Cтраница 2
Теория струй идеальной жидкости позволяет также решать задачи кавитационного обтекания тел с образованием присоединенных каверн. [16]
Экспериментальные исследования зоны разрушения, о которых говорилось в предыдущем разделе [33, 34], дополняют исследование механики присоединенных каверн, результаты которого были изложены в гл. Они были выполнены с целью найти связь между положением и протяженностью зоны разрушения и фазами цикла присоединенной каверны с помощью высокоскоростной киносъемки. При этом модель, обычно полностью изготовляемая из нержавеющей стали, содержала вставку из мягкого алюминия, расположенную непосредственно за точкой возникновения кавитации. Алюминиевые вставки имели разную длину, но все они были значительно длиннее каверны, наблюдаемой в каждом конкретном случае. [17]
При изменении скорости механика каверны, по-видимому, существенно изменяется, поэтому еще одному важному случаю, когда присоединенная каверна не имеет явно выраженного цикла, можно дать другое объяснение. Явно выраженная цикличность с заполнением почти всей каверны в каждом цикле связана, по-видимому, с более высокими скоростями течения в этих экспериментах, превышающими 15 м / с. При меньших скоростях течение становится более устойчивым и обеспечивает более равномерный унос жидкости из конца каверны. [18]
Уровень шума при данной скорости течения падает больше, чем на порядок при переходе от стадии возникновения к стадии полностью развитой присоединенной каверны. [19]
Приведенные в табл. 8.1 расчетные размеры каверн ( пузырьков), образующих впадины, гораздо больше средних размеров каверн, наблюдаемых вблизи границы раздела присоединенной каверны и основного потока. В связи с этим естественно предположить, что между разрушающей способностью больших и малых пузырьков существует значительная разница. [20]
Обычно стационарные гидродинамические характеристики тел, свободно движущихся в жидкости, можно удовлетворительно исследовать в универсальных гидродинамических трубах или в трубах со свободной поверхностью. Напротив, нестационарные присоединенные каверны, образующиеся за телами, пересекающими поверхность раздела жидкости и газообразной атмосферы, имеют особые нестационарные характеристики, рассматриваемые в гл. В процессе образования такие каверны заполнены газом. Они могут оставаться заполненными газом в течение всего времени существования или превращаются в паровые каверны перед тем, как исчезнуть, в зависимости от изменения скорости с глубиной на последних стадиях подводного движения. Более того, траектория тела зависит от соотношения гидродинамических сил и ориентации тела в различные моменты времени. При самом прямом методе исследования этой задачи тело выстреливают в газообразной атмосфере над поверхностью раздела с соответствующей скоростью, углом наклона траектории и ориентацией и наблюдают за его движением и поведением каверны. Для исследования на уменьшенных моделях может потребоваться также моделирование атмосферного давления с помощью газов, отличающихся от воздуха ( разд. Такие эксперименты проводятся в баллистической камере с регулируемой атмосферой. [21]
Иногда наблюдаются колебания, при которых присоединенная каверна сначала растет, а затем схлопывается вследствие захвата жидкости и последующего заполнения каверны с конца зоны кавитации. Максимальная длина присоединенной каверны зависит от поля давления. Каверна может заканчиваться в точке присоединения основного потока жидкости к поверхности тела на некотором расстоянии от передней кромки каверны ( линии отрыва) или может простираться далеко за пределы тела до смыкания основного потока с образованием полости, охватывающей тело. В последнем случае кавитацию называют суперкавитацией. [22]
Если длина паровой или газовой каверны становится очень большой по сравнению с размерами тела, то ее называют суперкаверной. Суперкаверны образуются 1) вследствие роста присоединенной каверны или 2) вследствие вытеснения жидкости из гидродинамического следа за счет развития паровой кавитации, как в примерах, описанных в предыдущем разделе, или за счет подвода газа в области низкого давления в следе. При вдуве газа число кавитации уменьшается при неизменной скорости и абсолютном давлении. Это следует из формулы (2.3), где. Сь - число кавитации, выраженное в более общем виде через давление в пузырьке, а не через давление насыщенного пара. Каверны, поддерживаемые за счет подвода газа, называются вентилируемыми. Если в каверну подводится слишком много газа, то она может стать неустойчивой. В этом случае на ее поверхности возникают волны, и она пульсирует по длине и ширине. Другими словами, вентилируемые и паровые каверны, по-видимому, имеют много общего и обе по мере роста становятся более устойчивыми, чем более короткие присоединенные каверны. [23]
Поверхность каверны может быть прозрачной, как стекло. В этом случае, как и в случае присоединенной каверны, которая замыкается на твердой границе, наблюдаются значительные возмущения в конце каверны, где течение, по-видимому, неустойчиво. Длина каверны колеблется с довольно высокой частотой вследствие неустойчивости и недостаточной энергии струи жидкости, заполняющей каверну в ее нижнем по потоку конце, что может привести к возникновению больших пульсирующих нагрузок. [24]
Она имеет общие свойства с полностью развитой каверной. На обеих фигурах ( 5.1 и 5.2) показаны присоединенные каверны на поверхности погруженных в жидкость тел. [25]
Другим типичным примером вихревой кавитации может служить кавитация, наблюдаемая за направляющими пирсового гасителя волн при открытом водосбросе. Вихревая кавитация в зонах отрыва потока от тупых тел может быть предварительной стадией образования присоединенной каверны. Она может также возникать на границе затопленных струй. Кавитация этого типа развивается также в областях, где имеются большие поперечные градиенты скорости, достаточные для поддержания вихрей, в ядре которых абсолютное давление падает до критической величины, обычно приблизительно равной давлению насыщенного пара. Вихревая каверна может существовать более продолжительное время, чем перемещающаяся каверна, так как вихрь создает момент количества движения, который увеличивает время существования каверны даже в том случае, когда масса жидкости перемещается в зону с более высоким давлением. [26]
Экспериментальные исследования зоны разрушения, о которых говорилось в предыдущем разделе [33, 34], дополняют исследование механики присоединенных каверн, результаты которого были изложены в гл. Они были выполнены с целью найти связь между положением и протяженностью зоны разрушения и фазами цикла присоединенной каверны с помощью высокоскоростной киносъемки. При этом модель, обычно полностью изготовляемая из нержавеющей стали, содержала вставку из мягкого алюминия, расположенную непосредственно за точкой возникновения кавитации. Алюминиевые вставки имели разную длину, но все они были значительно длиннее каверны, наблюдаемой в каждом конкретном случае. [27]
Каверна, возникшая в ядре вихря, может заметно изменить энергию вихревой системы, если она достаточно велика, и изменяет течение вращающейся массы жидкости в этом вихре. Так как в большинстве случаев вихри сходят с твердых границ в жидкость, любые изменения, вызванные кавитацией, могут не оказывать влияния на распределение давления. Однако в некоторых случаях присоединенные каверны образуются в зонах интенсивного вихревого движения около направляющих поверхностей, например на поверхностях лопастей в окрестности кромок гребных винтов и рабочих колес осевых насосов. В таких случаях могут формироваться струйные возвратные течения с вращательными составляющими местного течения и линейными составляющими основного течения. Это приводит к изменению скорости и распределения давления на направляющих поверхностях, а также к изменению сопротивления и соответствующим потерям энергии. [28]
Влияние развития каверны конечного размера на гидрокрыло аналогично ее влиянию на криволинейный канал. Оно изменяет эффективную форму гидрокрыла и, следовательно, распределение давления. Вследствие развития кавитации минимальное давление на поверхности с присоединенной каверной ограничивается величиной давления насыщенного пара. Поскольку две стороны гидрокрыла не являются независимыми друг от друга, развитие каверны конечного размера на одной из них будет влиять на распределение давления на другой. Суммарное влияние каверны, присоединенной к верхней ( низкое давление) поверхности, обычно сводится к уменьшению циркуляции и, следовательно, к уменьшению подъемной силы. [29]
Как отмечалось в разд. Было показано, что в случае двумерных течений жидкости в условиях невесомости при ускоренном движении тела с каверной или, наоборот, при обтекании неподвижного тела с каверной ускоряющимся потоком могут образоваться замкнутые каверны конечных размеров без обратной струи. Карман [ 89а ] получил решение для двумерного ускоряющегося течения около неподвижной пластины с присоединенной каверной конечных размеров постоянной формы. [30]