Технические науки/2. Механика

К.т.н., Гнатив Р.М.

НУ “Львовская политехника”, г. Львов, Украина

Визуализация структуры неустановившихся потоков в трубопроводах гидравлических систем

В современной экспериментальной гидродинамике при решении вопросов, связанных с проблемами турбулентности, гидродинамической устойчивости и т.д. применяются различные методы визуализации [1]. Выявление структуры потока является необходимым условием для адекватного его описания математическими моделями.

На основании проведенного анализа научных работ о неустановившимся движении жидкости в трубах установлено, что наиболее точное изучение структуры потока можно получить путем визуализации потока в сочетании с измерением полей скоростей и характеристик турбулентности [2-4]. Данные методы дают достоверную информацию о гидродинамических процессах в трубопроводах гидравлических систем.

Разгон жидкости из состояния покоя включает сложный процесс перехода ламинарного режима в турбулентный с изменением структуры течения. Как показывают многочисленные опытные данные, в начале разгона течения профиль скоростей будет равномерным, максимальные градиенты скорости имеют место в пристенной области [5, 6]. Именно в этой области начинается интенсивная турбулизация течения. Для исследования ускоренных, переходных и замедленных процессов в цилиндрических трубах применяются такие методы визуализации, которые вместе с различными методами обработки опытных данных позволяют определить поле скоростей, возникновение турбулентности и другие параметры потоков.

В задачи предложенной работы входило усовершенствование методики визуализации структур потоков жидкостей в цилиндрических трубопроводах и местных сопротивлениях круглых труб.

Рис. 1. Схема кинофотосъемки структуры потока: 1 - прозрачная труба, 2 - светоотражающие частицы, 3 - границы светового потока, 4 - устройство для создания плоского светового потока [7], 5 - кино-, фотокамера.

Нами разработана методика кино- и фоторегистрации структур потоков в цилиндрических трубах и местных сопротивлений круглых труб. Тонкий отсек, совмещенный с одной из осевых плоскостей трубы (рис. 1), выделяется в потоке жидкости плоским световым потоком одновременно с введением в подвижную жидкость спиртовой суспензии алюминиевой пудры Al₂O₃.
Поток жидкости, протекающей через узел визуализации, освещаются в осевой плоскости трубопровода устройством для создания плоского светового потока и вводят в поток жидкости выше узла визуализации спиртовую суспензию алюминиевой пудры.

Видимыми становятся лишь частицы, движущиеся в освещенном объеме потока (рис. 1). Они как микрозеркала отражают световые лучи, падающие на их поверхности. Отклоненные в направлении объектива лучи фиксируются на

кинопленке. Кинофильмы снимали скоростной кинокамерой СКС -1М -16 [8].

Киносъемку проводили при частоте 250-300 кадр/с. Воспроизведение полученной информации на киноэкране осуществляли с частотой 24 кадр/с. На экране наблюдали увеличенную в размерах истинную картину течения воды с замедлением в 10-12 раз.

Фотосъемка осуществлялась фотоаппаратом "Зенит-TTL" аналогично. Однако, если при киносъемке время τ экспонирования одного кадра подбирали с таким расчетом, чтобы каждая частица пудры сместилась на десятые доли мм за время экспозиции и изображение ее не получилось смазанным, то при фотосъемке время экспозиции пленки подбирали так, чтобы частицы прошли путь в несколько миллиметров . Таким образом, на фотопленке фиксировались треки светоотражающих частиц. Совокупность треков отражала линии тока в потоке жидкости (рис. 2).

Рис. 2. Течение воды на участке трубы после внезапного расширения от d = 69,6 мм до D = 96,0 мм ; = 0,5 м/с.

Выполненные экспериментальные исследования позволили определить физические характеристики потери устойчивости потока обусловлены нестационарностью движения на изучаемом участке трубы. Анализ данных эксперимента показывает, что слой, в котором происходит обмен энергии между основным и возмущающим движениями, располагается довольно близко к внешней границе пограничного слоя.

До тех пор пока скорость потока незначительна, амплитуды возмущений малы и они быстро подавляются потоком. С ростом скорости потока и обмена энергии между слоями течения возмущения увеличиваются и влияют на развитие распределения местной скорости по всему сечению трубы.

Предложенный метод визуализации позволяет определять в плоскости измерения величины и направления векторных полей скоростей во времени и является очень перспективным при исследовании нестационарного течения жидкости.

Литература:

1. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир. 1966. - 180 с.

2. Бычков Ю.М. Визуализация тонких потоков несжимаемой жидкости / Ю.М. Бычков // Кишинев.- 1980.- С. 131.

3. Биллет М.Л. Сравнение двух оптических методов измерения кавитационных зародышей/ М.Л. Биллет// Теоретические основы инж. расч.- 1961.- № 1.- С. 78-83.

4. Xойт Й.В. Фотографическое исследование кавитации в струйном течении/ Й.В. Xойт // Теоретические основы инж. расч.- 1981.- № 1.- С. 84-88.

5. Гнатів Р.М. Дослідження методами візуалізації неусталеного руху плинного середовища в трубопроводах гідравлічних систем / Р.М. Гнатів, І.Ф Рип’як., В.В.Чернюк // Промислова гідравліка і пневматика.-2010.-№1 (27).-С.47-51.

6. Гнатів Р.М. Візуалізація структури потоку з вимірюванням полів швидкостей при неусталеному русі рідини/ Р.М. Гнатів // Технологічний аудит та резерви виробництва.-2013.-№ 5/5(13).- ISSN 2226-3780.- С. 14-16.

7. Заявка № 4855125/07 СССР, МКИ F 21S 1/00, F 21P 1/00. Устройство для создания плоского светового потока / Чернюк В. В., Бонч-Бруевич А. В., Гнатив Р. М. и др. (СССР). – Заявлено 30.07.90. – 7 с..

8. Методы кинофоторегистрации в технической механике / Н. А. Коновалов, Н. И. Лахно, Н. Д. Путрик, А. Д. Скорик. – К.: Наук. думка, 1990. – 160 с.