В.В. Рождественский - Кавитация (1163223), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Цбл; и =. 8', Р =- 16,4 к/с. Вторая форма кавитации представляет собой полый шнур, тянущийся вдоль входящей кромки на некотором расстояния от нее, и возникает на профилях с острым носиком, а также иа нагнетающей стороне изогнутых профилей. Кавитация в вихревых шнурах, сбегакхцих с крыла конечного размаха (вихревая), представляет собой в сущности капитанию в следе за крылом. Прп достаточном разряжении в центре вихревого шнура нерастворимые пузырьки воздуха, попадая туда, начинают интенсивно расти (первая фаза).
Когда давление в центре вихревого шнура достигает значения, близкого к упругости паров воды, происходит разрыв жидкости и образуются сплошные полости, тянущиеся иа некотором расстоянии за крылом (вторая фаза). На рис. 2 приведена фотография кавнтпрующего зллиптнческо~о крыла с вихревыми шнурами. Прн развитой кавитацни каверна имеет внд прозрачной полости, замыкающейся на теле (частичная кавнтацня) или оканчивающейся за телом (суперкавптация). В районе замыкания каверны образуется струйка, которая, попадая в полость каверны, 8 вызывает разрушение ее хвостовой части н образование за кавер- ной следа, содержащего пузырьки пара и газа. За один из основных параметров, характеризующих кавитацию, принимают число кавитации Р Р, М= Рг'„ 2 где Р , 1' — давление и скорость потока на бесконечности; Р„ — давление в каверне; р — — плотность жидкости.
Описанная выше кавитацня называется естественной, так как ее возникновение связано с разрывом жидкости, обусловленным изменением характеристик поля скоростей и давлений. Если в какую-либо разреженную область жидкости подавать воздух или иной газ, то возникает явление, называемое искусственной кавитацней (вентиляцией). Искусственную кавитацню можно создавать на телах различных форм: на крыльях, телах вращения, гребных винтах. Вследствие образования искусственных каверн (воздушных полостей) изменяются поле давления на теле и гидродинамическне силы, действующие на тело. Например, при вдувании воздуха на поверхности крыла изменяются его подъемная сила, момент, лобовое сопротивление.
Для создания на теле области разрежения предусматривают местные конструктивные изменения формы тела — выступы, или кавнтаторы. Вдувание воздуха используют в лабораторных условиях для исследования физических процессов, характеризующих кавитацию, так как для получения естественной кавитацин необходимы весьма большие скорости потока жидкости, обтекающей тело, а искусственную кавитацню можно получить при сравнительно малых скоростях потока.
При развитой искусственной навигации каверна имеет вид прозрачной пленки, которая в хвостовой части либо сворачивается в две вихревые трубки, либо заканчивается обратной струйкой жидкости. Кемпбел н Хильборн 176) предчожили критерий перехода от одной формы образования хвостовой части каверны за диском к другой: при н ) 1/Ег хвостовая часть каверны сворачивается в два вихревых жгута; при х ( 1/Гг каверна заканчивается обратной струйкой, здесь х — число кавитацин; гг — — число Фруда по диаметру диска. Из формулы, характеризующей число кавитацни, видно, что для получения одного и того же числа кавнтацин нужно либо увеличить скорость потока (знаменатель), либо увеличить давление р„путем вдувания газа (уменьшить числитель).
Последний путь прн проведении эксперимента оказывается значительно дешевле, так как не требует создания высокоскоростных установок. 9 Впервые с явлением кавитации в судостроении встретились в 1894 г, при испытании английского миноносца «Дэринг». На режимах полного хода гребной винт резко изменял свои характеристики, что приводило к падению скорости. Тогда же по совету В. Фруда был введен термин «кавитация». Известно также, что примерно в то же время Рейнольдс исследовал возможность разрыва жидкости в трубках с пережатием.
Примерно до 40-х годов ХХ в. развитие исследований кавитации гребных винтов и насосов шло очень медленно в связи с трудностью создания экспериментальных лабораторных установок, обеспечивающих большие скорости движения жидкости. Кавитация рассматривалась только как вредное явление, сопровождаемое шумом, вибрацией, эрозией и падением упора гребного винта. В 1939 г. В.
Л. Поздюнин выдвинул идею создания суперкавитирующего гребного винта: улучшения характеристик профилей лопасти, а также винта в целом путем использования развитой кавитации. Так выявилась положительная сторона кавитации, а понятие о ней было значительно расширено. Появилась необходимость в разработке теоретических методов расчета суперкавитирующих профилей. В качестве расчетных стали использовать разработанные еще ранее методы теории струи идеальной жидкости Кирхгоффа, Гельмгольца, Вагнера, Н.
Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, М. А. Лаврентьева, Л. И. Седова и др.) применительно к известным схемам плоских кавитационных течений. В дальнейшем были предложены новые схемы плоских кавитационных течений, достаточно хорошо отражающие физическую картину явления. Так, в 1944 г. Д. А. Эфросом была предложена схема обтекания с обратной струйкой, значительно позже, в 1965 г., М. Тулиным предложены две схемы кавитационного обтекания (односпиральные и двухспиральные вихри). Решение нелинейных задач кавитационного обтекания было связано с вычислительными трудностями. Большой вклад в теорию плоских кавитационных течений внес М.
Тулин: в 1956 г. он разработал теорию линейного приближения и свел задачу о кавитирующем профиле к задаче об обтекании некавитирующего профиля, что значительно упростило численные расчеты. А. Н. Иванов в 1962 — 1965 гг. предложил использовать метод особенностей (источников, стоков, вихрей) для решения плоских задач кавитациоипого обтекания, а в дальнейшем применил этот метод для решения пространственных задач. В 1944 г. Рейхардтом и независимо от него Л. А. Эпштейном были начаты экспериментальные исследования искусственной (воздушной) кавитации на дисках и телах различной формы.
Позднее аналогичные эксперименты были выполнены Клайденом и Коксом. В исследования искусственных кавитационных течений внесли вклад советские ученые Л. А. Эпштейн, Г. В. Логвинович, 10 А. Ф. Болотин; их работы в значительной степени раскрыли физические процессы, характеризующие явление кавитации, и позволили установить ряд закономерностей. В связи с применением искусственной кавитации для улучшения гидродинамических качеств быстроходных судов появился ряд экспериментальных и теоретических работ в этой области. В работах М.
Тулина, Ларока, Стрита, М. А. Басина и других получены решения задач о стационарном кавитационном обтекании крыла вблизи свободной поверхности. А. А. Бутузовым была разработана теория определения параметров искусственных каверн, образованных под пластиной, основанная на использовании метода особенностей. Согласно этой теории задача сводится к приближенному решению интегродифференциальных уравнений. А.
А. Бутузов провел большую серию лабораторных и натурных экспериментов. Одновременно с этим рядом авторов были проведены исследования поля давлений, а также характеристик пограничного слоя вдоль кавитатора, вдоль каверны и .на пластине за каверной. Движение подводных крыльев имеет неустановившийся характер: ускоренное и замедленное — на режимах разгона и торможения судна, в условиях волнения. В связи с этим ряд ученых в СССР и за рубежом начал разрабатывать теорию расчета не- стационарных кавитационных течений. Линейное приближение этой задачи с помощью метода потенциала ускорения было исследовано в 1965 г.
Сонгом и в дальнейшем развито в работах М. А. Басина, А. В. Шалларя. Ряд задач нестационарных кавитациоиных течений был решен в работах А. В. Кузнецова. Развитие вычислительной техники позволило значительно расширить возможности решения задач кавитационного обтекания, особенно осесимметричных и пространственных. Следует отметить работу Бреннена, использовавшего для расчета осесимметричного кавитационного течения в ограниченном потоке метод конечных рааностей, и работы А. Н.
Иванова, сводящие задачу к двум интегральным уравнениям, решение которых выполняется численными методами. Представляют интерес также работы Л. Г. Гузевского, в которых предлагается численный метод расчета осесимметричных течений, со свободными границами при использовании сплайн-функций. Если теоретические методы решения задач о развитых кавитационных течениях быстро совершенствуются, то теоретические методы изучения начальных стадий кавитации развиваются сравнительно медленно.
В настоящее время достаточно хорошо разработана статика и динамика одиночного кавитационного пузырька в безграничной жидкости и вблизи стенки. Впервые динамика парового пузырька была исследована в 1917 г. Рэлеем. В дальнейшем в изучение этого вопроса внесли большой вклад Плессет, Триллинг, Джильмор, Си Дин-Ю, А. Д. Перник, Ю. Л.
Левковский и другие. 1! Влиянием сжимаемости жидкости на нестационарное движение стенки пузырька долгое время пренебрегали вследствие трудностей математического решения задачи, несмотря на то, что этот эффект имеет важное значение и в ряде случаев оказывает существенное влияние на характер движения. В 1941 г. Херрииг при решении задачи о подводном взрыве исследовал случай произвольного изменения давления внутри каверны и ввел поправку первого приближения на ее сжимаемость. Он принял известное из акустики допущение, что скорости жидкости всегда малы по сравнению со скоростью звука.
В 1952 г. Триллинг принял условие, что потенциал скорости приближенно удовлетворяет акустическому уравнению расходящихся сферических волн, и получил на основе акустического приближения более общее уравнение движения стенки газового пузырька. Примерно в то же время Джильмор, отказавшись от акустического приближения, принял гипотезу Кирквуда — Бете, согласно которой возмущения распространяются со скоростью, равной сумме местной скорости звука и скорости жидкости, и составил приближенные уравнения движения стенки пузырька при переменном давлении газа, а затем выполнил численные расчеты. Кавитация возникает при движении жидкости вблизи тел различной формы (поверхности крыльев и лопастей, стоек и т. д.), в связи с этим Ю.
Л. Левковским и Г. Г. Судаковой были составлены уравнения .движения газового пузырька вблизи стенки и исследовано ее влияние на поле скоростей и давлений. Однако в настоящее время нет достаточно хорошо разработанных теоретических методов исследования движения нескольких пузырьков, их взаимодействия и перехода от начальной стадии к развитой кавитации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
