Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Возбуждение нелинейных колебаний в жидких средах гидродинамическими генераторами

Возбуждение нелинейных колебаний в жидких средах гидродинамическими генераторами

Приведены результаты исследования характеристик гидродинамических генераторов нелинейных колебаний с турбулизаторами потока жидкости. Рассмотрены двухкаскадные генераторы с последовательным и параллельным расположением каскадов. Приведены их спектральные (амплитудночастотные) характеристики.

В последние годы в различных отраслях промышленности получило развитие новое научно-техническое направление — волновая технология [1—3], созданное академиком РАН Р.Ф. Ганиевым на основе фундаментальных исследований теории нелинейных колебаний многофазных систем, проведенных в НЦ НВМТ РАН [4—7].
Сущность волновой технологии заключается в возбуждении нелинейных колебаний в многофазных средах и использовании их и возникающих при этом нелинейных эффектов для интенсификации разнообразных физико-химических процессов, таких как гомогенизация, диспергирование, тепло- массобмен и других, на которых базируются разнообразные технологические процессы.
Спектр решаемых задач с помощью волновой технологии весьма широк. Это, например, — совершенствование технологического процесса закалки стальных деталей; повышение эффективности нефтедобывающих скважин; существенная интенсификация процессов получения жидкодисперсных материалов, аэрации жидкостей, газо-жидкофазных химических реакций и т.д. Эффект от применения волновой технологии в некоторых случаях может составлять сотни процентов [1-2].
Для реализации принципов волновой технологии используются различные аппараты и устройства. Однако главным звеном любого такого устройства является генератор колебаний, с помощью которого осуществляется колебательное воздействие на многофазную рабочую среду. Колебательное воздействие можно осуществлять на среду, находящуюся в замкнутом объеме [7] или протекающую по трубопроводу. В первом случае в качестве генераторов могут быть использованы устройства, такие как электродинамические, гидравлические и пневматические вибрационные стенды, электромагнитные и электромеханические возбудители колебаний. Во втором случае колебания возбуждаются в среде путем турбулизации потока среды при прохождении ее через специальные устройства.
Рассмотрим устройства второго типа, которые можно назвать волновыми устройствами непрерывного действия. Главными элементами этих устройств являются гидродинамические генераторы колебаний, которые турбулизируют проходящую через них среду таким образом, что в ней возбуждаются мощные нелинейные колебания и волны давления, которые оказывают интенсифицирующее на нее воздействие.
Генератор, как правило, соединяется с камерой управления (резонатором) и вместе с ней образует волновое устройство. Для обеспечения прохождения рабочей среды (жидкости) через волновое устройство необходим гидравлический насос.
Волновое устройство и гидравлический насос являются основными звеньями любой установки непрерывного действия для реализации принципов волновой технологии. Для их функционирования необходимы также трубопроводы, вентили, манометры, емкости и др. элементы и измерительная аппаратура. Блок-схема типичной экспериментальной установки непрерывного действия на волновых принципах представлена на рис. 1. Такие установки можно использовать как для исследования характеристик гидродинамических генераторов, так и для отработки различных технологических процессов.
Работа установки осуществляется следующим образом. Жидкая среда из емкости с помощью гидравлического насоса 2 подается в волновое устройство 3, при прохождении через которое в ней возбуждаются нелинейные колебания и волны, воздействию которых она и подвергается. Пройдя через волновое устройство, жидкая среда поступает в емкость 4.
Интенсивность колебательного воздействия на среду зависит от эффективности преобразования энергии потока, проходящего через гидродинамический генератор, в энергию колебаний и, в первую очередь, связана с их амплитудой и частотой, поэтому основное внимание уделено исследованию спектров излучения генераторов, т.е. их спектральных характеристик (СХ).


Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки на волновых принципах:
1 - емкость с рабочей средой (жидкостью); 2 — гидравлический насос; 3 — волновое устройство с гидродинамическим генератором; 4 — емкость для обработанной среды; 5, 6, 7 — элементы гидравлической обвязки; 8 — датчик переменного давления; 9 - измерительная аппаратура; 10 — линия для циркуляции рабочей среды.

Однокаскадные гидродинамические генераторы колебаний
На рис. 2 представлена простейшая схема однокаскадного гидродинамического генератора. Главными элементами генератора являются турбулизатор, камера и сопло. Рабочая жидкость под давлением подается в турбулизатор 7 (стрелка А). Пройдя турбулизатор 7, жидкость поступает в камеру генератора 2, из которой выходит через сопло 3, в рабочую камеру волнового устройства (стрелка В).
Конструкции турбулизаторов могут отличаться друг от друга, но назначение у них одно — возбуждать нелинейные колебания в потоке жидкости.
Несмотря на кажущуюся простоту схемы генератора, механизм возбуждения колебаний достаточно сложен, поскольку обусловлен рядом процессов, происходящих в нем одновременно.
Построить физическую модель возбуждения колебаний в турбулентных потоках жидкости — весьма сложная задача. В связи с этим важную роль при разработке гидродинамических генераторов приобретают экспериментальные исследования их характеристик.
Основными характеристиками гидродинамических генераторов, как уже отмечалось выше, являются амплитуда колебаний, диапазон генерируемых частот, а также возможность их регулирования, поэтому в работе исследовали влияние различных режимов работы на эти характеристики.
Эксперименты были проведены на установке, собранной по схеме, представленной на рис. 1. При этом работа установки осуществлялась в режиме циркуляции.
Измерения переменного давления производили с помощью пьезоэлектрических датчиков фирмы "Kistler". Сигналы с датчиков усиливались с помощью усилителей типа 5011 фирмы "Kistler". Эти усилители согласованы для работы с датчиками данного типа. Усиленные сигналы регистрировали и анализировали с помощью частотного анализатора типа 2015 фирмы "Брюль и Къер". Для оперативного наблюдения сигналов с датчиков использовали также осциллограф.
В качестве рабочих сред использовали воду или индустриальное масло марки И-20.

Рис. 2. Схема однокаскадного гидродинамического генератора

При работе с водой применяли гидравлический насос типа НБ-4, а при работе с маслом — Al 3B 4/25-6,4/25.
В результате проведенных исследований было установлено, что для каждого генератора с определенными геометрическими размерами существуют оптимальные режимы возбуждения колебаний, а главными параметрами для регулирования частоты и амплитуды колебаний являются давление на входе генератора р (напор жидкости) и давление на выходе р' (противодавление), т.е. давление в области истечения жидкости из сопла.
На рис. 3 представлено семейство СХ генератора при работе с постоянным давлением на входе, но с различными противодавлениями на выходе. С изменением противодавления изменяются как амплитуда колебаний, так и диапазон генерируемых частот.
На рис. 4 показаны регулировочные характеристики генератора, т.е. зависимости амплитуды и частоты колебаний от противодавления на выходе генератора.

Рис. 3. Влияние противодавления р * на вид СХ однокаскадного генератора колебаний = 1,2 МПа, подача — 100 л/мин, рабочая среда — масло И-20):
A, F— соответственно амплитуда и частота колебаний давления

Рис. 4. Зависимость амплитуды А и частоты /колебаний максимального давления от противодавления р* (подача — 150 л/мин, рабочая среда — вода):
1,2 — давление на входе р соответственно 2,5 и 3,0 МПа

Существует достаточно выраженный максимум амплитуды колебаний в зависимости от значения противодавления на выходе генератора.
Следует отметить, что зависимость СХ от давления на входе неоднозначна для разных генераторов и в значительной степени зависит от других параметров генератора. Данные, подтверждающие этот вывод, содержатся в табл. 1.
Повышение давления на входе может приводить как к росту, так и к снижению частоты. Аналогичное влияние давления на входе оказывает и на амплитуду колебаний. Представленные в табл. 1 генераторы отличались по геометрическим размерам и по расходу рабочей жидкости (воды).
Рассмотренная схема однокаскадного генератора может быть использована как непосредственно для создания волновых устройств, так и служить базой для разработки многокаскадных гидродинамических генераторов колебаний.

1. Амплитуды и частоты максимальных пиков
в спектрах излучения генераторов при разных давлениях на входе и выходе

№ генер-а

р, МПа

р', МПа

А, дБ

F, Гц

1

3,5
2,5
1,3

0,2
0,15
0,13

90,9
90,2
92,4

344
328
360

2

3,5
2,5
1,6

0,2
0,125
0,14

89
90,8
93,2

336
312
344

3

3,0
2,5
1,5

0,2
0,175
0,12

89,8
89,7
87,3

352
336
312

4

3,5
2,5
1,5

0,3
0,2
0,11

91,5
90
86,4

352
328
288

 

Двухкаскадные гидродинамические генераторы колебаний
Двухкаскадные генераторы представляют собой комбинацию из двух каскадов, которую можно реализовать в виде их последовательного или параллельного расположения (соединения).
Каскадирование генераторов вызвано необходимостью повышения эффективности преобразования энергии поступательного движения потока в колебательную, а также расширения диапазона генерируемых частот и улучшения других характеристик.
В данной работе рассмотрены обе схемы каскадирования: последовательного и параллельного типов.
Генераторы последовательного типа. Схема двухкаскадного гидродинамического генератора последовательного типа представлена на рис. 5.
Генератор состоит из двух простых однокаскадных генераторов, аналогичных показанному на рис. 2. Выход рабочей камеры первого каскада соединен каналом с рабочей камерой второго каскада (стрелка В). Нагнетательная линия (стрелка А), подводящая рабочую жидкость, является общей для обоих каскадов.

Рис. 5. Схема двухкаскадного генератора последовательного типа

 

Рис. 6. СХ первого каскада двухкаскадного генератора последовательного типа при давлении на входе р = 1,5 МПа и различных противодавлениях р*

Выход второго каскада, так же как и в однокаскадном генераторе, соединен с рабочей камерой волнового устройства (стрелка С).
На рис. 6 представлены СХ первого каскада, когда закрыт вход по стрелке А второго каскада. Эти характеристики получены при постоянном давлении на входе генератора и различных противодавлениях р'. В качестве рабочей среды использовали воду. Характеристики заметно отличаются от СХ отдельного генератора, напрямую соединенного с камерой волнового устройства. Для сравнения на рис. 7 показаны СХ второго каскада как отдельного генератора.
Наконец, на рис. 8 представлены СХ двухкаскадного генератора. Амплитуда колебаний двухкаскадного генератора возрастает с увеличением противодавления, а следовательно, и частоты, так как последняя увеличивается с ростом  р'.

Рис. 7. СХ второго каскада, как отдельного генератора, при давлении на входе p = 1,5 МПа и различных противодавлениях p

В то же время амплитуда колебаний однокаскадного генератора, как правило, быстро достигает максимума, а затем начинает снижаться с увеличением противодавления ( см. рис. 3, 4).
Таким образом, применяя последовательное соединение каскадов, можно расширить частотный диапазон генерирования колебаний в область более высоких частот и тем самым расширить возможности работы волновых устройств на базе двухкаскадных генератов последовательного типа.
Генераторы параллельного типа. Схема двухкаскадного гидродинамического генератора параллельного типа представлена на рис. 9.
В соответствии с этой схемой два однокаскадных генератора (каскада) установлены на общем основании 4 таким образом, что их рабочие камеры 2 расположены параллельно друг другу. Нагнетательная линия А является общей для обоих каскадов. Поток жидкости, проходя через генераторы, раздваивается, а затем снова объединяется в один, так как сопла обоих генераторов излучают в общее пространство рабочей камеры волнового устройства С.

Рис, 8. СХ двухкаскадного генератора последовательного типа при давлении на входе 1,5 МПа и различных противодавлениях p

Исследования проводили при минимальном противодавлении в рабочей камере волнового устройства, т.е. в таком режиме, когда пульсирующие каверны генераторов выходили на максимальное расстояние от сопел, и тем самым создавалась максимальная площадь контакта взаимодействия пульсирующих потоков. Кроме того, в этом режиме амплитуда колебаний обоих генераторов данной конструкции была близкой к максимальной. В качестве рабочей среды также использовали воду.

Рис. 9. Схема двухкаскадного генератора параллельного типа:
1, 2, 3 — соответственно турбулизатор, камера и сопло каждого каскада; 4 — общее основание

Рис. 10. СХ первого каскада двухкаскадного генератора параллельного типа при различных давлениях р на входе

Рис. 11. СХ второго каскада двухкаскадного генератора параллельного типа при различных давлениях р на входе

Рис. 12. СХ двухкаскадного генератора параллельного типа при различных давлениях р на входе

На рис. 10 и 11 представлены СХ каждого из генераторов, работающего отдельно друг от друга, при различных давлениях на входе. Их характеристики существенно не отличаются друг от друга.
На рис. 12 представлены СХ уже двухкаскадного генератора. Исследованная J комбинация генераторов, с одной стороны, дает в некоторых режимах выигрыш (на 5... 10 дБ, т.е. более чем в 2 раза) в амплитуде колебаний, с другой стороны, частотный диапазон генерирования колебаний сужается и сдвигается в область низких частот.
Таким образом, проведенные исследования двухкаскадных генераторов показали, что обе комбинации (генераторы последовательного и параллельного типов), по сравнению с однокаскадными генераторами, позволяют расширить диапазон генерируемых частот и, что очень важно, генераторы последовательного типа — в область более высоких частот, а генераторы параллельного типа — в область более низких частот. Повидимому, они могут дать и еще более высокий выигрыш в амплитуде колебаний. Без сомнения, они найдут применение и в других, более сложных волновых устройствах.
Рассмотренные схемы гидродинамических генераторов колебаний можно использовать в различных волновых устройствах, а необходимый вариант генератора можно выбрать исходя из требований технологического процесса, которые, как правило, связаны с определенным частотным диапазоном колебательного воздействия.


Литература

1. Р.Ф. Ганиева. Волновая технология и техника. М., 1993. С. 127.
2. Р.Ф. Ганиева. Волновая технология в нефтяной промышленности. Издатель РНТИК "Баштехинформ" АН РБ. 1999. С. 46.
3. Ганиев Р.Ф., Жебынев Д.А., Романов А.Н. Волновая технология в машиностроении. Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996, № 1. С. 80-86.
4. Ганиев Р.Ф., Латинский Г.Ф. Проблемы механики в космической технологии. М.: Машиностроение. 1979. С. 240.
5. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Динамика частиц при воздействии вибраций. Киев: Наукова думка. 1975. С. 168.
6. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е., Петров С.А. О некоторых нелинейных волновых эффектах в насыщенной жидкостью пористой среде. Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1992, № 1. С. 74-79.
7. Ганиев Р.Ф., Кобаско Н.И., Кулик В.В. и др. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии. Киев: Техшка, 1980. С. 142.

Справочник инженерный журнал №12 (2004г.)

стр.19-24 Д.А.Жебынев (Научный центр нелинейной волоновой механики и технологии РАН)

Статьи партнеров