А.Н. Иванов - Гидродинамика развитых кавитационных течений (1163198), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

При обтекании препятствий малого размера образуются каверны, кривизна границ которых может оказаться весьма большой. Прн моделировании таких течений нельзя пренебрегать капиллярными силами, поэтому необходимо учитывать безразмерный параметр — число Вебера Юе= (1.3) грвз где т~ — коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Капиллярность имеет существенное значение и в случае (см. гл.

Ч1) обтекания жидкостью тел с плавными обводами в режиме развитой кавитации, когда положение точек отрыва каверны при тех же прочих условиях существенным образом зависит от краевого угла. Краевым углом р в точке раздела трех фаз (твердой, жидкой и газообразной) называется угол между внешней нормалью к смоченной поверхности тела и нормалью к поверхности раздела газ — жидкость, направленной в сторону газа. От величины краевого угла зависят и, другие важные параметры кавитации — размеры каверны и величина числа кавитации, при котором возникает ее развитая форма. Таким образом, краевой угол сам по себе должен быть включен в число безразмерных параметров при изучении кавитационных течений. Менее ясна роль в вопросах моделирования кавитации числа Рейнольдса е г Ке= —" э (1.4) где т — кинематический коэффициент вязкости.

Влияние на кавитационные влечения пограничного слоя, основным безразмерным параметром при моделировании которого является число Рейнольдса, может сказаться двояко — привести к изменению давлений вблизи поверхности тела или к возникновению пульсаций скоростей'и давлений в пограничном слое. При обтеканйи жидкостью тел с плавными обводами без отрыва пограничного слоя при реально имеющих место скоростях потока и размерах тел, влияние числа Рейнольдса,' повидимому, несущественно. Однако несомненно его существенное влияние на величину и характер давлений, возникающих в зонах местного (локального) и развитого отрыва пограничного слоя, Влияние пульсаций в пограничном слое, по-видимому, может иметь существенное значение при рассмотрении вопроса возникновения кавитации в зоне перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный.

Многочисленными экспериментами установлена большая роль ядер кавитации' не только при возникновении кавитации, но и, в определенной степени, при ее развитии. Однако вопросы моделирования и составления безразмерного критерия с учетом сказанного пока неясны. Тем не менее при анализе экспериментальных данных эти факторы всегда необходимо иметь в виду. 10 в 4.

Кавитационное обтекание тел в отсутствие отрыва пограничного слоя Если распределение давления по контуру продольного сечения тела достаточно плавное, без участков с большими положительными градиентами давления, то отрыва пограничного слоя не будет. На рис. 2 изображены схематически контур продольного сечения тела и соответствующая ему эпюра распре- — ( — Р— Р деления коэффициента давления р(х) ~Р=,, где Р— статическое давление в точке тела, определяемой абсциссой х. При обычных скоростях обтекания, размерах моделей, испытываемых в кавитационных и гидродинамических трубах, и соответствующих натурных конструкциях диффузионный рост ядер, находящихся в набегаю- щем потоке и попадающих вблизи поверхности тела на непродолжительное время в зону пониженного давления, мало вероятен.

Если же ядра находятся в микрояорах поверхности тела, время их пребывания в зоне пониженного давления может быть достаточно большим, и тогдапоявитсявозможность диффузионного роста. Рис. 2. Эиюра раеирелелении ланле- нии на теле В этом случае в зависимости от величины давления вблизи его минимума, скорости потока, количества растворенного в жидкости газа и других факторов эволюция пузырьков, выросших из ядер, будет проходить двумя различными путями.

В одном случае пузырьки за счет диффузии могут вырасти до значительных размеров, сопоставимых с толщиной пограничного слоя. При этом статическое давление в зоне расположения пузырьков может быть не настолько низким, чтобы вызвать их взрывоподобный рост. Такие большие пузырьки под действием архимедовых сил и потока оторвутся от поверхности тела и покинут его пределы. В другом случае, когда давление достаточно низко, могут потерять устойчивость пузырьки, выросшие вследствие диффузии до сравнительно малых размеров.

Они не успеют оторваться от поверхности тела и после потери устойчивости за очень короткое время вырастут до заметных размеров. На этапе быстрого роста пузырек заполняется преимущественно паром за счет испарения окружающей жидкости, поэтому такую кавитацию называют паровой. !! В дальнейшем будет рассмотрен только наиболее интересный случай кавитацнн, возникающей вследствие роста ядер, содержащихся в набегающем потоке. Итак, пока величина давления в зоне минимума не понизится настолько, чтобы самые крупные ядра потеряли устойчивость, паровая кавитация не возникнет. Здесь следует заметить, что термины «начало кавитации», «возникновение кавитации» или, как иногда говорят, «порог кавитации» условны, поскольку обнаружение начальных стадий кавитации существенным образом зависит от способа ее регистрации (визуальный, инструментальный). В принципе мыслимы условия, при которых ядро может потерять устойчивость, ':«вырасти за очень короткое время до максимального размера и не быть обнаруженным визуально.

Это возможно тогда, когда указанный максимальный размер выросшего пузырька окажется достаточно малым. Вместе 'с тем, процесс роста ядра вследствие потери устойчивости может квалифицироваться как паровая кавнтацня, которая может быть обнаружена инструментальными методами, например, с помощью акустических измерений звука, излучаемого пузырьком при быРис. 3. Расположение пузырь стрых изменениях его объема. ков вблизи поверхности крыла В дальнейшем, как зто было обусловлено выше, речь будет идти только о кавитации, регистрируемой визуальным способом без применения оптических, акустических или других инструментов. При понижении давления в зоне минимума до некоторой критической величины самые крупные ядра, попадающие в эту зону, теряют устойчивость, вырастают до больших размеров и легко регистрируются визуально.

Каверны, выросшие из ядер, сносятся потоком в хвостовую часть тела, где давление повышается. В зоне повышенного давления каверны схлопываются, производя характерный сильный треск. В стадии расширения каверны имеют форму, близкую к сферической. Крупные каверны при схлопывании могут терять сферическую форму и дробиться на мелкие части, На рис. 3 показаны пузырьки в стадии роста, образовавшиеся вблизи поверхности крыла, находящегося в рабочем участке кавитационной трубы. На этом рисунке, а также на рис. 4, 5 набегающий поток направлен слева направо, а передняя кромка крыла затемнена и находится непосоедственно слева от хорошо ви- !2 димой вертикальной светлой полосы, простирающейся вдоль размаха крыла. Если насыщение потока ядрами кавитации невелико, то первые единичные каверны вблизи поверхности тела образуются редко — через значительные промежутки времени По мере понижения давления начинают вырастать каверны из все более мелких ядер, и на поверхности тела может существовать одновременно уже значительное количество каверн в разных стадиях развития и схлопывания.

На рис. 4, а представлена более глубокая стадия развития кавитации по сравнению с кавитацией, показанной на рис. 3. Рис. 4. Кааитаиия иа крыле При дальнейшем понижении давления каверны заполняют значительную область вблизи тела, средняя их плотность в которой становится значительно меньше плотности жидкости. Отдельные каверны (пузырьки) уже трудноразличимы (рис. 4, 6). Последний этап развития кавитации связан с образованием так называемой присоединенной каверны (38). В своей выраженной форме течение с присоединенной каверной существенно отличается от течений, характерных для описанных выше стадий кавитации.

На теле образуется единый кавитационный пузырь, границы которого при достаточно глубокой стадии кавитации на большей своей протяженности стабильны во времени, прозрачны и напоминают стенки стеклянного сосуда, наполненного воздухом и опущенного в воду.

Основной отличительной чертой присоединенной каверны является примыкание передней ее границы к телу в фиксированных точках, положение которых со временем практически не меняется. В хвостовой части каверны могут наблюдаться сильные нестационарные движения. Пузырь, как и каверна, образованная путем роста отдельного ядра кавитации, заполнен газом и паром жидкости. !3 Внутрь каверны через обратную струйку, образующуюся в хвостовой части, пульсациями поступают порции жидкости нз внешнего потока. Эта струйка направлена навстречу основному потоку, внутри каверны она дробится, визуально напоминая Рис.

о. Присоединеинвя кввернв пенно-брызговую массу, попадает на гранйцы каверны и вновь поступает в поток, обтекающий каверну. На рис. 5 показана присоединенная каверна, а на рис. 6 схематически изображены Рис. К Схема течения, соответствующего присоеди- ненной каверне граница каверны, линии тока и обратная струйка в некоторый момент времени. Течение с присоединенной каверной очень близко к теоретической модели развитого кавитационного течения, поэтому может быть названо развитым или отрывным кавитационным течением, как его часто называют в отечественной литературе [231 (в дальнейшем будет употребляться термин «развитое кавитационное течение»). На приведенном примере кавитацнонного обтекания тела с плавным распределением давления вдоль контура продольного сечения прослежена смена трех форм кавитации — пузырьковой, смешанной и развитой, определение которых дано ниже.

Кавитацию, когда в кавитационной области различимы (визуально или, например, в результате скоростной киносъемки) отдельные каверны в виде пузырьков, условимся называть пузырьковой. Кавитацию, когда на теле образуется единый кавитационный пузырь с фиксированными точками присоединения его передней границы к телу, положение которых не меняется с течением времени, условимся называть развитой.

Смешанная форма кавитации — термин сугубо условный. Эта форма пока слабо изучена и не представляется возможным выделить определенные ее признаки. Смешанной формой, а может быть, точнее, смешанными формами кавитации, можно считать все ее формы, не подходящие под определение пузырьковой и развитой кавитации. Последние более точно будут охарактеризованы в $9 и 10. Часто кавитационные пузырьки наблюдают в потоке вблизи зоны развитой и смешанной кавитации. В этом случае пузырьковая кавитация существует совместно с двумя последними.

Характеристики

Список файлов книги