выравнять структурно-механи-ческие свойства по всему объему.
В буровом растворе при электровзрывной активации гидродинамические процессы имеют различную интенсивность в зависимости от параметров поля внешнего синусоидального давления.
