А.Н. Иванов - Гидродинамика развитых кавитационных течений (1163198), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Визуально кавитация смешанной формы воспринимается, как пузырящаяся белесого цвета область вблизи поверхности тела, В отличие от пузырьковой формы в кавитационной области, занятой кавитацией смешанной формы, отдельные пузырьки невозможно обнаружить даже с помощью скоростной киносъемки. На кинокадрах эта область предстает в виде неправильной формы больших пузырчатых образований, находящихся в сильных нестационарных движениях.
Кавитационная область, занимаемая кавитацией смешанной формы, при фотосъемке с большой экспозицией напоминает каверну развитой кавитации (рис. 7). Однако в отличие от развитой формы с помощью скоростной киносъемки, а иногда и визуально обнаруживается нестабильность во времени точек присоединения передней границы этой области к телу и сильные колебания границ кавитационной области. Процессы перехода одной формы кавитации в другую представляют принципиальный и практический интерес, поэтому целесообразно на них остановиться подробнее. Если на поверхности обтекаемого тела нет зон отрыва пограничного слоя, то при наличии в потоке достаточного количества ядер кавитации переход пузырьковой формы в смешанную наблюдается как непрерывный процесс.
Первоначально вблизи поверхности тела в зоне пониженного давления возникает пузырьковая кавитация. Ло мере понижения давления область, заполненная пузырьками, расширяется, а в ее 15 хвостовой части появляется зона кавитации смешанной формы. При дальнейшем понижении давления эта зона расширяется вверх и вниз по потоку. Таким образом, возможны режимы совместного существования пузырьковой и смешанной форм кавитации.
Последняя в дальнейшем может совсем вытеснить пузырьковую кавитацию. Возникновение же развитой формы кавитации следует, повидимому, рассматривать как процесс скачкообразный, ие связанный с постепенным накоплением пузырьковых масс в кавитационной области по мере понижения давления. Моментом перехода смешанной формы кавитации к развитой считается появление в головной части белесой области, занятой смешанной формой в виде узкой прозрачной ленточки (рис.. 8). Рис.
7. Смешанная форма кавитаиии Рис. 8. Развитая форма кавитаини Линия примыкания к телу прозрачной части каверны с течением времени практически не изменяется,.что является одним из главных характерных признаков развитой кавитации. При дальнейшем углублении кавитации каверна не претерпевает существенных ° качественных изменений, а лишь расширяется доля прозрачной части ее границы.
При малом количестве ядер кавитацнн в набегающем потоке развитой кавитации может непосредственно предшествовать пузырьковая. В принципе возможно возникновение кавитации развитой формы, которой не предшествовали режимы пузырьковой и смешанной кавитации. Такая ситуация имеет место тогда, когда из потока .удалены все сравнительно крупные ядра, которые могли бы вызвать появление парогазовых пузырьков. В этом случае для инициирования кавитационного пузыря, соответствующего развитой кавитации, достаточно ввести извне в зону пониженного давления на теле лишь один газовый пузырек, чтобы нарушить прочность жидкости первоначально в одной небольшой области. Под действием растягивающих напряжений в потоке, возникающих при обтекании не охваченных кавитацией участков поверхности тела, пузырек быстро увеличится в объеме, заполняя в первую очередь места пониженного давления, пока не образуется единый устойчивый кавитационный пузырь, соответствующий режиму развитой кавитации.
Явление внезапного возникновения развитой формы кавитации, минуя пузырьковую и смешанную, можно часто наблюдать при испытании тел в гидродинамических трубах с ресорбером, благодаря которому крупные ядра кавитации отсутствуют. При фиксированной скорости потока и постепенном, но сравнительно быстром понижении давления в некоторый момент на теле сразу возникает большая каверна со стационарной передней границей присоединения к тслу. Если в дальнейшем давление повышать, то каверна может исчезнуть внезапно. Переход кавитации развитой формы в смешанную и пузырьковую аналогичен описанному выше, но происходит в обратном порядке. Однако здесь нельзя ожидать полного совпадения условий (статическое давление и скорость набегающего потока), прн которых происходит разграничение между различными формами кавитации, так как возможны явления гистерезисного характера.
При анализе кавитационного обтекания тел важно отметить, что в возникновении и развитии пузырьковой формы кавитации большое значение имеет количество и размеры ядер кавитации в набегающем на тело потоке. При эволюции смешанной формы влияние ядер уже гораздо меньше, а при возникновении кавитации развитой формы и ее дальнейшей эволюции роль ядер кавитации практически ничтожна. Существование развитой формы кавитации определяется главным образом условиями, при которых линия присоединения передней границы каверны к телу будет устойчивой при воздействии возмущений, главными из которых являются турбулентность в потоке, воздействие обратной струйки на границы каверны, вибрация тела и т. п. в 5.
Кавитационное обтекание тел при наличии локальных зон отрыва пограничного слоя Если кривизна контура продольного сечения тела или касательная к нему меняется резко или скачком, то возможно появление отрывов пограничного слоя, локализованных в небольшой по протяженности зоне.
В качестве типичного примера может быть названо обтекание крыла с тонким профилем и острой передней кромкой. При малых углах атаки вдоль передней кромки крыла возникает отрыв пограничного слоя, локализованный в зоне, составляющей сотые доли хорды. За зоной отрыва пограничный слой присоединяется к поверхности крыла, а в самой зоне образуется вихрь с осью, параллельной передней кромке крыла. 17 2 Заказ № 149 Попавшие в вихревую зону ядра кавитации могут там находиться длительное время в условиях пониженного давления и расти за счет диффузии газа из окружающей жидкости.
Прн некоторой величине внешнего статического давления в набегающем потоке ядра достигают видимых размеров, область в районе ядра вихря становится тоже видимой и представляет собой цилиндр с образуюшей, параллельной кромке крыла. С дальнейшим понижением давления сечение этого цилиндра растет, он сплющивается и вытягивается по потоку. Далее стенки кавитацнонной зоны (каверны) становятся прозрачными, а передняя часть ее границы присоединяется к передней кромке крыла. Этот момент можно назвать моментом наступления развитого кавитацнонного течения. По мере дальнейшего понижения давления каверна утолщается и удлиняется.
После достижения хвостом каверны приблизительно середины хорды крыла дальнейший рост каверны сопровождается сильными ее колебаниями. Об этом более детально будет сказано в следующем параграфе. Кавнтацня в вихре, предшествующая кавитации развитой формы, локализована в очень малой зоне вблизи передней кромки и не оказывает заметного влияния на гидро- динамические силы, приложенные к крылу. Совершенно аналогичный характер носит возникновение и развитие кавитации и в том случае, когда у крыла передняя кромка скруглена, но появляется узкий пик пониженных давлений, обусловленный резким изменением радиуса кривизны профиля вблизи передней кромки.
Точно такую же картину возникновения и развития кавитации можно наблюдать в другом типичном случае при продольном обтекании круглого цилиндра с носовой частью в форме полусферы одинакового диаметра с цилиндром. При анализе возможности отрыва пограничного слоя в этом случае не должна вводить в заблуждение экспериментально полученная картина распределения давлений в меридиональном сечении тела, так как предсказать по ней отрыв не представляется возможным. Однако расчет показывает наличие в месте сопряжения полусферы и цилиндра, где радиус кривизны меридионального сечения изменяется скачком от конечной величины до нуля, большого положительного градиента давлений, локализованного в очень узкой зоне.
Теоретически при приближении по полусфере к месту сопряжения градиент растет до бесконечности по логарифмическому закону. Зона образовавшегося там отрыва была изучена с помошью тонких опытов Виджеем Х. Аракери [63). В зоне отрыва вблизи сочленения полусферы с цилиндром так же, как и вблизи передней острой кромки крыла, образуется вихрь, как кольцом охватывающий поперечное сечение тела. Поскольку вихрь занимает сравнительно стационарное положение относительно поверхности тела, в его центре могут 18 скапливаться ядра кавитации, подверженные диффузионному росту.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
