Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки
Розглянуто модель осесиметричних гідродинамічних випромінювачів - прямоточного з кільцевим соплом і східчастою перешкодою, а також протиточного. Обчислено основну частоту акустичного сигналу як функцію властивостей робочої рідини, геометричних та гідродинамічних параметрів пружного зануреного струме...
Gespeichert in:
| Datum: | 2003 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2003
|
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/978 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки / Ю. М. Дудзінський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко // Акуст. вісн. — 2003. — Т. 6, N 3. — С. 29-33. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-978 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-9782008-10-15T18:50:45Z Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки Дудзінський, Ю.М. Сухарьков, А.О. Назаренко, О.А. Розглянуто модель осесиметричних гідродинамічних випромінювачів - прямоточного з кільцевим соплом і східчастою перешкодою, а також протиточного. Обчислено основну частоту акустичного сигналу як функцію властивостей робочої рідини, геометричних та гідродинамічних параметрів пружного зануреного струменя-оболонки. Проведено зіставлення чисельних даних з результатами експериментів. Отримано критерій відповідності моделі реальним випромінювачам розглянутих типів. Рассмотрена модель осесимметричных гидродинамических излучателей - прямоточного с кольцевым соплом и ступенчатым препятствием, а также противоточного. Вычислена основная частота акустического сигнала как функция свойств рабочей жидкости, геометрических и гидродинамических параметров упругой затопленной струи-оболочки. Проведено сопоставление численных данных с результатами экспериментов. Получен критерий соответствия модели реальным излучателям рассмотренных типов. A model of axially symmetric hydrodynamic acoustic emitters of the direct-flow (with circular nozzle and stepwise obstacle) and the counter-flow designs is considered. Basic frequency of the acoustic signal is calculated as a function of properties of a working fluid, geometric and hydrodynamic parameters of the jet. The numerical data are compared with the experimental results. The criterion of conformity of the model with real emitters of the considered types is derived. 2003 Article Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки / Ю. М. Дудзінський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко // Акуст. вісн. — 2003. — Т. 6, N 3. — С. 29-33. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 1028-7507 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/978 534.232 uk Інститут гідромеханіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
Розглянуто модель осесиметричних гідродинамічних випромінювачів - прямоточного з кільцевим соплом і східчастою перешкодою, а також протиточного. Обчислено основну частоту акустичного сигналу як функцію властивостей робочої рідини, геометричних та гідродинамічних параметрів пружного зануреного струменя-оболонки. Проведено зіставлення чисельних даних з результатами експериментів. Отримано критерій відповідності моделі реальним випромінювачам розглянутих типів. |
| format |
Article |
| author |
Дудзінський, Ю.М. Сухарьков, А.О. Назаренко, О.А. |
| spellingShingle |
Дудзінський, Ю.М. Сухарьков, А.О. Назаренко, О.А. Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| author_facet |
Дудзінський, Ю.М. Сухарьков, А.О. Назаренко, О.А. |
| author_sort |
Дудзінський, Ю.М. |
| title |
Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| title_short |
Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| title_full |
Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| title_fullStr |
Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| title_full_unstemmed |
Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| title_sort |
автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| publishDate |
2003 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/978 |
| citation_txt |
Автоколивання пружного зануреного осесиметричного струменя-оболонки / Ю. М. Дудзінський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко // Акуст. вісн. — 2003. — Т. 6, N 3. — С. 29-33. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT dudzínsʹkijûm avtokolivannâpružnogozanurenogoosesimetričnogostrumenâobolonki AT suharʹkovao avtokolivannâpružnogozanurenogoosesimetričnogostrumenâobolonki AT nazarenkooa avtokolivannâpružnogozanurenogoosesimetričnogostrumenâobolonki |
| first_indexed |
2025-07-02T05:12:51Z |
| last_indexed |
2025-07-02T05:12:51Z |
| _version_ |
1836510789546016768 |
| fulltext |
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2003. Том 6, N 3. С. 29 – 33
УДК 534.232
АВТОКОЛИВАННЯ ПРУЖНОГО ЗАНУРЕНОГО
ОСЕСИМЕТРИЧНОГО СТРУМЕНЯ-ОБОЛОНКИ
Ю. М. Д У Д ЗIН СЬ К И Й∗, А. О. СУ Х АР Ь К ОВ∗, О. А. Н А ЗА Р ЕН К О∗∗
∗Одеський нацiональний полiтехнiчний унiверситет
∗∗Одеський нацiональний унiверситет iм. I. I. Мечникова
Одержано 05.07.2003
Розглянуто модель осесиметричних гiдродинамiчних випромiнювачiв – прямоточного з кiльцевим соплом i схiдча-
стою перешкодою, а також протиточного. Обчислено основну частоту акустичного сигналу як функцiю властивостей
робочої рiдини, геометричних та гiдродинамiчних параметрiв пружного зануреного струменя-оболонки. Проведе-
но зiставлення чисельних даних з результатами експериментiв. Отримано критерiй вiдповiдностi моделi реальним
випромiнювачам розглянутих типiв.
Рассмотрена модель осесимметричных гидродинамических излучателей – прямоточного с кольцевым соплом и сту-
пенчатым препятствием, а также противоточного. Вычислена основная частота акустического сигнала как функция
свойств рабочей жидкости, геометрических и гидродинамических параметров упругой затопленной струи-оболочки.
Проведено сопоставление численных данных с результатами экспериментов. Получен критерий соответствия модели
реальным излучателям рассмотренных типов.
A model of axially symmetric hydrodynamic acoustic emitters of the direct-flow (with circular nozzle and stepwise obstacle)
and the counter-flow designs is considered. Basic frequency of the acoustic signal is calculated as a function of properti-
es of a working fluid, geometric and hydrodynamic parameters of the jet. The numerical data are compared with the
experimental results. The criterion of conformity of the model with real emitters of the considered types is derived.
ВСТУП
З точки зору технологiчної дешевизни, електро-
безпеки й простоти в експлуатацiї найбiльш при-
датними для очищення прецизiйних деталей ма-
шин є гiдродинамiчнi випромiнювачi (ГДВ). Осо-
бливiсть прямоточних i протиточних осесиметри-
чних ГДВ полягає у вiдсутностi вiбруючих еле-
ментiв конструкцiї. Ця обставина зумовлює трива-
лий термiн служби подiбних пристроїв. При цьо-
му пульсуючий первинний вихор є джерелом енер-
гiї, частоту основного тону коливань задає пруж-
ний струмiнь-оболонка, а безпосередньо активною
зоною гiдродинамiчного звукоутворення є вторин-
ний вихор [1]. Перiодичний викид каверн iз пер-
винного вихору разом з їхнiм синфазним колапсом
у вторинному вихрi генерує акустичнi хвилi висо-
кої iнтенсивностi з частотами по основнiй гармо-
нiцi вiд 300 Гц до 2 кГц – у залежностi вiд гео-
метричних i гiдродинамiчних параметрiв випромi-
нювальної системи [2].
Через в’язкiсне тертя зануреного струменя спо-
стерiгається певне збiльшення дiаметру пружної
оболонки. Для прямоточних ГДВ з вiдбивачем че-
рез малу висоту струминної оболонки (вона менша
за радiус) можна зневажити її розширенням [3].
Однак в iншiй конструкцiї прямоточної випромi-
нювальної системи [4], розробленої для очищення
внутрiшнiх цилiндричних поверхонь (гiдроцилiн-
дрiв, трубопроводiв, цилiндрiв автомобiльних дви-
гунiв, тощо), при вiдсутностi вiдбивача використо-
вується схiдчаста перешкода, яка змiнює форму
струменя-оболонки на зрiзаний конус. У випадку
протиточного ГДВ також утворюється зрiзана ко-
нiчна оболонка, але з малим кутом мiж твiрною й
висотою [2].
Необхiдно встановити, як залежить частота
основного тону акустичного сигналу, генеровано-
го прямоточним ГДВ зi схiдчастою перешкодою
чи протиточним ГДВ, вiд геометричних i гiдро-
динамiчних параметрiв струменевої оболонки. Ва-
жливо також одержати критерiї, якi дають змо-
гу замiнити зрiзаний конус цилiндром при розра-
хунках параметрiв цих двох типiв осесиметричних
випромiнювачiв. Така замiна має iстотно спрости-
ти математичний апарат, не впливаючи суттєво на
точнiсть розрахункiв.
1. МОДЕЛЬ ОСЕСИМЕТРИЧНИХ ГIДРО-
ДИНАМIЧНИХ ВИПРОМIНЮВАЧIВ
Розглянемо прямоточний ГДВ з кiльцевим со-
плом i схiдчастою перешкодою (рис. 1, а). З кру-
гового щiлинного сопла в корпусi 1 виходить зану-
рений струмiнь-оболонка 2, який вважаємо жорс-
тко защемленим на виходi з сопла. Другий кiнець
оболонки можна вважати вiльним. За допомогою
схiдчастої перешкоди 3 частина кiнетичної енергiї
струменя витрачається на формування первинно-
го вихору 4, всерединi якого за рахунок ефекту
c© Ю. М. Дудзiнський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко, 2003 29
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2003. Том 6, N 3. С. 29 – 33
а б
Рис. 1. Фiзичнi схеми осесиметричних гiдродинамiчних випромiнювачiв:
а – прямоточний ГДВ, б – протиточний ГДВ
Бернуллi створюються умови для розвитку кавi-
тацiї. Пульсацiї цього тороїдального вихору збу-
джують коливання струменевої оболонки на її вла-
снiй частотi. При розтяганнi оболонки вмiст вихо-
ру 4 виходить назовнi, а за рахунок ефекту Карма-
на утворюється вторинний тороїдальний вихор 5,
який генерує тональний звук у результатi синфа-
зного колапсу кавiтацiйних бульбашок. При цьому
в ГДВ частина потоку струменя вiдводиться в нав-
колишнiй простiр i в автоколиваннях участi не бе-
ре. Внаслiдок цього довжина струменя-оболонки
визначається вiдстанню вiд щiлинного сопла до
центра вторинного вихору.
Розглянемо тепер протиточний ГДВ (рис. 1, б).
Занурений струмiнь, який виходить iз сопла 1,
формується в струмiнь-оболонку 2 за допомогою
вiдбивача з параболiчною лункою 3. У цьому ви-
падку довжина струменя-оболонки визначається
вiдстанню вiд торця вiдбивача до торця сопла. Тут
також присутнi первинний 4 i вторинний 5 торої-
дальнi вихори. Принцип звукоутворення повнiстю
аналогiчний наведеному вище.
Осесиметричнi випромiнювачi характеризу-
ються геометричними параметрами Dc =2r1,
Dmax =2r2, l, h (дiаметрами кiнцiв-основ, висотою
i товщиною оболонки вiдповiдно), гiдродинамi-
чними параметрами ρ, Γ, P∗ (вiдповiдно густиною,
адiабатичною стисливiстю, внутрiшнiм тиском
у рiдинi – її “мiцнiстю”) а також швидкiстю
струменя v на виходi з сопла. У попереднiх
дослiдженнях було показано, що при оптималь-
ному настроюваннi випромiнювача параметр l є
однозначною функцiєю v [2]. При цьому розгля-
далась струменева оболонка середньої довжини
(висотою порядку радiуса: πr/l∼1), для якої
кут мiж твiрною i висотою малий. Це дозволяє
вибрати за базову модель цилiндричну оболонку з
осередненим радiусом r, висотою l i товщиною h,
один кiнець якої жорстко защемлений, а iнший –
вiльний. Струмiнь-оболонка деформується пiд дi-
єю сил, рiвномiрно розподiлених по її внутрiшнiй
поверхнi (всi геометричнi параметри вважаються
вiдомими). За допомогою методики, описаної в
роботi [3], отримуємо вираз для частоти основної
гармонiки власних коливань рiдинної оболонки:
f0 =
1
2πr
√
12 + k4
0
r2h2
12ρ
E . (1)
Тут E – модуль пружностi затопленої струменевої
оболонки; k0 =1.8751/l – параметр коливань, який
вiдповiдає мiнiмальному значенню власної часто-
ти оболонки.
Визначимо фiзичний змiст величини E. У ба-
гатьох практичних задачах, де необхiдно врахо-
вувати стисливiсть рiдин, використовується мо-
30 Ю. М. Дудзiнський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2003. Том 6, N 3. С. 29 – 33
дель Тета, з якої модуль пружностi цилiндричного
струменя-оболонки визначається за формулою [5]
E =
Ka
3(1 − 2µ)
=
ΓP∗
3
. (2)
У виразi (2) µ – коефiцiєнт Пуассона (для затопле-
ного струменя µ=0); P∗ – величина внутрiшнього
тиску в рiдинi, обумовлена взаємодiєю молекул;
Γ – експериментальний параметр, який характе-
ризує вiдхилення адiабатичної стисливостi рiдини
Ka вiд закону Гука. Використовуючи вираз для E,
формулу (1) представимо у виглядi
f0 =
1
2πr
√
(12 + k4
0
r2h2)ΓP∗
36ρ
. (3)
Нелiнiйний параметр для бiльшостi рiдин лежить
у межах Γ=(6.5÷10.5) [5, 6]. Якщо врахувати, що
осесиметричнi ГДВ генерують звук тiльки при на-
явностi тороїдальних зон розвинутої кавiтацiї, то
замiсть внутрiшнього тиску варто взяти межу мi-
цностi рiдини на розрив P∗0. Для вiдстояної во-
допровiдної води, яка не пiддавалась спецiальнiй
обробцi, динамiчнi вимiрювання, проведенi Девi-
сом [7], дали P∗0 =(0.8÷1.4) МПа. В розглянутiй
моделi для води, вiдстояної протягом двох тижнiв
при стабiльнiй температурi, були прийнятi та-
кi величини: P∗0 =1.2 МПа, Γ=7.1; ρ=103 кг/м
3
.
Для трансформаторної олiї цi параметри складали
P∗0=0.297 МПа, Γ=7.5, ρ=950 кг/м
3
.
2. АНАЛIЗ РОЗРАХУНКОВИХ ДАНИХ I
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ РЕЗУЛЬТАТIВ
Для того, щоб перевiрити, наскiльки вiдповiдає
запропонована математична модель параметрам
реальних пристроїв, були дослiдженi характери-
стики осесиметричних ГДВ двох типiв. У випад-
ку прямоточного ГДВ з кiльцевим соплом i схiд-
частою цилiндричною перешкодою (див. рис. 1, а)
радiус кiльцевого сопла r1 i товщина струменя
h залишалися незмiнними, а довжина оболонки l
при перемiщеннi перешкоди змiнювалась в iнтер-
валi вiд 5 до 20 мм. При цьому зростав радiус вiль-
ного кiнця оболонки r2 i, вiдповiдно, збiльшував-
ся радiус еквiвалентного цилiндра r. У випадку
протиточного ГДВ (див. рис. 1, б) застосовувалась
одна пара сопло – вiдбивач (r1 =const; h=const), а
довжина оболонки l регулювалась змiною вiдстанi
мiж торцями сопла i вiдбивача в iнтервалi вiд 5 до
20 мм. Тут збiльшення l також супроводжувалось
зростанням r. Обидва випромiнювачi працювали в
оптимальному режимi, що вiдповiдає максималь-
ному рiвневi акустичного сигналу.
0.0050.0075 0.01 0.0125 0.0150.0175 0.02 0.0225
l , m
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
r,
m
Рис. 2. Залежнiсть радiуса еквiвалентного
струменя-оболонки вiд її довжини
для прямоточного ГДВ
0.002 0.003 0.004 0.005 0.006
l , m
0.0035
0.00375
0.004
0.00425
0.0045
0.00475
0.005
r,
m
Рис. 3. Залежнiсть радiуса еквiвалентного
струменя-оболонки вiд її довжини
для протиточного ГДВ
Вiдомо, що зростання швидкостi струменя на
виходi з сопла призводить до збiльшення макси-
мального r2 i середнього r радiусiв (див. рис. 1).
На рис. 2 представлена залежнiсть радiуса еквi-
валентного струменя-оболонки вiд її довжини для
прямоточного, а на рис. 3 – для протиточного ГДВ.
Аналiз експериментальних результатiв дає такi
функцiональнi залежностi:
f0 =
1
2πr
√
√
√
√
(
12 + (1.8751/l)
4
r2h2
)
ΓP∗
36ρ
, (4)
причому для прямоточного i протиточного ГДВ
Ю. М. Дудзiнський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко 31
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2003. Том 6, N 3. С. 29 – 33
0 0.005 0.01 0.015 0.02
l , m
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
f
,
k
H
z
2
1
Рис. 4. Залежностi частоти основної
гармонiки коливань пружної зануреної
струменевої оболонки вiд її довжини:
1 – для прямоточного ГДВ, 2 – для протиточного ГДВ
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
r , m
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0 .35
f
,
k
H
z
1
2
Рис. 5. Порiвняння обчисленої частоти
основної гармонiки з експериментом:
1 – для прямоточного ГДВ, 2 – для протиточного ГДВ
маємо вiдповiдно
rпрям = 8.4760 ln(400l);
rпрот = 5.709710−6/l − 5.2713l+
+266.60l2 + 1.4542 · 10−2 ln(103l).
(5)
На рис. 4 вiдображенi залежностi частоти основ-
ної гармонiки коливань пружної зануреної струме-
невої оболонки вiд її довжини при незмiнних радi-
усi й товщинi для прямоточного (крива 1) i про-
титочного (крива 2) ГДВ вiдповiдно. Очевидно,
що запропонована модель рiдинної оболонки дає
добрий збiг з експериментальними результатами
в три- чотирикратному дiапазонi значень l. Тому
важливо оцiнити можливiсть застосування розра-
хункових формул (4) для прямоточного (з кiльце-
вим соплом i схiдчастою перешкодою) i протито-
чного ГДВ.
На рис. 5 представленi експериментальнi й тео-
ретичнi залежностi частоти основного тону ГДВ
вiд безрозмiрного параметра оболонки πr/l (до-
слiднi данi представленi маркерами). Аналiз цих
графiкiв дозволив одержати критерiй придатностi
розробленої моделi для розрахунку характеристик
осесиметричних випромiнювачiв. Встановлено, шо
для струменевих оболонок середньої довжини да-
ний параметр повинний задовольняти умову:
• πr/l≥3 – у прямоточному ГДВ з кiльцевим со-
плом i схiдчастою перешкодою;
• πr/l≥3.5 – у протиточному ГДВ.
При виконаннi цiєї умови похибка не перевищує
5 %.
ВИСНОВКИ
1. Розглянуто уточнену модель двох типiв осеси-
метричних гiдродинамiчних випромiнювачiв.
2. Отримано аналiтичну залежнiсть частоти
основного тону генерованого акустичного си-
гналу вiд геометричних параметрiв струмене-
вої оболонки та гiдродинамiчних параметрiв
рiдини. Проведено спiвставлення теоретичних
та експериментальних даних.
3. Встановлено, що частота основної гармонi-
ки акустичних хвиль обернено пропорцiйна
до довжини затопленої струменевої оболонки.
При цьому отримана не тiльки якiсна залеж-
нiсть, але й кiлькiсне спiввiдношення мiж те-
оретичними й експериментальними даними.
4. Виведено критерiй придатностi представле-
них моделi i розрахункових спiввiдношень для
розглянутих типiв гiдродинамiчних перетво-
рювачiв.
1. Дудзинский Ю. М., Назаренко О. А. Энергетиче-
ские характеристики вторичной вихревой области
осесимметричного гидродинамического излучате-
ля // Акуст. вiсн.– 2000.– 3, N 1.– С. 36–41.
2. Дудзинский Ю. М., Маничева Н. В., Назарен-
ко О. А. Оптимизация параметров широкополо-
стного излучателя в условиях избыточных стати-
ческих давлений // Акуст. вiсн.– 2001.– 4, N 2.–
С. 38–46.
3. Дудзинский Ю. М., Назаренко О. А. Колебания
затопленной осесимметричной струи-оболочки //
Акуст. вiсн.– 2001.– 4, N 4.– С. 27–35.
32 Ю. М. Дудзiнський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2003. Том 6, N 3. С. 29 – 33
4. Максимов В. Г., Сухарьков О. В., Сухарь-
ков А. О. Технологические возможности гидроди-
намических излучателей в процессе очистки вну-
тренних поверхностей деталей автомобилей // Тр.
Одес. политехн. ун-та.– 2003.– Вып. 1(19).– С. 59–
65.
5. Зарембо Л. К., Красильников В. А. Введение в не-
линейную акустику.– М.: Наука, 1966.– 520 с.
6. Корнфельд М. Упругость и прочность
жидкостей.– М.: ГИТТЛ, 1951.– 150 с.
7. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация.– М.:
Мир, 1974.– 688 с.
Ю. М. Дудзiнський, А. О. Сухарьков, О. А. Назаренко 33
|