НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»
Семінська Наталія Валеріївна
УДК 532.5
ВДОСКОНАЛЕННЯ ГІДРОСТРУМИННИХ ТЕХНОЛОГІЙ З ВРАХУВАННЯМ ОСОБЛИВОСТЕЙ ФОРМУВАННЯ СТРУМЕНІВ ВИСОКОГО ТИСКУ
01.02.05 - Механіка рідини, газу та плазми
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України на кафедрі прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки.
Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор
Яхно Олег Михайлович,
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки.
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Кріль Степан Іванович,
Інститут гідромеханіки НАН України, завідувач
відділу стратифікованих течій
доктор технічних наук, професор
Саленко Олександр Федорович,
Кременчуцький державний політехнічний університет
ім. М. Остроградського, завідувач кафедри верстатів і верстатних комплексів
Захист відбудеться «_3_» червня 2008 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. , ауд. 307.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий "_24_" квітня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 |
В.І. Коньшин
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У сучасній гідромеханіці та в багатьох галузях промисловості викликають великий інтерес дослідження гідродинамічних процесів, які відбуваються в струменях рідини високого тиску. Разом з тим, закономірності цих процесів у стаціонарних і нестаціонарних течіях вивчені недостатньо.
Так, у вугільній, металургійній, харчовій галузях промисловості, машинобудуванні та нафтовидобуванні виникає необхідність в ефективному, безпечному та економічно доцільному способі руйнування твердого матеріалу. Перспективним напрямком розв’язання цієї проблеми є розробка та створення гідроструминних технологій, де в якості інструменту для руйнування матеріалу використовуються стаціонарні та нестаціонарні струмені рідини високого (понад 250 МПа) тиску. Їх перевага полягає в екологічності, пожеже- і вибухобезпеці, малій ресурсоємності, збільшенні силового впливу на матеріал, який обробляється (більше ніж на %, у порівнянні із застосуванням різців), збільшенні продуктивності обробки, відсутності термічних і деформаційних напружень у матеріалі при обробці, заощадженні енергоресурсів (у порівнянні із застосуванням механічного способу обробки досягають зменшення енергоємності до 2,5 разів).
Дослідженням струменів високого тиску займалися такі установи: ІГ СО РАН (м. Новосибірськ), Ясіноватський машзавод, Інститут гірничої справи АН Казахстану, ВНДІ Гідровугілля (м. Новокузнецьк), Карагандинський політехнічний інститут, Тульський політехнічний інститут, Інститут імпульсних процесів і технологій НАН України (м. Миколаїв), Московський гірничий інститут, ІГС ім. А.А. Скочинського, Донецький національний університет та низка університетів західних країн.
Аналіз існуючих робіт дозволив встановити, що дотепер недостатньо повно досліджені як особливості формування потоку в’язкої рідини, фізичні явища та процеси, що відбуваються в струмені та на його поверхні, так і зміни гідродинамічних параметрів нестаціонарного та стаціонарного струменя рідини на ефективній ділянці. До того ж існуючі методики розрахунку параметрів струменя та пристроїв його формування недостатньо обґрунтовані. Все це ускладнює вирішення конкретних прикладних завдань, пов'язаних з реальними технологічними процесами, а також перешкоджає впровадженню нових прогресивних технологій.
Таким чином, вдосконалення гідроструминних технологій із врахуванням особливостей формування струменів високого тиску, розробка науково обґрунтованої методики розрахунку гідродинамічних характеристик струменя та визначення параметрів конструкції пристроїв формування струменя, є актуальним.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає напрямку наукових досліджень Національного технічного університету України «КПІ» і виконувалася відповідно до плану науково-дослідної роботи кафедри прикладної гідроаеромеханіки та механотроніки (НТУУ «КПІ»). Наведені результати досліджень є складовою частиною держбюджетних науково-дослідних робіт: № 2751-п на тему «Розробка та дослідження нових технологій диспергування рідин за допомогою нестаціонарних пульсуючих потоків» (№ ДР 0104U000745) і № 2024-п на тему «Розробка та дослідження пристроїв систем механотроніки з використанням високоефективних енергозберігаючих гідравлічних технологій» (№ ДР 0107U002342).
Мета та завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності гідроструминних технологій за рахунок більш глибокого вивчення гідродинамічних процесів, пов'язаних з формуванням струменів високого тиску та їх течій.
Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
- здійснити аналітичний огляд існуючих досліджень стаціонарних і нестаціонарних струменів високого тиску;
- провести моделювання течії струменів високого тиску;
- розробити способи підвищення руйнівної здатності струменя;
- дослідити зміни гідродинамічних параметрів потоку рідини високого тиску в пристрої для формування струменя;
- розробити методику розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя;
- дослідити фактори, які впливають на параметри ефективної ділянки струменя та одержати критерії, які дозволяють визначати її довжину;
- провести математичне моделювання нестаціонарної течії на ефективній ділянці струменя та одержати її кінематичні характеристики;
- розробити методику розрахунку гідродинамічних параметрів струменів високого тиску з урахуванням особливостей їх формування.
Об'єктом дослідження є гідродинамічні процеси формування стаціонарного і нестаціонарного струменя високого тиску.
Предметом дослідження є гідродинамічні параметри струменя високого тиску, які характеризують ефективність руйнування твердого матеріалу.
Методи дослідження: фізичне та математичне моделювання течій стаціонарних і нестаціонарних струменів високого тиску, використання аналітичних, експериментальних і чисельних методів для визначення гідродинамічних параметрів струменя, розрахунок параметрів конструкції насадка за допомогою програми на алгоритмічній мові Delphi.
Наукова новизна отриманих результатів:
- вперше проведені комплексні експериментальні дослідження гідродинамічних параметрів струменя високого тиску, що дозволило встановити основні параметри його гідродинамічної початкової ділянки та одержати критеріальні залежності, які дозволяють визначити її довжину;
- запропоновано метод підвищення ефективності руйнування об’єкту за рахунок накладення пульсацій заданої частоти та амплітуди на потік рідини, що приводить до виникнення додаткової гідродинамічної нестаціонарної сили, для визначення якої була отримана аналітична залежність і розроблена програма розрахунку;
- досліджено вплив реологічних властивостей робочої рідини з полімерними домішками на гідродинамічні параметри потоку, що дозволило розширити область її ефективного застосування;
- проведено математичне моделювання пульсуючої течії рідини в циліндричному каналі насадка для формування струменя, на підставі якого отримано закон розподілу швидкостей, що дозволяє визначити зміну кінетичної енергії на початковій ділянці струменя;
- запропоновано методику розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини у вигляді програмного продукту та надано рекомендації для його практичного використання;
- вперше на підставі комплексного аналізу системи «силовий пристрій-пристрій формування струменя-насадок-струмінь-об'єкт руйнування» розроблено науково-обґрунтовану методику розрахунку гідродинамічних параметрів струменя високого тиску.
Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики розрахунку гідродинамічних параметрів струменя високого тиску, а також методики розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини. Розроблені методики реалізовані у програмних продуктах.
Результати роботи дозволяють:
- на підставі проведених експериментальних досліджень, з вивчення реологічних властивостей розчину поліакріламіда, регулювати параметри струменя та підвищувати його руйнівну здатність;
- використовуючи запропонований спосіб накладення пульсацій на потік рідини із заданою частотою та амплітудою, а також пристрій для його реалізації, підвищувати ефективність руйнування об’єкту;
- здійснювати обґрунтований вибір раціональних параметрів конструкцій насадків;
- за допомогою визначення раціональних параметрів струменя в системі «силовий пристрій - пристрій формування струменя – насадок – струмінь - об'єкт руйнування» підвищити ефективність застосування гідроструминних технологій.
Отримані результати можуть бути застосовані у різних галузях промисловості, зокрема: гірничій, при проектуванні гірничовидобувної техніки; металургійній, при розрахунку параметрів гідрозмиву пічної окалини в процесі роботи прокатного обладнання металургійних заводів; харчовій; легкий та ін.
Результати досліджень і запропонована методика рекомендовані шахтоуправлінням «Луганське» (м. Луганськ) для проектування гірничовидобувної техніки, зокрема комбайна «МIR».
Основні теоретичні та експериментальні положення роботи використовуються у навчальному процесі Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ).
Результати впроваджень підтверджені відповідними актами.
Автентичність розробленого способу одержання пульсуючого струменя ударної дії та пристрою для його реалізації підтверджена патентом України.
Особистий внесок автора. Усі основні результати дисертації отримані особисто автором. Результати досліджень, які виконані в співавторстві, отримані при особистій участі дисертанта на всіх етапах роботи.
Автору належить аналітичний огляд літературних джерел, постановка мети роботи та формулювання завдань дослідження. Самостійно отримані наступні результати: побудована математична модель пульсуючої течії рідини в каналі; запропоновані методи підвищення ефективності руйнування об’єкту; розроблена методика розрахунку гідродинамічних параметрів струменів високого тиску і методика розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини, складено програми розрахунків.
Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися на восьми конференціях: 8-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Черкаси, ); 9-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Київ, ); Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожно-будівельного комплексу України» (м. Київ, ); V-й Міжнародній науково-технічній конференції «Промислова гідравліка та пневматика» (м. Київ, ); 10-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Краматорськ, ); ІV-й Міжнародній науково-практичній конференції «Процеси механічної обробки, верстати та інструмент» (м. Житомир, ); VІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції «Промислова гідравліка та пневматика» (м. Мелітополь, ); 12-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Луганськ, ).
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 8 статей у спеціалізованих журналах, рекомендованих ВАК України, отримано 1 патент України.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 173 сторінки, 55 рисунків (з яких 7 на окремих сторінках), 21 таблиця (з яких 2 займають 3 окремі сторінки), список використаних джерел з 165 найменувань на 14 сторінках, 2 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами, сформульовані мета, завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих у роботі результатів, зазначений особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію результатів дисертації.
В першому розділі дисертації наведено аналіз теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених вивченню гідроструминних технологій, які застосовуються в промисловості. Визначено галузь їх застосування, запропоновано класифікацію. На підставі аналізу робіт: Повха І.Л., Шавловського С.С., Ніконова Г.П., Гольдіна Ю.А., Войцеховського Б.В., Бафталовського В.Е., Гуєнка В.С., Тихомирова Р.А., Саленка О.Ф., Поздеєва В.А., Ракішева Б.А., Черменського Г.П., Коняшина Ю.Г., Атанова Г.А., Семка А.М., Тимошенка Г.М., Коломійця В.С., Подобєдова А.В., Українського Ю.Д., Лятхера В.М., Сігаєва Є.А., HoytTаylorHeisterYoon Vigayсформовано наукове уявлення про способи створення, формування, структуру струменів високого тиску та характер процесів, які протікають в них.
Складено порівняльну характеристику струменів за методами впливу на матеріал, який обробляється. Визначено особливості формування та витікання нестаціонарних струменів, а також застосування пульсаційного ефекту при формуванні струменів у каналі.
Розглянуто вплив введення полімерних і абразивних домішок до робочої рідини на ефективність гідроструминних технологій.
Відповідно до досліджень Базілевича В.А. і Шавловського С.С. найбільш ефективною полімерної домішкою, для застосування в промисловості, є поліакриламід (ПАА), за незначних концентрацій якого (с=0,001...0,003%), ефективність силового впливу струменя на об'єкт руйнування, підвищуються майже у 2 рази. Визначено, що додатковий ефект руйнування обумовлений зниженням втрат енергії струменя, яка витрачається на утворення вихорів. Це також сприяє підвищенню компактності струменя та збільшенню довжини його ефективної ділянки.
Наведено аналіз конструкцій пристроїв для формування стаціонарних та нестаціонарних струменів високого тиску. Встановлено, що пристрій, який відповідає вимогам експлуатації та безпеки, дотепер не розроблений, що приводить до необхідності подальших досліджень в цьому напрямку.
На прикладі вугілля та порід різної міцності розглянуто процеси, які протікають при взаємодії струменя високого тиску з твердим матеріалом.
Встановлено, що при гідроруйнуванні мають місце різні види деформації матеріалу. Це обумовлено: фізико-механічними властивостями порід (контактною міцністю, граничними опорами стисканню та розтягуванню, швидкістю пружної хвилі, модулем пружності, середньою щільністю, міцністю); складом, структурою, метаморфізмом порід; видом прикладених навантажень. На характер процесу руйнування також істотно впливає кут атаки струменя. Визначено, що при куті атаки, що дорівнює 90°, спостерігається найбільш ефективний ударний вплив струменя.
З'ясовано, що на сьогодні недостатньо повно досліджена структура струменя високого тиску, зокрема, його ефективна ділянка. Експериментальні дослідження носять частковий характер, що обумовлено складністю проведення експерименту. Відсутні дослідження впливу реологічних властивостей робочої рідини на гідродинамічні параметри потоку. Існуючі методики розрахунку параметрів струменя та пристроїв його формування недостатньо обґрунтовані. Все це обумовлює необхідність проведення додаткових досліджень.
В другому розділі проведено фізичне моделювання гідродинаміки струменів високого тиску на експериментальному стенді, розробленому Тульською науково-дослідною фірмою «НИТЕП», гідравлічна схема якого наведена на рис. .
Конструкція стенду забезпечує формування струменів тиском до 500 МПа за допомогою трьох насосних блоків.
Безпосереднє формування струменя високого тиску здійснюється в пристрої (рис. 2), основними елементами якого є ламінаризуючий канал 1 і насадок 2.
Для проведення експериментів використовувались конічно-циліндричні насадки фірми «НИТЕП», з вихідним діаметром d0=10 мм (рис. 3).
За результатами проведених експериментальних досліджень побудовані графічні та визначені апроксимаційні залежності швидкості uф, маси m, імпульсу Ис та енергії Е струменя від величини підведеного тиску р0 та відстані до перешкоди l.
Для вимірювання швидкості фронту струменя застосовувався безконтактний фотоелектричний метод. При цьому відносна похибка вимірювань не перевищувала 6%. Значення підведеного тиску р0 змінювалось у межах від 100 до 500 МПа, а відстань від насадка до перешкоди l – від 0,5 до 2,5 м (рис. ).
При обробці отриманих експериментальних даних для забезпечення однорідності фізичних величин у розмірному відношенні, значення тиску було зведено до безрозмірного вигляду Р= р0/рп, де рп – тиск на виході насосного блоку низького тиску.
Наведені залежності (рис. ) дозволяють зробити висновок, що при збільшенні значення підведеного тиску спостерігається зростання швидкості фронту струменя, яка сягає максимуму на відстані 1,5 м. Це пояснюється нерівномірністю руху частинок рідини за перерізом струменя. Частинки з більшою швидкістю переміщуються вперед до ядра струменя, збільшуючи при цьому швидкість фронту струменя.
На відстані більше 1,5 м відбувається зниження швидкості фронту, що пояснюється наступним: 1) зіткненням між собою частинок рідини, що викликає виникнення зон підвищеного тиску в струмені; 2) збільшенням амплітуди хвильового профілю поверхні струменя та утворенням вихорів внаслідок динамічного впливу повітря, що спричиняє розпилювання струменя.
Апроксимуванням експериментальних даних (рис. ) отримано рівняння для визначення швидкості фронту струменя
uфі= uвит.і ln(P)i + uі, (1)
де uвит.і – величина швидкості, яка залежить від величини підведеного тиску;
uі – швидкість, яка характеризує зниження швидкості фронту струменя при збільшенні відстані l.
За результатами проведених досліджень визначено розходження між швидкістю витікання та швидкістю фронту струменя. Отримано залежності відносної величини швидкості від відносної величини тиску (рис. 5). По вісі ординат відкладено відношення швидкості витікання ивит на зрізі насадка, до максимального значення швидкості фронту струменя имф.
У відповідності до отриманої залежності, швидкість фронту струменя завжди менше за швидкість витікання, а із збільшенням величини підведеного тиску різниця між значеннями швидкостей зростає. Отже, при значному збільшенні тиску втрати швидкості за довжиною струменя зростають більш інтенсивно. Це пояснюється релаксацією пограничного шару, що призводить до формування вихорів у точці перегину профілю швидкості, що, в свою чергу, є причиною виникнення коливань і нестійкості течії в струмені.
Дослідження зміни маси робочої рідини за довжиною струменя l проводилося при різних значеннях підведеного тиску p0. В результаті отримано графічну залежність, наведену на рис. .
Як видно з рис. , збільшення значення підведеного тиску спричиняє різке зменшення маси рідини за довжиною струменя. Це пояснюється наростанням в ньому збурень, виникненням зон підвищеного тиску, формуванням вихорів, зниженням стійкості струменя з подальшим його розпиленням.
У загальному вигляді залежність, яка відображає зміну маси рідини в струмені за довжиною може бути представлена у вигляді
mі= m0 - mi . l/d, (2)
де m0 – маса рідини в струмені при збільшенні значення підведеного тиску;mi – втрати маси рідини в струмені при збільшенні відстані.
Зниження маси рідини в струмені, за рахунок його розпилення в навколишнє середовище, зменшує кінетичну складову енергії та, відповідно, руйнівну здатність струменя на певній відстані від насадка до об'єкта руйнування. Найбільш значні втрати рідини в струмені мають місце при підведеному тиску 500 МПа. Відносна похибка вимірювань становила 5%.
Вимірювання повного імпульсу Ис і енергії струменя Е здійснювалося за допомогою балістичного маятника. Конструкція маятника аналогічна описаній в роботі Атанова Г.А. Особливістю цієї конструкції є рівномірне розподілення маси, що дозволяє розглядати маятник як фізичний.
При проведенні експериментів з використанням балістичного маятника змінювалося значення підведеного тиску, а також величина відстані від насадка до маятника. Відносна похибка вимірювань становила 1%. Значення імпульсу струменя визначалося згідно формули , де - маса маятника; h - відстань від центра мас до вісі обертання.
Розраховані значення імпульсу струменя наведені в табл. 1.
Таблиця 1-
Значення імпульсу струменя
Відстань від зрізу насадка
l, м | Кут відхилення маятника після удару,
a (град) | Імпульс струменя, Ис (Нс)
р0=200 МПа | р0=400 МПа | р0=500 МПа | р0=200 МПа | р0=400 МПа | р0=500 МПа
0,5 | 16,21 | 21 | 23,5 | 295 | 385 | 425
1 | 16,5 | 22 | 23,7 | 300 | 399 | 430
1,5 | 16,33 | 21,5 | 22,9 | 297 | 390 | 415
2 | 15,38 | 21,2 | 22,9 | 280 | 385 | 415
2,5 | 14,28 | 20,4 | 21,88 | 260 | 370 | 397
За отриманими значеннями Ис визначалися значення енергії струменя.
На рис. наведена залежність енергії струменя від відносної величини тиску та відстані l.
У загальному вигляді залежність, що визначає зміну енергії струменя при різних значеннях тиску, може бути представлена у вигляді:
Ei= Е0 (р0/pп)i – DЕ, (3)
де E0 – значення енергії струменя в залежності від значення підведеного тиску; DЕ – втрати енергії в струмені, викликані збільшенням відстані l.
На підставі отриманих залежностей (рис. і рис. ) зроблено висновок про те, що енергія струменя набуває максимального значення на відстані 1,5 м від насадка. Зменшення енергії струменя при зростанні відстані l відбувається інтенсивніше, ніж втрати швидкості, що пов’язано з втратами маси рідини в струмені.
Використовуючи отримані експериментальні дані, в якості параметру оптимізації прийнято енергію струменя Е (кДж), а факторів впливу підведений тиск р0 (МПа), вихідний діаметр насадка d0 (м), відстань від насадка до перешкоди l (м).
Визначено лінійну модель параметра оптимізації, яка має такий вигляд
E=126,5+1,52x1-5,875x2+25,875x3 +2,125x1x3-3,625 x2x3, (4)
де х1, х2, х3 – кодовані значення факторів впливу, що визначаються із співвідношень x1=(l-1,5)/ 0,5; x2=(d0-0,012) / 0,001; x3=(p0-500) / 100
Адекватність моделі підтверджена на підставі визначення критерію Фішера. Аналіз значень розрахованих коефіцієнтів регресії показав, що максимальний вплив на параметр оптимізації має підведений тиск р0.
Постійне збільшення підведеного тиску призводить до зростання втрат енергії та зменшення довжини ефективної ділянки струменя. Тому подальші дослідження були спрямовані на пошук і розробку способів підвищення ефективності процесу гідравлічного руйнування об’єкту при зниженні величини підведеного тиску.
Підвищення руйнівної здатності струменя досягається введенням в рідину полімерних домішок, які сприяють поліпшенню гідродинамічних параметрів струменя. Так, у гірничій справі в якості домішки в робочу рідину використовують полімер поліакриламід. Реологічні властивості, розчину поліакріламіду у воді раніше не було досліджено, що звужувало область його ефективного застосування.
В результаті проведених експериментів з розчинами поліакріламіду виявлені аномалії в'язкості. Встановлено, що у досліджуваному діапазоні градієнтів швидкостей такі розчини є неньютонівськими рідинами, які можуть бути описані моделлю рідини Оствальда де Віля (рис. ).
Отримані залежності (табл. ) дозволяють визначати значення динамічної в'язкості розглянутого розчину поліакріламіду, залежно від його концентрації при заданих умовах витікання з насадка, що дозволяє регулювати гідродинамічні параметри струменя та покращувати його енергетичні характеристики.
Таблиця 2 -
Залежність реологічних властивостей розчину поліакриламіду
у воді від концентрації полімеру
Концентрація полімеру,
с ( %) | Реологічний закон розчину, |
Індекс течії,
ni | Консистентна постійна,
k (Па сni-1)
2,510-3 | 1,6356 | 3,21 Па с0,635
2,110-3 | 1,5402 | 1,868 Па с0,54
1,710-3 | 1,3759 | 1,279 Па с0,376
1,310-3 | 1,1952 | 3,486 Па с0,195
0,910-3 | 1,2606 | 2,503 Па с0,261
Підвищення ефективності руйнування при зниженні величини підведеного тиску можливе за рахунок накладання на потік рідини пульсацій заданої частоти та амплітуди, що дозволяє зменшити втрати енергії.
Для реалізації цього способу запропоновано пристрій, схема якого наведена на рис. . Його конструкція дозволяє одержувати пульсуючий струмінь шляхом накладання поздовжніх коливань із заданою амплітудою та частотою на потік рідини постійного тиску.
При розробці цього способу були враховані результати проведених досліджень, у ході яких визначена величина гідродинамічної нестаціонарної сили (5), що сприяє підвищенню руйнівної здатності струменя:
, (5)
де – кінематична в'язкість; S – площа поверхні стінки, що контактує з потоком; w – частота коливань; t – час.
Запропонований спосіб дає можливість регулювати амплітудно-частотну характеристику сформованого струменя, що має велике значення при його практичному застосуванні.
В цілому аналіз результатів проведених експериментів дозволив одержати уявлення про структуру струменя високого тиску та характеристики, які впливають на нього. Визначено наявність ефективної відстані (компактної частини струменя) від насадка до об'єкта руйнування в досліджуваному діапазоні значень р0, l, d0. Запропоновано способи підвищення руйнівної здатності струменя, що сприяють збільшенню стійкості та довжини ефективної ділянки струменя. Течія рідини на цій ділянці, а також фактори, які впливають на її параметри, вивченні недостатньо. Тому подальші дослідження були спрямовані на вирішення цієї проблеми.
У третьому розділі досліджено особливості течії рідини на ефективній ділянці струменя високого тиску, параметри якої, відповідно до проведеного аналізу літературних джерел, наближені до параметрів гідродинамічної початкової ділянки у каналі.
Аналіз експериментальних досліджень підтвердив, що довжина гідродинамічної початкової ділянки істотно залежить від геометрії каналів підведення і насадка. Плавне вісесиметричне підведення рідини по каналу перед насадком дозволяє істотно зменшити виникнення вихороподібних, циркуляційних і вторинних течій. Цьому також сприяє використання стабілізаторів, які встановлюють перед насадком у стволі пристрою формування струменя.
Згідно з аналізом, проведеним автором, однією з найбільш раціональних конструкцій стабілізатора є радіальна ґратка, розділена на рівні сектори. Така конструкція дозволяє секціонувати потік, і тим самим, запобігти коловим перетіканням рідини по перерізу каналу. Схема такого стабілізатора наведена на рис. .
Для визначення ступеня вирівнювання потоку в розглянутому стабілізаторі запропоновано використовувати залежність
, (6)
яка дає можливість обчислити величину перепаду тиску у секторі стабілізатора (рис.11), залежно від кута його розкриття, зведеного гідравлічного діаметра та довжини каналу. Так само визначені залежності, які дозволяють розраховувати геометричні параметри стабілізатора та регулювати опір течії по периметру каналу.
Застосування пристрою формування струменя з насадком, параметри якого сприяють забезпеченню ефективного перетворення підведеної потенціальної енергії в кінетичну енергію струменя, дозволяє знизити енергоємність процесу руйнування та підвищити руйнівну здатність струменя.
Компактність і довжина початкової ділянки струменя значною мірою залежать від геометрії профілю, матеріалу та якості виготовлення насадка. Найбільш ефективними є насадки з конічно-циліндричним профілем, які дозволяють за рахунок збільшення абсолютного значення градієнта тиску забезпечити ламінаризацію пограничного шару на вході до циліндричної ділянки насадка. У свою чергу, пульсації поперечної складової швидкості та інших турбулентних збурень, які виникають в процесі розгону потоку в конфузорі, частково осереднюються та розсіюються при проходженні потоком циліндричної ділянки.
Розглянуто вплив геометричних параметрів профілю та кількості ступенів насадка на гідродинамічні характеристики потоку за його довжиною. Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє чисельно моделювати профіль проточної частини насадка. Встановлено, що для формування компактного струменя найбільш раціональною є двоступенева конструкція насадка.
Для визначення факторів, які впливають на геометричні параметри струменя високого тиску, виходячи з результатів проведених експериментів та ґрунтуючись на дослідженнях Шавловського С.С. побудовано графічні залежності (рис. ).
Аналіз наведених залежностей показав, що розширення струменя відбувається нерівномірно. Площа його поперечного перерізу більшою мірою залежить від відстані між насадком і об'єктом руйнування, ніж від підведеного тиску рідини. При значенні l/d0 > 125 спостерігається режим течії рідини близький до автомодельного, за якого площа струменя практично не залежить від l/d0.
В межах зміни l/d0 від 0 до 125 справедлива наступна залежність
S = - s1l/d02 + s2l/d0+ sемп , (7)
де s1, s2, sемп – емпіричні коефіцієнти.
Відповідно до проведених досліджень по визначенню факторів, які впливають на параметри початкової ділянки струменя, визначено, що її довжину lн можна розглядати як функцію, що залежить від швидкості витікання робочої рідини uвит, величини підведеного тиску р0, густини , динамічної в'язкості робочої рідини , вихідного діаметра насадка d0 та частоти накладення пульсацій n (у випадку нестаціонарної течії). На підставі аналізу розмірностей така функція може бути представлена у критеріальному вигляді
, (8)
де lн /d0 - симплекс геометричної подібності, Eu - критерій Ейлера, Ho - критерій гомох- ронності, Re- критерій Рейнольдса. Числові значення коефіцієнта х і показники ступеня к3, к4, к6 мають визначатися дослідним шляхом.
Виходячи з того, що параметри початкової ділянки струменя наближені до параметрів гідродинамічної початкової ділянки у каналі, проведено математичне моделювання пульсуючої течії на циліндричній ділянці довжиною l0 та визначено закон розподілу швидкості. Передбачалося, що: 1) рух рідини у насадку відбувається під дією перепаду тиску, який змінюється гармонічно за часом; 2) канал насадка розглядається у циліндричних координатах; 3) рідина в’язка, ньютонівська; 4) потік ізотермічний.
Для цього випадку рівняння руху рідини можна представити у вигляді
, (9)
де Uz - швидкість течії потоку вздовж осі ОZ; - напруження сили внутрішнього тертя; , - довжина та радіус каналу, що розглядається.
Величину градієнта тиску представлено у вигляді
, (10)
де - градієнт тиску, обумовлений силами тиску сталої течії, - гра- дієнт тиску пульсаційної течії, який описує сталу пульсуючу течію, що відповідає гармонічному закону зміни перепаду тиску в розглянутому перерізі.
Для дотичних напружень, що входять у рівняння (9) маємо
. (11)
Враховуючи представлені залежності, одержуємо рівняння пульсуючого руху рідини
. (12)
З огляду на граничні умови при рівняння (12) можна переписати у вигляді
. (13)
Розв’язання рівняння (13) дає можливість одержати закон розподілу швидкостей при пульсаційній течії рідини по каналу у наступному вигляді
, (14)
де та - відповідно дійсні та уявні частини функції Беселя нульового порядку; коливальний параметр Уомерслі; ; ; ; .
Таким чином, у розглянутому випадку поле швидкостей може бути представлено як результат накладання пульсаційної складової на параболічний закон відповідної стабілізованої ламінарної течії. Визначаючи градієнт швидкості у вигляді , на підставі виразу (12), можна знайти залежності, які характеризують напруження, що діють у рідині G(r,t)=Gст+Gn , а отже, і зусилля, які виникають у потоці. Закон розподілу швидкостей (12), є необхідним для визначення кінетичної енергії основної гідродинамічної характеристики струменя при взаємодії його з об’єктом руйнування.
У четвертому розділі наведено рекомендації і запропоновано методику розрахунку гідродинамічних параметрів стаціонарного і нестаціонарного струменів високого тиску.
На підставі отриманих аналітичних і експериментальних даних про особливості формування струменя високого тиску і його витікання зроблено узагальнення результатів дослідження та запропоновано алгоритм і методику розрахунку основних гідродинамічних параметрів струменів, в системі «силовий пристрій- пристрій формування струменя -насадок-струмінь-об'єкт руйнування», з урахуванням впливу пульсацій на потік рідини, реологічних властивостей рідини, конструктивних параметрів стабілізатора і насадка, впливу на струмінь навколишнього середовища, міцності оброблюваних порід. За допомогою визначення раціональних параметрів струменя можливо підвищувати ефективність застосування гідроструминних технологій. Все це дозволяє вирішувати конкретні прикладні завдання, пов'язані з реальними технологічними процесами, а також впроваджувати нові прогресивні технології.
Для отримання величини градієнта тиску та гідродинамічної нестаціонарної сили, розрахунок яких ускладнений, розроблено методики і програми розрахунку.
Також запропоновано розрахунок параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини у вигляді програмного продукту (рис. ).
висновки
У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі вдосконалення гідроструминних технологій, які застосовуються для руйнування гірничих порід, на підставі врахування особливостей формування струменів високого тиску. Для розв’язання цієї задачі: проведено моделювання течії струменів високого тиску, що дозволило сформувати уявлення про фізичні процеси і явища, які протікають у струмені; досліджено гідродинамічні процеси та фактори, що сприяють підвищенню ефективності гідроструминних технологій; запропоновано способи, які дозволяють покращити енергетичні та руйнівні характеристики струменя. За результатами досліджень розроблена комплексна науково обґрунтована методика розрахунку гідродинамічних параметрів струменя, яка впроваджена у науково-дослідні та проектно-конструкторські роботи зі створення гірничовидобувної техніки.
За результатами дисертаційної роботи сформульовано наступні висновки:
1. На підставі проведеного аналізу літературних джерел визначено, що ефективність застосування гідроструминних технологій залежить від особливостей формування та витікання струменів високого тиску, методу впливу на матеріал, який обробляється, і складу робочої рідини. Ці фактори впливають на параметри початкової ділянки струменя, які характеризують його далекобійність, компактність, стійкість і руйнівну здатність.
2. Проведено фізичне моделювання, за результатами якого отримано графічні та апроксимаційні залежності, які дозволяють охарактеризувати зміну основних гідродинамічних параметрів струменя, а саме: швидкості uф; маси води m; енергії Е та імпульсу Ис, від величини підведеного тиску р0 та відстані до об’єкту руйнування lі . В діапазоні досліджуваних значень р0 =100…500 МПа, lі =0,5…2,5 м визначено наявність ефективної відстані струменя, яка дорівнює 1,5 м.
Вперше достатньо повно розглянуто структуру струменя при високих тисках з позиції гідродинамічної початкової ділянки.
3. Встановлено, що при високих значеннях підведеного тиску (до 500 МПа) відбувається зменшення маси рідини по довжині струменя. Це сприяє зниженню кінетичної складової енергії струменя та, відповідно, зменшенню його руйнівної здатності на визначеній відстані.
4. Запропоновано способи, які дозволяють забезпечити збільшення компактності, стійкості та довжини початкової ділянки струменя при зниженні величини підведеного тиску, а саме, застосування домішок полімеру – поліакриламіду (концентрація якого не повинна перевищувати 2,510-3 % ), а також накладення на потік рідини пульсацій заданої частоти (до 300 Гц) та амплітуди.
За результатами дослідження реологічних властивостей розчинів поліакриламіду було виявлено прояв аномалії в'язкості та встановлено, що такі розчини є неньюто-нівськими рідинами в дослідженому діапазоні градієнтів швидкостей, які можуть бути описані моделлю Оствальда де Віля (з індексом течії nі > 1 та консистентної постійною k = 1,868...3,486 Па сn-1 у діапазоні зміни концентрації полімеру с = (0,9... 2,5)10-3 %. Отримані залежності дозволяють визначати величини динамічної в'язкості розглянутого розчину поліакриламіду, в залежності від його концентрації при заданих умовах витікання з насадка, що дозволяє регулювати параметри струменя та підвищувати ефективність руйнування твердого матеріалу.
Визначено, що накладення пульсацій спричинює виникнення у потоці додаткової нестаціонарної гідродинамічної сили, що сприяє збільшенню руйнівної здатності струменя. Отримано аналітичну залежність і розроблено програму для розрахунку величини цієї сили.
5. Досліджено зміну гідродинамічних параметрів потоку рідини високого тиску (швидкості, градієнту тиску та ін.) в пристрою для формування струменя (стабілізаторі та насадку) від його геометричних параметрів. Визначено залежності, які дозволяють розрахувати раціональні параметри елементів пристрою для формування струменя.
6. Запропоновано методику розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з різною кількістю ступенів з урахуванням стисливості рідини і реалізовано її у вигляді програмного продукту.
7. На підставі експериментальних досліджень проведено узагальнення, що дозволило встановити наявність гідродинамічної початкової ділянки в струмені та визначити її основні параметри, а також одержати критеріальну залежність , яка визначає відносну довжину початкової ділянки струменя високого тиску з урахуванням властивостей робочої рідини, наявності пульсацій, тощо.
8. Розвиток існуючих математичних уявлень про пульсуючі потоки рідини дозволив провести моделювання нестаціонарної течії на початковій ділянці, а також описати кінематику та визначити параметри, які пояснюють підвищення ефективності руйнування при застосуванні нестаціонарних струменів високого тиску для руйнування порід з різними фізико-механічними властивостями.
9. На підставі отриманих аналітичних і експериментальних даних про особливості формування струменя високого тиску і його витікання зроблено узагальнення результатів дослідження та запропоновано методику розрахунку основних гідродинамічних параметрів струменів. Враховано вплив пульсацій на потік рідини, реологічні властивості рідини, параметри конструкції стабілізаторів і насадків для формування струменя, вплив на струмінь навколишнього середовища та міцність оброблюваних порід.
10. Результати досліджень впроваджено у науково-дослідні та проектно-конструкторські роботи зі створення прохідницького комбайна нового технічного рівня «MIR», а також при розрахунку параметрів гідрозмиву пічної окалини у процесі роботи прокатного обладнання металургійних заводів.
Результати досліджень і запропонована методика рекомендовані шахтоуправлінням «Луганське» (м. Луганськ) для проектування гірничовидобувної техніки.
Основні теоретичні та експериментальні положення роботи використовуються у навчальному процесі кафедри прикладної гідромеханіки Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ).
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Савченко (Семинская) Н.В., Яхно О.М. Гидродинамические способы создания пульсирующих струй для гидроразрушения твердых материалов // Вісник Сумського державного університету. – 2003. – № 12. – С. 31-36.
Здобувачем зроблено літературний пошук, сформульовано постулати і записано рівняння математичної моделі пульсуючої рідини в каналі, проведено розв’язання цього рівняння.
2. Савченко (Семинская) Н.В. Влияние полимерных добавок на эффективность разрушения твердых материалов // Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневматика». - 2004. - № 4 (6). – С. 33-37.
3. Савченко (Семинская) Н.В., Шкарабура Н.Г., Стась С.В. Генераторы пульсаций для создания пульсирующих потоков // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. – 2004. – вип.71. – С. 174-180.
Здобувачем розроблено базові положення математичної моделі та виконав узагальнення і аналіз одержаних результатів..
4. Савченко (Семинская) Н.В., Ящук П.Ф., Шкарабура Н.Г. Анализ существую- щих методов создания импульсных струйных потоков // Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневматика». - 2004. - № 2 (4). – С. 21-23.
Здобувачем проведено літературний та патентний пошук, виконано аналіз енергетичних перетворень струменя.
5. Хоггас Башир, Савченко (Семинская) Н.В. Особенности течения вязких жидкостей в каналах с изменяющимся расходом по длине // Всеукраїнський науково-технічний журнал. Промислова гідравліка і пневматика.- 2005. - № 1 (7). – С. 31-34.
Здобувачем розроблено рекомендації щодо розрахунку гідравлічних втрат енергії.
6. Яхно О.М., Савченко (Семінська) Н.В. Гідравлічні принципи струминевих методів різання матеріалів // Процеси механічної обробки в машинобудуванні – Ж.: ЖДТУ, 2005. – Вип. 1. – С. 250 – 259.
Здобувачем досліджено характерні риси формування струменів високого тиску, запропоновано методи підвищення продуктивності процесу гідравлічного різання.
7. Кулинченко В.Р., Шкарабура М.Г., Савченко (Семинская) Н.В. Гідравлічна струминна техніка у технологічних процесах // Харчова промисловість – К.: НУХТ, 2005. – № 4. – С. 112-115.
Здобувачем проведено експериментальні дослідження полімерних розчинів, запропоновано способи вдосконалення струминної технології.
8. Семинская Н.В., Яхно Б.О. Влияние геометрических и прочностных парамет- ров струеформирующих устройств на компактность струи // Вісник Східноукраїнського національного університету імені В. Даля. – 2007. – №3 (109). - Ч.2.- С.143-148.
Здобувачем досліджено конструктивні параметри струменеформуючих насадків, отримано критерії, які характеризують компактність струменя.
9. Пат. 70854 А України, МКИ Е21В1/26. Спосіб одержання пульсуючого струменя ударної дії та пристрій для його реалізації / Савченко (Семінська) Н.В., Яхно О.М. / Заявл. 30.12.2003, Опубл. 15.10.2004. Бюл.№10. – 2 с.
Здобувачем проведено патентний пошук і запропоновано технічну ідею па- тенту.
АНОТАЦІЯ
Семінська Н.В. Вдосконалення гідроструминних технологій із врахуванням особливостей формування струменів високого тиску. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.05 - Механіка, рідини, газу та плазми. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, 2008.
Робота присвячена вдосконаленню гідроструминних технологій, які використовуються при руйнуванні твердих матеріалів. З цією метою проведено теоретичні та експериментальні дослідження факторів, які суттєво впливають на структуру струменя високого тиску та його руйнівну здатність. Визначено вплив гідродинамічних і конструктивних параметрів, на етапах формування та витікання струменів високого тиску.
Запропоновано способи, які дозволяють забезпечити збільшення компактності, стійкості та довжини початкової ділянки струменя при зниженні величини підведеного тиску. Проведено моделювання нестаціонарної течії на початковій ділянці та визначено параметри, які пояснюють підвищення ефективності руйнування при застосуванні нестаціонарних струменів високого тиску.
Запропонована комплексна науково обґрунтована методика розрахунку гідродинамічних характеристик струменя та визначення параметрів конструкції пристроїв його формування.
Результати досліджень та розроблена методика впроваджені в науково - дослідні та проектно-конструкторські роботи зі створення прохідницького комбайна нового технічного рівня, а також рекомендовані шахтоуправлінням «Луганське» (м. Луганськ) для проектування гірничовидобувною техніки.
Ключові слова: струмінь, високий тиск, пульсації, пристрій формування струменя, початкова ділянка, робоча рідина, руйнівна здатність.
АННОТАЦИЯ
Семинская Н.В. Усовершенствование гидроструйных технологий с учетом особенностей формирования струй высокого давления. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы. – Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, 2008 г.
Работа посвящена совершенствованию гидроструйных технологий, используемых при разрушении твердых материалов. С этой целью проведены теоретические и экспериментальные исследования факторов, оказывающих существенное влияние на структуру струи высокого давления, и ее разрушающую способность. Определено влияние гидродинамических и конструктивных параметров на формирование и истечение струй высокого давления. Предложена комплексная, научно обоснованная методика расчета гидродинамических характеристик струи и определения параметров конструкции струеформирующих устройств.
На основании проведенного анализа литературных
