Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

К.т.н. Савицький Ю.В.

Хмельницький національний університет

ДІЯ НОРМАЛЬНИХ ТА ДОТИЧНИХ НАПРУЖЕНЬ ПУЛЬСУЮЧОГО ГАЗОРІДИННОГО ПОТОКУ

НА ЗАБРУДНЕНУ ПОВЕРХНЮ

Ретельне очищення робочих поверхонь від виробничих і експлуатаційних забруднень запобігають передчасному зношуванню відповідальних деталей, вузлів і агрегатів, збільшує термін їхньої безвідмовної роботи, поліпшує технічні характеристики й експлуатаційні властивості машин, заощаджує дорогі конструкційні матеріали, скорочує витрати на обслуговування і ремонт машин, що дає значний техніко - економічний ефект.

При видаленні різноманітних видів забруднень з поверхні виробів застосовуються різні способи очищення. Відомі установки для очищення деталей, вузлів і агрегатів від промислових забруднень, у яких очищення відбувається за допомогою пульсуючого газорідинного потоку. Подібні установки описані в роботах [1,2]. Одним з основних вузлів даних установок є пульсаційна камера з отвором. Отвір являє собою насадок з гострими крайками на вході. При проходженні рідини через насадок у ньому утвориться кільцева ізольована порожнина. Установки можуть працювати в двох режимах : без руйнування кільцевої ізольованої порожнини і c її руйнуванням. Це залежить від тисків, створюваних вібропотоком. Умова руйнування кільцевої ізольованої порожнини дається Б.Н. Сіовим [3] у виді

, (1)

де p - тиск у входу в насадок;

p₂ - протитиск у виходу з насадка;

p_min - мінімальний тиск у кільцевій ізольованій порожнині;

V - характеристика отвору.

При руйнуванні кільцевої ізольованої порожнини відбувається зрив витікання в насадці і настає явище кавітації, тобто інтенсивне виділення пару і розчинених газів у вихідному з насадка потоці. При цьому в установці створюється пульсуючий газорідинний потік. Якщо умова (1) не досягається, то явища кавітації не спостерігається і в установці утворюється пульсуючий потік без газових пухирців . Як ілюстрацію на рис.1 представлена фотографія початкової ділянки пульсуючого газорідинного потоку в момент викиду.

Фотографування проводилося зі спеціальним підсвічуванням і газові пухирці видні на темному тлі у виді світлих крапок. Найбільший газовміст спостерігається по периферії потоку. З видаленням від зрізу насадка відбувається перемішування пухирців до центра потоку.

Виходячи з неоднорідності структури створюваного потоку була поставлена задача виявлення механізму взаємодії пульсуючого газорідинного потоку з в’язким забрудненням.

Потік, натікаючи на перешкоду, яким є поверхня, що очищається, створює на поверхню нормальний тиск і дотичні напруження при розтіканні по поверхні. Сила нормального тиску визначається з формули Д.Бернуллі [4]

, (2)

де g - питома вага рідини;

g - прискорення вільного падіння;

S - площа перетину потоку;

V - швидкість потоку в насадка;

a - кут нахилу площини перешкоди до лінії дії потоку.

Дійсне значення F трохи менше розрахункового [5]

, (3)

Представимо очищення поверхні у виді схеми розтікання потоку по горизонтальній поверхні (рис. 2).

Розділимо потік, що розтікається, на дві зони - А и В. Вектори швидкостей рідини в цій зоні спрямовані під кутом до поверхні, що випробує нормальне навантаження в напрямку сили удару, дотичну під дією потоку, що розтікається. Розміри цієї зони обмежуються стиснутим перетином I - I глибиною d.

Зона В характеризується зміною напрямку швидкостей у стиснутому перетині I - I. Нормальний тиск у цій зоні відсутній. Вектори швидкостей основного потоку рівнобіжні поверхні, а точки поверхні випробують дотичне навантаження в напрямку основного плину. Швидкість рідини зменшується зі значення V_a до значення V_k у перетині II - II. У перетині II - II на відстані R_b від центра контакту спостерігається валик рідини, що обмежує зону В. У перетині II - II спостерігається різке стовщення шару рідини, що відомо в гідравліці за назвою гідравлічного стрибка.

Для турбулентного потоку формула коефіцієнта тертя має вид [6]:

, (4)

де m - динамічний коефіцієнт в'язкості несущої фази;

A- динамічний коефіцієнт турбулентної в'язкості.

Для середовищ з малими об'ємними концентраціями домішок широке поширення має виправлення Ейнштейна до динамічного коефіцієнта в'язкості несущої фази. Виправлений динамічний коефіцієнт в'язкості несущої середовища виражається через відповідні коефіцієнти :

- для чистої несущої фази і

- для газоподібних домішок зі сферичною формою часток.

Автор [7] дає поняття про тверді і м'які пухирці в рідині. При тисках, одержуваних в описаних установках, газові пухирці 0.1...0.4 мм змінюють свої розміри незначно. Тому можна розглядати пухирці таких розмірів як тверді домішки і формула (4) прийме вид:

, (5)

де a - об'ємна частка домішки.

Тоді тертя в турбулентному двохфазовому газорідинному потоці прийме вид:

, (6)

З вищенаведеного можна зробити висновок, що пульсуючий газорідинний потік створює значний очисний ефект на забруднену поверхню. Кількісна оцінка очисної дії потребує подальших досліджень.

Література:

1.А.С. 880519 / СССР / Устройство для промывки деталей / Р.И.Силин, В.П.Кошель, А.И.Гордеев, Опубл.в Б.И. 1981.N42

2. Силин Р.И., Гордеев А.И., Савицкий Ю.В. Аналитическое исследование параметров гидропульсационного устройства для мойки.-Всеукраїнський науково- -технічний журнал “Вибрации в технике и технологиях”.1996,N1(3), с. 3-5

3. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки, М., Машиностроение, 1968, 139 с.

4.Бернулли Д. Гидравлика или записки о силах и движениях жидкости, М., 1959

5. Садовский В.И. Очистка деталей гидродинамическими струями при ремонте тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин : Дис. ... канд. техн. наук - М., 1972.-143 с.

6. Силин Р.И., Гордеев А.И., Савицкий Ю.В. Взаимодействие двухфазного турбулентного потока с вязким загрязнением, Міжнародний науковий журнал “ Проблеми трибології” , Хмельницкий, 1996, N1, с.87-89

7. Гегузин Я.Е. Пузыри.-М.: Наука. Главная редакция физико - математической литературы, 1985.-176 с.