Cтраница 3
Фиктивная преграда, расположенная вниз по потоку, не соответствует условиям в реальном течении, однако позволяет получить удивительно точные результаты для формы передней части каверны и сопротивления. Эта модель соответствует реальным течениям, так как мы уже видели, что в случае присоединенных каверн образуется возвратное течение. Однако, за исключением передней части длинных каверн, где равновесие поддерживается благодаря тому, что жидкость, приносимая в каверну обратной струей, непрерывно уносится из нее, как только коснется стенок каверны, такие каверны нестационарны и пульсируют. Следовательно, чтобы эта модель описывала стационарное течение, необходимо учитывать процесс уноса жидкости из каверны. [31]
В некоторых случаях разрушенные участки поверхности восстанавливают таким образом, чтобы наплавляемый материал выступал над первоначальным контуром поверхности. По-видимому, это делается главным образом не для того, чтобы увеличить толщину покрытия, а для того, чтобы изменить кривизну поверхности таким образом, чтобы ее профиль совпал с верхней границей каверны, исходя из предположения, что присутствие кавитации свидетельствует о недостаточной толщине конструкции, и тогда возможно в данном месте не будет ни каверны, ни разрушения. По-видимому, такой способ восстановления поверхности следует применять с большой осторожностью либо вообще отказаться от него. Если образуется присоединенная каверна обычного типа, то часть поверхности, на которой происходит отрыв потока, находится не в зоне разрушения, а выше по потоку от нее, а сама зона разрушения будет расположена в области высокого давления. Если зона разрушения простирается вверх и вниз по течению от конца каверны, то возможно, что наращивание толщины материала на этом участке выше контура первоначальной поверхности может увеличить опасность кавитации в бескавитационных условиях работы. [32]
Таким образом, возникает вопрос о механизме потерь энергии в условиях перемещающейся кавитации, так как в этом случае отсутствует возвратное течение, позволяющее объяснить эти потери. Согласно простейшей гипотезе, объем каверн, образующихся в единицу времени, одинаков в обоих случаях и работа, затраченная системой на образование этих каверн, одинакова независимо от типа кавитации. Часть этой работы, которая не возвращается в систему, представляет потери энергии. В случае присоединенных каверн эти потери определяются влиянием вязкого трения в процессе смешения, вызванном возвратным течением. В случае перемещающейся кавитации энергия, требуемая для создания радиального течения около каждой пульсирующей каверны, не полностью возвращается в основной поток, а частично рассеивается вследствие вязкого трения и расходуется на образование сферических ударных волн. [33]
Суперкавитационные течения за диском с острыми кромками показаны на фиг. На эти течения оказывает влияние сила тяжести. Как и в случае присоединенных каверн, основные особенности суперкавитационного течения около тела заданной формы зависят от числа кавитации К, а также от числа Фруда, если необходимо учитывать силу тяжести. [34]
Основными факторами, влияющими на возникновение и последующее развитие кавитации в потоках жидкости, являются форма границ течения, параметры течения ( абсолютное давление и скорость) и критическое давление ркр, при котором могут образовываться пузырьки или возникать каверны. Однако, как показано в следующих главах, на зависимость критического давления от формы границ, давления и скорости могут существенно влиять другие факторы. К ним относятся свойства жидкости ( например, вязкость, поверхностное натяжение, параметры, характеризующие испарение), любые твердые или газообразные примеси, которые могут быть взвешенными или растворенными в жидкости, и состояние граничных поверхностей, включая их чистоту и трещины, в которых могут находиться нерастворенные газы. Кроме динамики течения для больших перемещающихся или присоединенных каверн существенное значение имеют градиенты давления, обусловленные силами тяжести. Наконец, физические размеры границ течения могут оказывать существенное влияние не только на размеры каверн, но и на зависимость от некоторых параметров основного течения и течения в пограничном слое. При выводе критерия подобия невозможно учесть все эти факторы. Поэтому обычно на практике используют основной параметр, выведенный из элементарных условий подобия, и учитывают влияние других факторов как отклонения от основного закона подобия. [35]
На исследуемом теле с относительно большими отрицательными градиентами давления на поверхности кавитация возникает в виде очень тонкой белой линии, перпендикулярной направлению потока. Кажется, что эта линия не имеет толщины, что не удивительно, поскольку ее ширина приближается к пределу разрешающей способности человеческого глаза, а ее толщина, вероятно, намного меньше. Такую четкую зону возникновения кавитации легко получить на цилиндрическом теле диаметром 50 8 мм или более с полусферической носовой частью при скоростях потока 15 2 м / с и более. Возникновение кавитации в этих условиях выглядит как предельный случай возникновения присоединенной каверны, однако при большом увеличении удается заметить, что она состоит из множества мельчайших нестационарных каверн с чрезвычайно коротким временем существования. [36]
Приведенные фотографии являются, кроме того, хорошими иллюстрациями характерного различия во внешнем виде присоединенных и перемещающихся каверн. Так, все каверны, образующиеся на нижней поверхности, являются присоединенными. На верхней поверхности при углах атаки до 4 сначала преобладают перемещающиеся каверны. При небольшом значении / С перемещающиеся каверны как бы проникают через поверхность присоединенных каверн. При больших углах атаки перемещающиеся каверны становятся все менее существенными. Частичное объяснение появления этих двух различных типов кавитации состоит в том, что на верхней поверхности ( поверхности низкого давления) в окрестности начала каверны градиент давления при небольших углах атаки относительно невелик. Однако при больших углах атаки этой поверхности и углах атаки, при которых кавитация развивается на нижней поверхности крыла ( поверхности высокого давления), градиент давления в соответствующей зоне велик. [37]
Во-первых, разрушающее действие кавитации в потоках жидкостей проявляется обычно при условиях, отличающихся от условий ее возникновения. Во-вторых, разрушение связано с зоной схлопывания. Оба эти вывода приводят к мысли о пользе тщательного изучения разрушения, вызываемого присоединенными кавернами. Этому вопросу посвящено несколько следующих разделов данной главы. [38]
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. На этих кинограммах каверны ( пузырьки) располагаются очень плотно, полностью покрывая поверхность присоединенной каверны. Их средний диаметр - 635 мк, а средняя скорость несколько больше скорости набегающего потока. Согласно результатам проведенных измерений, за 1 ев зону торможения сносится около 0 7 106 каверн в расчете на 1 см окружности испытываемого образца. [39]
Кавитация может влиять на сопротивление формы вследствие изменения течения около погруженного тела, вызывающего изменение распределения давления и проекции сил, действующих на тело в направлении течения. Одно из проявлений такого влияния состоит в том, что слабая кавитация, например, сразу же после ее возникновения может вызвать переход ламинарного пограничного слоя на плохо обтекаемом теле в турбулентное и смещение точки отрыва пограничного слоя. Другое проявление влияния кавитации заключается в том, что большая зона кавитации, например, на теле, образующая которого совпадает с линией тока, непосредственно изменяет линии тока основного течения как вследствие смещения линий тока при высокой концентрации перемещающихся каверн, так и вследствие образования присоединенной каверны. [40]
В замкнутой рабочей части основные потери обусловлены трением на стенках, хотя в рабочих частях всех типов некоторое количество энергии необратимо теряется при формировании профиля скорости. Большинство замкнутых рабочих частей имеет цилиндрическую форму. В таких рабочих частях давление не может быть постоянным по длине, поскольку вследствие трения оно непрерывно падает от входного сечения до выходного. Это нежелательно для кавитационных исследований, поскольку значение числа К для потока не постоянно по длине рабочей части, а уменьшается в направлении течения. Поэтому достаточно длинная присоединенная каверна в такой рабочей части будет несколько отличаться по форме от каверны, образующейся при постоянном значении К - Если падение давления мало, это отличие может быть несущественным. [41]
Согласно экспериментальным исследованиям, о которых говорилось в разд. Поэтому, если эти факторы постоянны, в конце присоединенной каверны в единицу времени будет схлопываться одинаковое количество пузырьков независимо от ее длины. Поскольку впадины распределяются по большей площади в случае более длинной каверны, следует ожидать, что их максимальная плотность с увеличением длины каверны будет уменьшаться, а общее число останется неизменным. Это, конечно, всего лишь грубая модель явления. [42]
Подробные сведения о кавитационном разрушении при вихревой кавитации отсутствуют. Действительно, если степень развития этой кавитации достаточно велика, с выходных кромок лопастей могут сходить свободные кавитационные вихри, которые можно наблюдать на больших расстояниях за выходными каналами. Однако было замечено также, что кавитация в зазоре у концов лопастей производит разрушение лопасти со стороны низкого давления на небольшом радиальном расстоянии от конца. Можно предположить, что в этих местах поверхность лопасти пересекается с концевым вихрем. В этих условиях течение имеет все основные особенности течения с присоединенной каверной. Зона разрушения появляется в ожидаемом месте. Вероятно, нечто похожее может происходить и в выходных каналах, если ядро свободного вихря взаимодействует со стенками каналов машины. [43]
Таким образом, свободная поверхность всегда является выпуклой со стороны жидкости. Предельное значение / С, при котором восстанавливающая сила отсутствует, достигается там, где давление в жидкости по любому боковому направлению со стороны кавитационной поверхности равно давлению в каверне; следовательно, каждая частица жидкости движется по прямой линии и каверна простирается до бесконечности. Поэтому для течения при таком предельном значении К понятие направляющей поверхности не имеет смысла. Можно построить бескавитационную направляющую поверхность для любого значения / О В потоке с присоединенной каверной свободная поверхность, действительно, является направляющей поверхностью. Если каверну заполнить твердым веществом, то течение должно остаться неизмененным и новая твердая поверхность должна быть бескавитационной. На практике это утверждение требует двух уточнений. Во-первых, на поверхности раздела каверны трение практически отсутствует, и если каверну заполнить твердым веществом, то появится поверхностное трение, которое несколько изменит течение. Однако это влияние довольно мало и обусловленное им изменение течения не должно вызывать кавитацию. Второе уточнение относится к условиям в конце кавитационной зоны. В присоединенной каверне возникает новое явление - возвратное течение. Бескави-тационная твердая граничная поверхность не должна воспроизводить эту область течения и должна быть направлена таким образом, чтобы обеспечить поворот потока параллельно поверхности, расположенной ниже по потоку. [44]
В этом случае горизонтальная скорость велика и поэтому время воздействия силы тяжести слишком мало, чтобы вызвать заметное вертикальное движение жидкости. Динамика каверны в этих двух случаях совершенно различна. В случае малого числа Фруда форма каверны сохраняется неизменной. Не возникает ни возвратного течения в каверну, ни колебаний. В случае большого числа Фруда наблюдается нормальный цикл роста, заполнения и разрушения, свойственный присоединенной каверне. Весьма вероятно, что таких различий вполне достаточно для изменения эксплуатационных характеристик оборудования. Этот простой пример показывает, что модели необходимо испытывать при числе Фруда натурного объекта, если оно мало и вероятная длина кавитационной зоны достаточна велика, чтобы силы тяжести могли оказать заметное возмущающее воздействие на форму каверны. [45]