И. Пирсол - Кавитация (1163263), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Первые образцы таких скоростных насосов невелики по размерам, но в дальнейшем предполагается увеличение их габаритов и, следовательно, мощности. Существуют определенные перспективы в разработке водяных турбин с улучшенными кавнтацнониымн характеристиками. Уже имеются модели суперкавитируюших турбин, но вследствие их невысокой эффективности они вряд ли пригодны для использования в крупных сооружениях. Однако небольшие размеры и низкая стоимость позволят применить их на речных и приливных электростанциях. При создании корабельных винтов проблема предотврашеныя кавнтации является первоочередной задачей.
Однако скоростные суда нуждаются в суперкавитирующих винтах, способных работать также при низких скоростях. Поэтому особое внимание уделяется освоению новой технологии и получению материалов, дающих возможность уменьшить влияние кавнтацни. Разработка 71 удовлетворительных способов адгезии поможет расширить использование защитных покрытий. Все это в равной степени относится хан к обычным, так и к суперкавитнрующим крыльям, которые используются в качестве несущих элементов на судах или стабилизирующих элементов для гидросамолетов. Ведутся работы по созданию гребных винтов в направляющей насадке для корабельных движителей, а также водометных движителей, которые могут изменить тип навигационных задач, но не устранить их.
Определенные перспективы открывает разработка методов получения более стойких к эрозии материалов (типа хромомарганцевой стали), сочетающих в себе твердость и пластичность. По-видимому, перед пластиками здесь также открывается большое будущее, хотя их возможности исследованы недостаточно. Особое внимание должно быть уделено изучению тех отраслей производства, где кавитация играет положительную роль и ее использование целесообразно. Расширяется применение навигации в процессах очистки и для получения эмульсий, и, возможно, кавитационныи метод станет основным при поверхностной обработке многих промышленных изделий.
В связи с этим проблема управления кавитацней приобретает важное значение. Гидравлическая кавитация протекает беспорядочна Ультразвуновая кавитация в некоторой степени поддается регулированию, но и здесь возникают существенные трудности. Весьма важным (в практическом плане) качеством жидкостей является их способность противостоять большим напряжениям растяжения. К сожалению, необходимость высокой степени очистки жидхости и ее предварительной обработки давлением ограничивает использование этого свойства лишь лабораторными исследованиями.
Такая особенность жидкостей, по-виднмому, найдет ценное применение в малогабаритных гидравлических контурах, используемых в ракетах, так как здесь жидкость может быть предварительно обработана. Однако подобные системы весьма дороги, что обусловлено высокой стоимостью очистки и фильтрования, Последнее время развитые кавитационные течения, часто называемые сунернввитацией, вызывают большой интерес н жиродо используются для снижения сопротивления дмиигузщихси и воде тел (например, судов на под. водных ирылъих, скоростных гребных винтов, насосов н т.
д.) Возмеакиосзь црвхтзни'оного применения суперхавитацни в зилчнтехъиой степени обусловлена созданием методов мсиусственной навигации (вентиляции), что поэзо. ляет во много раз уменьшить скорости, при которых та. кие режимы возникают. Суперкавитирующие и особенно вентиляционные течения, являясь одной из форм кавите. ционных течений, обладают в то же время некоторыми специфвчесхими чертамн н поэтому требуют особых теоретнчесхмх н внснернмеитальных методов исследований. Этим вопросам, мочам ие затронутым в книге Пирсола, посвящемо настоящее дополнение..
1. Каверны в безграничной невесомой зиндкости Развитым кавитационным течением,нли супериавнта. цней, называется такан форма обтекания тела, при кото-' рой за телом образуется единая полость — каверна, содержащая, как правило, газы и пары. При достаточно малом числе кавнтацин этот вид течения возникает за телом любой формы. Предельным случаем развитого кавитапнонного течения является течение с а = 0; теоретически ему соответствует ка'- верна, простирающаяся до бесконечности н имеющая тй . Рис.
д Фотографии каверн аа диском. одеаг а-о юла: о-о елеь бесконечные поперечные размеры. При малых и размеры каверны конечны, но все же обычно во много раз превосходят размеры тела- (рис. 1). Механизм обтекания тела с образующейся за ннм каверной можно представить следующим образом: частицы' жидкости под воздействием быстро движущегося тела вынуждены «расступиться», то есть они приобретают радиальные скорости, направленные от оси тела к периферии, иначе говоря, от области с давлением Р„к далекой от тела области с давлением Ре) Р,. Возникшемудвижению жидкости соответствует расширяющийся участок каверны. При радиальных перемещениях частиц жидкости в направлении нарастающего давления они совершают работу за счет своей кинетической энергии.
Когда их радиальные скорости, а следовательно, и кинетическая энергия расширения становятся равными нулю, каверна достигает своего максимального размера (миделя), после чего начинается процесс ее сужения под действием давления окружающей жидкости Рв) Р„. В результате соударения соседних частиц жидкости, лежащих на границе каверны или 'вблизи нее, образуется концевая область, заполненная пеной (см. рис. 1). Первая полудлина каверны определяется как произ ведение скорости поступательного движения тела на время поперечного перемещения частиц от тела до границ миделя; вторая полудлнна соответствует участку смыкания каверны. При прочих равных условиях, чем больше разность между давлениями Ре и Р,, тем быстрее поглощается энергия расширения, тем уже и короче каверна. Число кавнтации о можно рассматривать как отношение между энергией, способствующей сжатию каверны (пропорциональной (Ра — Р„)), и энергией, идущей на ее расширение (пропорциональной р)7з/2).
Следует заметить, что величина давления в области перед телом не влияет на характер течения и потому для тел с острыми кромками форма переднего участка каверны ие зависит от числа кавитации. Модель идеальной несжимаемой жидкости, пожвлуй, нигде так хорошо не соответствует действительности, как в развитых кавитациойных течениях. Специфические черты реальной жидкости проявляются только в концевой части каверны, где происходит смыкание образующих каверну границ и возникает заполненная пеной область.
Для малых чисел кавитации, то есть больших каверн, эта область находится далеко за обтекаемым телом и происходяшпе в ней процессы практически не влияют 75 на действующие на тело силы и характер движения жидкости перед миделем каверны. При теоретическом изучении суперкавитацни реальное течение жидкости в области замыкания каверны представляют схематически, но так, чтобы погрешности в определении сил в передне6 части течения были мн. ннмальиымн. Наиболее распространены схемы Эфроса„ Рябушинского н Жуковского — Рошко (рис.
Н). В первой Рнс. П. Схемы наннтнцнонного течения. а-схема ЭФроса; а-схема рветвввнскесо; к †схе жуковского-Роыкес схеме, наиболее фнзичной, обратная струйка, образую щаяся в области смыкания границ каверны; отобра жается на второй лист ркманавой поверхности (в плоской задаче). Во второй — в концевой части каверны по« мешается фнктив д~ май, являющееся зеркальным отображением основнопн тена в плоскости миделя. Наконец в третьей каверна, начиная с михеля замыцаахся на фиктивную цилййдьпндйскую поверхность, ~тираю. 'щуюся в„Яйконечность к нмалшьую образ, парил.
лельные скоростййабегаюшейо потока. Наиболее полйоизучены плоские кавитационные течения, для которых используются методы теории струй, получившие свое развитие в работах Гельмгольца— Кирхгофа, Н. Е. Жуковсного, С. А. Чаплыгина„Леви— Чивнта, М, А. Лаврентьева:, Л. И. Седова и др. В последнее время большое внимание уделяется исследованию влияния весомости н капиллярностн на ха. рактер кавитацнонных течений [д2, дЯ) Из общемеханическнх соображений, впервые указанных Рейхардтом, следует, что козффициент сопротивле.
76 ния тела Х, отнесенный и площади Яа миделя каверны, не зависит от формы тела н приближенно равен числу кавитации Х С» = !;» » р ' ~» 2 где Й = я~4 (в случае плоских течений) и А = 0,9 —: 0,95 (для осесимметрнчных течений). Значения коэффициента сопротивления С„тела (отнесенного к миделю тела 3,) при малом о н козффициента С„, прн о=О связаны следующим приближенным соотношением (д1 0): С„= С„,(! + о). Для тонких тел с малыми углами атаки лучшие резуль таты дает формула Бетца: С» С» +и' На рис. 111 приведены результаты расчета !д2) козффициентов сопротивления для клиньев с различными углами килеватостн р.
Параболический профиль той же относительной толщины характеризуется меньшим сопротивлением; для такого профиля С„, =(я~8) С, где С вЂ” отношение максимальной толщины к хорде [д26). Зависн. мость С„, от угла конусности р представлена на рис. 1Ч (д!7). Из приведенных выше соотношений в случае плоского и осесимметричного течений получено следующее выражение для площади миделя каверны, отнесенного к площади мидели тела 5, !д16): Из-за отсутствия строгой теории для простейших осе.
симметричных течений невозможно получить аналогичное выражение для длины каверны. На основании опытных данных для длины каверны за осесимметричным те. лом ири 0,02 < о < 0,2 предложена формула; Е» 2Ф С.се Ф г,г г,В гв ВВ 1Р 1Вб' Рис, 111. Зависимость ковффициента сопротивления С„клина с углом при вершине р от числа кавнтацин. — точный расчет; — — — расчет по Бетау; — — расчет по Еорыуае с =с и+он к ко Асимптотическая формула при о-ыО имеет вид [д24— д261; 1 Ск Материалы по расчету формы осесимметричной каверны приводятся в работе 1дб1 В плоской задаче при малйх а 1н 8 С» я о'' Если кавернообразующее тело (кавитатор) имеет плавные очертания без угловых точек, то место стыковки контуров тела и каверны зависит от числа кавитацнн о и с уменьшением о смещается по направлению к критической точке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
