Экспериментальное исследование формирования нестационарных вихревых воронок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Штарёв Александр Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВИХРЕВЫХ ВОРОНОК

Специальность 01.02.05. - "Механика жидкости, газа и плазмы"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005 г. .

Работа выполнена на кафедре физической механики Московского физико-технического института (государственного университета) и в Институте механики МГУ им.М.В. Ломоносова.

доктор физико-математических наук, профессор Павельев Анатолий Абрамович;

доктор физико-математических наук, профессор Жмур Владимир Владимирович;

доктор физико-математических наук, профессор Липатов Игорь Иванович.

филиал Центрального Аэрогидродинамического Института им. проф. Н.Е. Жуковского

Защита диссертации состоится

« 2С» апреля 2005г. в часов

на заседании диссертационного совета К 212.156.06 при Московском физико-техническом институте (государственном университете) по адресу: 141700, г.Долгопрудный, Московская обл., Институтский переулок, 9,

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н, доцент

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Березникова М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Истечение из предварительно заполненных жидкостью емкостей через сливные отверстия небольшого диаметра реализуется во многих бытовых и технических устройствах. В некоторых случаях истечение сопровождается образованием у сливных отверстий интенсивных вихревых течений с воздушным ядром, в ряде случаев проникающим в сливное отверстие. Формирование такого рода течений, именуемых в дальнейшем вихревыми воронками, может приводить к ряду технических проблем, препятствующих нормальному функционированию этих устройств (проникновение воздуха в трубопроводы, изменение характеристик потока и т.д.). Исследование причин возникновения позволит управлять появлением и ростом концентрированных вихревых течений, что особенно важно при проектировании и обслуживании таких технических устройств, как баки, трубопроводы, различные сливные устройства и т.д.

Последнее время появилось много работ, посвященных исследованию различных характеристик и свойств вихревых воронок. Как правило, исследуются различные характеристики стационарных вихревых воронок. Нестационарные вихревые воронки, образующиеся при истечении жидкости из предварительно заполненной емкости, изучены значительно меньше. Систематических экспериментальных исследований данного явления выполнено недостаточно для определения причин образования вихря в каждом конкретном случае. Кроме того, данный вопрос является частью более общей проблемы, которая может быть охарактеризована как определение условий формирования концентрированного вихревого течения в системах, изначально не содержащих таких вихревых течений. Здесь можно отметить вопрос об условиях возникновения таких атмосферных явлений, как тайфуны, торнадо и т.д.

Можно указать на несколько возможных причин возникновения вихревых воронок при истечении жидкостей из емкостей: действие сил Кориолиса, неустойчивость течения, асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. Из этих причин детально изученным можно считать воздействие сил Кориолиса, которые приводят к вращению только в специальных условиях, не реализуемых обычно в бытовых и технических устройствах. Что касается трех остальных причин, то их влияние на возникновение вращения изучено недостаточно. Для того, чтобы изучить возможность возникновения вращения из-за влияния этих факторов, необходимы систематические

экспериментальные исследования. Можно надеяться, что изучение условий возникновения концентрированного вихревого течения в конкретном течении поможет определить условия возникновения таких вихревых течений в других случаях.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:

1. Создание установки по изучению условий формирования вихревых воронок.

2. Исследование таких возможных причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

3. Изучение влияния вихревых воронок на истечение жидкости из предварительно заполненной емкости.

Научная новизна:

1. Проведено экспериментальное исследование таких условий возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

Заполнение емкости осуществлялось таким способом, что при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения емкости истечение происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки. При исследовании асимметрии граничных условий было обнаружено, что расположение предметов, установленных внутри цилиндрического бака, при вытекании незакрученной жидкости не приводило к появлению вихревых воронок.

2.Исследовано влияние положения сливного отверстия на возникновение вихревой воронки при наличии в жидкости вращения. Обнаружено, что смещение сливного отверстия относительно оси бака приводит к значительному снижению высоты образования вихревой воронки. Построена зависимость высоты образования вихревой воронки от смещения относительно оси бака.

3. Исследовано поведение расхода жидкости при образовании вихревой воронки над сливным отверстием в зависимости от высоты наполнения бака, скорости вращения жидкости и диаметра, сливного отверстия. В результате проведенных экспериментов получен ряд зависимостей расхода от высоты столба жидкости в баке при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий.

Проведено сопоставление поведения расхода с появлением и ростом вихревых воронок. Выявлены фазы развития вихревых воронок.

Практическая ценность:

Создана экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений. Получены данные, о влиянии ряда факторов на появление концентрированных вихревых течений при истечении жидкости из предварительно заполненных емкостей. Построены зависимости высоты образования вихревых воронок от положения сливного отверстия и скорости вращения жидкости. Получены зависимости расхода жидкости от времени вытекания при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Собранные данные позволяют прояснить явление возникновения вихревых воронок при истечении из предварительно заполненных емкостей, а знание полученных зависимостей актуально при разработке различных технологических установок.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений.

2. Результаты экспериментов по исследованию таких причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

3. Результаты измерений параметров вихревых воронок при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на ХЬГУ научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2001г.), на международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность "Не-За-Те-Ги-Ус"» (Москва, 2004г.), на «Ломоносовской конференции» проводимой Институтом механики МГУ (Москва, 2004г.).

По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, список которых представлен в конце автореферата.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель научная новизна и практическая ценность. Сформулированы положения, выносимые на защиту. Кроме того, кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе обсуждается современное состояние проблемы. Здесь дается обзор работ, посвященных исследованию причин возникновения вихревых воронок, изучению параметров вихревых воронок, описанию экспериментальных установок и некоторым применениям вихревых воронок.

В п.1.1 дается обзор теоретических и экспериментальных работ связанных с исследованием различных параметров стационарных вихревых воронок Подробно описано влияние наличия вихревой воронки над сливным отверстием на расход жидкости в зависимости от вязкости и скорости вращения жидкости. Выводятся приблизительные формулы распределения скоростей, формы свободной поверхности и взаимная зависимость характеристик течения, таких как размер впадины свободной поверхности, скорость истечения и скорость вращения ядра вихревой воронки при образовании стационарной вихревой воронки над сливным отверстием.

Исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений посвящено значительно меньшее количество работ. В п. 12 приведены различные гипотезы о механизме возникновения вихревых воронок. Одной из гипотез, которая выдвигалась для объяснения причин возникновения вихрей при вытекании жидкости из баков и раковин, являлось предположение об определяющем влиянии сил Кориолиса, возникающих из-за вращения Земли. Исследование влияния сил Кориолиса требует, чтобы возмущения, возникшие в жидкости при заполнении емкости и открытии сливного отверстия, угасли до уровня меньшего, чем скорость вращения Земли в том месте, где проводится эксперимент. Для этого приходилось выдерживать жидкость после заполнения не менее 24 часов. Было показано, что в специальных условиях из-за действия сил Кориолиса при истечении жидкости из бака возникает вихревое течение вблизи сливного отверстия, но из результатов этих же экспериментов следует, что на наблюдаемое в бытовых условиях вращение вблизи сливного отверстия силы Кориолиса не влияют.

Можно указать на несколько возможных причин возникновения вихревой воронки над сливным отверстием: действие сил Кориолиса, неустойчивость течения, асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. Наиболее подробно исследовано влияние силы Кориолиса на возникновение вихревых воронок. Что

касается трех остальных причин, то их влияние на возникновение вращения изучено недостаточно.

Вторая глава посвящена созданию установки по исследованию условий возникновения концентрированного

вихревого течения над сливным отверстием при истечении жидкости. Приводится описание общей схемы установки и узлов, обеспечивающих работу установки.

Принципиальная схема установки представлена на рис.1. Установка предназначена для формирования различных течений жидкости, обеспечивая максимально симметричное и

невозмущенное движение жидкости при стационарном и нестационарном режиме истечения, что позволяет контролируемым образом менять структуру вносимых в поток возмущений и симметрию потока.

Установка состоит из: прозрачного

Рис.1 Принципиальная схема установки.

цилиндра (1) диаметром 0.306 м и высотой 0.7 м, дна (2), диаметр и форму сливных отверстий которого можно изменять в широких пределах, и узлов подвода жидкости (4).

Подвод жидкости в бак осуществляется в верхней части бака через узлы подвода (4), сетку (5) и хонейкомб (6). Конструкция и характеристики этих устройств выбираются таким образом, чтобы возмущения в потоке жидкости после их прохождения были минимальны.

Хонейкомб (6) набран из трубок диаметром 1 мм. Длина трубок выбрана из условия, чтобы при всех режимах течения в канале хонейкомба создавался профиль скорости, близкий к профилю Пуайзеля. При этом вихревые движения, существующие перед хонейкомбом, гасятся.

В центральную часть цилиндра может быть установлен полый металлический цилиндр, с крепящимся на нем прозрачным диском (7), который вместе с цилиндром может перемещаться в вертикальном направлении и вращаться вокруг собственной оси. Вращение может иметь различные скорости и осуществляется с помощью

электродвигателя (8). Диск имеет форму, позволяющую воздуху при погружении диска в жидкость находиться в нижней части диска, образуя свободную поверхность над сливным отверстием.

Визуализация потока осуществлялась путем введения в поток струй подкрашенной жидкости через отверстия, расположенные на боковой стенке и дне бака (2).

Дно бака также как и боковые стенки, для удобства наблюдения, изготовлено из прозрачного материала. Кроме центрального отверстия (3) в дне было проделано два дополнительных боковых отверстия диаметром 10 мм, с целью изучения влияния

асимметрии положения сливного отверстия на возникновение вращения. Диаметр центрального сливного отверстия принимал следующие значения: 10,20 и 30 мм.

Для более полного исследования влияния положения сливного отверстия на возникновение вращения было

сконструировано приспособление рис.2, позволяющее плавно перемещать сливное отверстие. Диаметр сливного отверстия в данном случае равнялся 8 мм.

Происходящее в основном баке и промежуточной емкости фиксировалось на цифровую видеокамеру Sony DCR-TRV355E стандарта Digital 8, имеющей следующие параметры: размер изображения 720x576 пикселей, частота кадров 25 кадров в секунду.

В третьей главе приведены методика расчета расхода жидкости, оценка точности получаемых данной методикой данных и сравнение их с другими способами измерения расхода. Поскольку в работе проводились измерения характерных размеров течения по фотоснимкам, получаемым видеокамерой, то в третьей главе приведена также оценка точности определяемых таким образом размеров.

В п.3.1 описан порядок запуска установки и методика расчета скорости опускания столба жидкости. Съемка на видеокамеру велась таким образом, чтобы в поле зрения всегда было видно границу жидкость-воздух и линейку со шкалой. Показания линейки пересчитывались в значения высоты столба жидкости и строился график зависимости высоты столба жидкости от времени. Полученные экспериментальные точки сглаживались методом скользящего среднего и строилась сглаженная кривая,

Рис.2 Приспособление для плавного изменения положения сливного отверстия

дифференцируя которую получали скорость опускания столба жидкости и строили график зависимости скорости опускания столба жидкости от высоты столба жидкости. Применение других методик сглаживания показало, что отклонение получаемых значений скорости опускания от рассчитанных с помощью метода скользящего среднего не превышает 5%.

Как легко заметить, скорость опускания столба жидкости напрямую связана с расходом жидкости, протекающим через сливное отверстие. В п.3.2 приведена методика расчета расхода по известной скорости опускания. Однако расход жидкости, измеренный таким образом, совпадает с реальным расходом жидкости лишь в том случае, если в жидкости нет воронки. При появлении воронки, через сливные отверстия сливается дополнительный «неучтенный» объем жидкости, равный объему вихревой воронки. Измерение по фотографиям объема воздушного ядра вихревых воронок показало, что во время образования вихревой воронки отклонение значений расхода, измеряемого данным методом, от реальных значений не превышает 20%. Это отклонение наблюдается в течение интервала времени составляющего 1-5% от общего временем вытекания

В п.3.3 описана методика измерения угловой скорости начального вращения жидкости. Под угловой скоростью начального вращения жидкости в работе подразумевалось значение угловой скорости вращения на радиусе 100 мм перед открытием сливного отверстия. Измерение угловой скорости начального вращения производилось при помощи видеокамеры по скорости движения капли краски.

Определение диаметра и высоты вихревых воронок, положения объектов и других характерных размеров течения производилось по фотографиям течения. Поскольку бак, в котором проводились эксперименты цилиндрический, то визуальные размеры объектов, находящихся в жидкости значительно искажаются. Поэтому, для изучения влияния искажений, вносимых цилиндрическим баком с жидкостью, на измеряемые параметры течений и определение точности, полученных данных, были проведены несколько экспериментов, описанных в п.3.4. Исследование показало, что искажение размеров определяемых по фотографиям не зависят от оптической системы самой видеокамеры, но зависит от положения видеокамеры и объектов измерения. Изображение объектов при этом растягивается в k=0,78 раз, а погрешность измерения составляет приблизительно 7%.

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по исследованию причин возникновения вихревых воронок и результаты экспериментов по измерению расхода жидкости при образовании вихревых воронок над сливным отверстием.

В п.4.1 приведено описание эксперимента по исследованию влияния неустойчивости течения на возникновение вихревой воронки. В эксперименте предполагалось, что течение в сужающемся канале может быть неустойчиво и при закрутке жидкости через некоторое время возникнет вихревая воронка, которая будет существовать в таком течении и далее, после прекращения закрутки. При проведении эксперимента установка запускалась в стационарном режиме, в жидкость опускался на высоту 5<Л<50см прозрачный диск, под которым находился воздух. Эксперимент показал, что искусственно созданное вращение через некоторое время затухает. Т.е. данное течение устойчиво к такого рода возмущениям.

В следующем эксперименте предполагалось, что в некоторых случаях внутри сливных труб может возникать вращение (из-за решеточки над сливным отверстием, изогнутости труб и т.д.) и из сливного отверстия такого рода возмущения могут проникать в жидкость над сливным отверстием и приводить к образованию воронки. Перед проведением эксперимента в сливное отверстие вставлялся специальный закрученный шнек. Установка запускалась в нестационарном режиме. Появления вихревой воронки в эксперименте не наблюдалось.

Формирование вихревых воронок при истечении из различных бытовых устройств, баков зачастую происходит при наличии в жидкости начального вращения, появившегося там вследствие работы этих устройств или несимметричного заполнения емкостей. В эксперименте, описанном в п.4.2 исследуется влияние начального вращения жидкости на образование воронки. Исследование проводилось в нестационарном режиме при различных высотах заполнения и скорости закрутки жидкости

Вытекание жидкости происходило через центральное отверстие, диаметр которого устанавливали равным 10,20 и 30 мм.

Исследование показало, что если жидкость в баке перед открытием была закручена, то через 5-30 с над сливным отверстием всегда формировалась вихревая воронка, которая сохранялась в жидкости до конца вытекания. Формирование воронки происходило при всех высотах наполнения бака. Сформировавшаяся воронка существовала в жидкости до конца вытекания. При скорости вращения жидкости в жидкости формировались замкнутые вихревые воронки, воздушные ядра которых не проникали в сливное отверстие.

В эксперименте, описанном в п.4.3. проводилось исследование влияния на возникновение вихревой воронки различных цилиндрических и прямоугольных предметов, расположенных асимметрично по отношению к сливному отверстию.

и

Предметы устанавливались на дно бака на различных расстояниях от сливного отверстия. Цилиндрические предметы имели следующие размеры: высота 200 мм, диаметр 70 мм; а прямоугольные предметы: высота 200 мм, длина стороны 70 мм. Бак наполнялся жидкостью и некоторое время отстаивался. Вытекание жидкости происходило через центральное отверстие и в некоторых экспериментах через боковое отверстие, смещенное на 100 мм относительно центра. Исследование показало, что во всех случаях вытекание происходило без образования воронки, как при вытекании через центральное отверстие, так и через боковое отверстие.

В следующей группе экспериментов изучалось влияние на возникновение вихревой воронки асимметрии расположения сливного отверстия при наличии в жидкости начального вращения. Исследование проводилось в нестационарном режиме истечения. Жидкость вытекала в различных комбинациях через центральное и два боковых отверстия диаметром 10 мм, расположенных симметрично на расстоянии 100 мм относительно оси. При проведении экспериментов бак наполнялся жидкостью до высоты

tj = Зсек. t2 = 58сек. t3 = 150сек.

Рис.3. Истечение жидкости через центральное и боковое отверстия.

На рис.3 приведена последовательность фотографий при истечении жидкости через центральное и одно боковое отверстия одновременно. Формирование воронки над центральным отверстием, в данном случае, происходило через -10 с после открытия отверстия при а над боковым отверстием формирования воронки

происходило через ~150с на в ы с о А е-®03.е щ е н и е сливного отверстия таким образом приводило к снижению высоты образования вихревой воронки.

В п.4.4 приведено исследование расхода от высоты столба жидкости для различных высот наполнения 0.3<А"<2, скорости вращения жидкости 0.0 < уу» <2.0 с"1 и диаметрах сливного отверстия 8, 10, 20, 30 мм. При проведении экспериментов со сливным отверстием диаметром 8 мм использовалось дополнительное приспособление, позволяющее плавно изменять положение сливного отверстия.

В пятой главе приведены анализ полученных экспериментальных данных и сопоставление с результатами других работ.

В п.5.1 проведен анализ влияния неустойчивости течения, наличия вращения жидкости и асимметрии граничных условий на возникновение вихревой воронки.

Возникновения вихревой воронки из-за влияния неустойчивости, не наблюдалось ни в одном из экспериментов. Однако это не означает, что неустойчивость не может приводить к возникновению интенсивного вихревого вращения в других случаях. Можно лишь утверждать, что в классе течений, подобных рассмотренному в эксперименте, на возникновение интенсивного вихревого вращения неустойчивость не влияет или это влияние мало, по сравнению с другими факторами.

Наличие в жидкости вращения перед открытием сливного отверстия, всегда приводило к образованию вихревых воронок, а при отсутствии вращения, формирования вихревых воронок не происходило.

Влияние асимметрии граничных условий на возникновение воронки обнаружено небыло. Установка различных предметов внутри бака не приводила к формированию вихревых воронок, за исключением нескольких случаев, когда расположение предметов создавало явный момент скорости относительно оси бака.

В п.5.2 проведен подробный анализ поведения кривой расхода. Сопоставив появление, рост и дальнейшее развитие вихревой воронки с зависимостью расхода от высоты столба жидкости было выделено несколько качественных этапов поведения кривой расхода, характерных для всех кривых с различными Ъ„ и »>„.

Начальная фаза вытекания (Фаза Л. При открывании сливного отверстия перед образованием воронки расход изначально закрученной жидкости равняется расходу не закрученной жидкости. Появление воронки (Фаза Ю. При появлении воронки расход резко уменьшается. Уменьшение происходит до момента, пока воздушное ядро воронки не «пробьет» весь столб жидкости. Рост воронки сопровождается значительным увеличением скорости вращения жидкости у ядра воронки. Развитие воронки (фаза 1Ш. После образования «сквозной» воронки значение расхода уменьшается более медленно. На отрезке Л«300...450мм расход не зависил от высоты д —120 мл/с. На этой фазе вытекания

скорость вращения жидкости у ядра воронки остается примерно постоянной. Заключительная Фаза вытекания (фаза IV). На заключительной фазе расход всегда уменьшается. Характерной чертой заключительной фазы вытекания является то, что на этом участке времени расход жидкости пропорционален .

При исследовании расхода жидкости в зависимости от скорости вращения были отмечены следующие закономерности: чем больше скорость вращения жидкости, тем короче фаза I и тем быстрее происходило образование воронки (длина фазы П уменьшалась); при после образования воронки устанавливался режим

течения когда на расстоянии расход не зависил от высоты при

«^>0.4 С"1 на фазе III происходило не ускорение вращения жидкости у ядра воронки, а торможение вращения, при этом расход увеличивался, пока не достигал значения

Ц ~ 0.58,затем расход начинал уменьшаться (фаза IV).

Исследование зависимости расхода жидкости в зависимости от

высоты начального наполнения бака и скорости вращения показало, что

зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания (фаза IV) не зависала от скорости начального вращения рис.4. Зависимость [3], которая описывала зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания была названа «предельной». Предельные зависимости для сливных отверстий диаметром описывались

уравнением: где д • безразмерный

коэффициент расхода жидкости, - высота столба жидкости. Зависимости

расхода от высоты столба жидкости для течений со скоростью вращения заполняют все пространство между предельной кривой [3] и кривой вытекания жидкости

Рис.4 Зависимость расхода д* от высоты столба жидкости

Рис.5 Зависимость высоты образования воронки от смещения сливного отверстия.

без вращения [1]. Чем меньше начальная скорость вращения, тем ближе зависимость

расхода от высоты столба жидкости расположена к кривой [1 ].

Исследование зависимости

коэффициента расхода числа

Рейнольдса Red показало, что на участке

истечения со сформировавшейся вихревой воронкой, воздушное ядро которой проникает в сливное отверстие, коэффициент расхода не зависил от числа Рейнольдса. Диапазон чисел Рейнольдса, в котором изучалось формирование вихревых воронок

5000< <50000.

При наличии в жидкости вращения на возникновение вихревой воронки

значительное влияние оказывало положение сливного отверстия. На рис.5 приведена зависимость высоты образования воронки от

смещения отверстия полученная

при помощи дополнительного

приспособления, позволяющего плавно изменять положение сливного отверстия. Из рисунка видно, что высота образования монотонно убывает при удалении сливного отверстия от оси бака.

Исследование влияния скорости вращения на высоту образования вихревой воронки при смещенном отверстии (Дг* =0.1) рис.6 показали, что высота образования вихревой воронки монотонно возрастает с уменьшением скорости вращения жидкости. Следует отметить, что при тео<0.07с"1 образуются замкнутые воронки, не проникающие в сливное отверстие, а при образования вихревых воронок не наблюдалось

вообще.

Рис.6 Зависимость высоты образования воронки от скорости вращения жидкости.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы условия формирования вихревых воронок при истечении жидкости из предварительно заполненной цилиндрической емкости. Использовалось такое устройство для заполнения жидкости, при котором истечение жидкости при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки.

2. Проведенные исследования показали, что на образование вихревой воронки существенное влияние оказывает положение сливных отверстий.

3. Исследование зависимости высоты образования вихревой воронки от положения сливного отверстия показало, что высота образования воронки монотонно убывает при удалении сливного отверстия от оси бака. При фиксированном смещении сливного отверстия высота образования вихревой воронки возрастает с уменьшением скорости вращения жидкости.

4. Проведено сопоставление изменения расхода жидкости с появлением и ростом вихревой воронки. Выделены характерные этапы в зависимости расхода жидкости от высоты столба жидкости.

5. Исследование зависимости расхода жидкости при различных высотах наполнения бака и скорости вращения жидкости показало, что для каждого течения существует характерная скорость вращения при которой вихревая воронка проникает в сливное отверстие. При скорости, превышающей это характерное значение, зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания не зависала от скорости начального вращения. Эта зависимость была названа «предельной» и для неё получена формула, описывающая экспериментальные результаты.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Павельев А.А., Штарев АА. Эксперимент по формированию вихря при вытекании жидкости из бака //Изв. РАН. МЖГ. 2001. №5. С.203-207.

2. Штарев А.А. Экспериментальное исследование расхода при нестационарном истечении жидкости из заполненной емкости //Изв. РАН. МЖГ. 2005. №2. С. 114-122

3. Павельев А.А., Штарев А.А. "Условия формирования нестационарных вихревых воронок" Электронный журнал "Исследовано в России", 249, стр. 2673-2683, 2004 г. http://zhurnal.ape.relam.ni/articles/2004/249.pdf

4. Павельев А.А., Штарёв А.А. Эксперимент по формированию вихря при вытекании жидкости из бака. Тезисы докладов XLIV Научной конференции МФТИ. Часть III. Изд. МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2001.

5. Штарев А.А. Исследование изменения расхода жидкости при формирования вихря вблизи сливного отверстия. Тезисы докладов конференции «Не-За-Те-Ги-Ус» (Нелинейные задачи гидродинамической устойчивости) Института механики МГУ. Москва. 2004. Тез. докл.

6. Павельев А.А., Штарев А.А. Экспериментальное исследование условий формирования концентрированного вихря при вытекании жидкости из цилиндрической емкости. Тезисы докладов Ломоносовской конференции МГУ. 2004.

7. Штарев А.А. Экспериментальное исследование влияние вихревой воронки на изменение расхода жидкости. Тезисы докладов Ломоносовской конференции МГУ. 2004.

Штарев Александр Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВИХРЕВЫХ ВОРОНОК

Автореферат

Подписано в печать 21.02.05.Формат 60*90. Печать офсетная.Усл.печать.л.1.2 тираж 70 экз.

Московский физико-технический институт

(государственный университет). 141700,г.Долгопрудный, Институтский пер.9.

Актуальность работы: .3

Цели работы:.4

Научная новизна:.4

Практическая ценность:.5

На защиту выносятся:.5

Апробация работы:.6

Структура диссертации: .6

1. Обзор литературы

1.1 Исследование параметров вихревых воронок.8

1.2 Причины возникновения вихревых воронок.14

2. Описание установки

2.1 Экспериментальная установка.20

2.2 Основной бак.21

2.3 Дно бака.22

2.4 Устройство для плавного смещения сливного отверстия.23

2.5 Съемка на видеокамеру.25

3. Методы измерений

3.1 Измерение скорости опускания столба жидкости.27

3.2 Измерение расхода жидкости.32

3.3 Измерение угловой скорости вращения жидкости.37

3.4 Измерение размеров объектов и расстояний между объектами в наполненном жидкостью баке.39

4. Исследование основных причин возникновения вихревой воронки и измерение параметров концентрированного вихревого течения

4.1 Исследование влияния неустойчивости течения на возникновение вихревой воронки.46

4.2 Исследование влияния вращения жидкости на возникновение вихревой воронки.49

4.3 Исследование влияния симметрии граничных условий на возникновение вихревой воронки.50

4.4 Измерение расхода жидкости.64

6 Анализ полученных результатов

6.1 Причины возникновения вихревой воронки.75

6.2 Исследование изменения расхода жидкости при образовании 78 вихревой воронки.

7. Заключение.89

8. Список литературы.90

Введение.

Актуальность работы

Истечение из предварительно заполненных жидкостью емкостей через сливные отверстия небольшого диаметра реализуется во многих бытовых и технических устройствах. В некоторых случаях истечение сопровождается образованием у сливных отверстий интенсивных вихревых течений с воздушным ядром, в ряде случаев проникающим в сливное отверстие. Формирование такого рода течений, именуемых в дальнейшем вихревыми воронками, может приводить к ряду технических проблем, препятствующих нормальному функционированию этих устройств (проникновение воздуха в трубопроводы, изменение характеристик потока и т.д.). Исследование причин возникновения позволит управлять появлением и ростом концентрированных вихревых течений, что особенно важно при проектировании и обслуживании таких технических устройств, как баки, трубопроводы, различные сливные устройства и т.д.

Последнее время появилось много работ, посвященных исследованию различных характеристик и свойств вихревых воронок. Как правило, исследуются различные характеристики стационарных вихревых воронок. Нестационарные вихревые воронки, образующиеся при истечении жидкости из предварительно заполненной ёмкости, изучены значительно меньше. Систематических экспериментальных исследований данного явления выполнено недостаточно для определения причин образования вихря в каждом конкретном случае. Кроме того, данный вопрос является частью более общей проблемы, которая может быть охарактеризована как определение условий формирования концентрированного вихревого течения в системах, изначально не содержащих таких вихревых течений. Здесь можно отметить вопрос об условиях возникновения таких атмосферных явлений, как тайфуны, торнадо и т.д.

Можно указать на несколько возможных причин возникновения вихревых воронок при истечении жидкостей из емкостей: действие сил Кориолиса, неустойчивость течения, асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. Из этих причин детально изученным можно считать воздействие сил Кориолиса, которые приводят к вращению только в специальных условиях, не реализуемых обычно в бытовых и технических устройствах. Что касается трех остальных причин, то их влияние на возникновение вращения изучено недостаточно. Для того, чтобы изучить возможность возникновения вращения из-за влияния этих факторов, необходимы систематические экспериментальные исследования. Можно надеяться, что изучение условий возникновения концентрированного вихревого течения в конкретном течении поможет определить условия возникновения таких вихревых течений в других случаях.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать цели работы:

1. Создание установки по изучению условий формирования вихревых воронок.

2. Исследование таких возможных причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

3. Изучение влияния вихревых воронок на истечение жидкости из предварительно заполненной ёмкости.

Научная новизна:

1. Проведено экспериментальное исследование таких условий возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

Заполнение емкости осуществлялось таким способом, что при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости истечение происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки. При исследовании асимметрии граничных условий было обнаружено, что расположение предметов, установленных внутри цилиндрического бака, при вытекании незакрученной жидкости не приводило к появлению вихревых воронок.

2.Исследовано влияние положения сливного отверстия на возникновение вихревой воронки при наличии в жидкости вращения. Обнаружено, что смещение сливного отверстия относительно оси бака приводит к значительному снижению высоты образования вихревой воронки. Построена зависимость высоты образования вихревой воронки от смещения относительно оси бака.

3. Исследовано поведение расхода жидкости при образовании вихревой воронки над сливным отверстием в зависимости от высоты наполнения бака, скорости вращения жидкости и диаметра сливного отверстия. В результате проведенных экспериментов получен ряд зависимостей расхода от высоты столба жидкости в баке при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Проведено сопоставление поведения расхода с появлением и ростом вихревых воронок. Выявлены фазы развития вихревых воронок.

Практическая ценность:

Создана экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений. Получены данные, о влиянии ряда факторов на появление концентрированных вихревых течений при истечении жидкости из предварительно заполненных емкостей. Построены зависимости высоты образования вихревых воронок от положения сливного отверстия и скорости вращения жидкости. Получены зависимости расхода жидкости от времени вытекания при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий. Собранные данные позволяют прояснить явление возникновения вихревых воронок при истечении из предварительно заполненных емкостей, а знание полученных зависимостей актуально при разработке различных технологических установок.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка по исследованию условий возникновения концентрированных вихревых течений.

2. Результаты экспериментов по исследованию таких причин возникновения вихревых воронок, как асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением.

3. Результаты измерений параметров вихревых воронок при различных высотах наполнения бака, скоростях вращения жидкости и диаметрах сливных отверстий.

Апробация работы;

Основные результаты работы докладывались на Х1ЛУ научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2001г.), на международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность "Не-За-Те-Ги-Ус"» (Москва, 2004г.), на «Ломоносовской конференции» проводимой Институтом механики МГУ (Москва, 2004г.).

По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, список которых представлен в конце автореферата.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

6. Заключение

1. Исследованы условия формирования вихревых воронок при истечении жидкости из предварительно заполненной цилиндрической ёмкости. Использовалось такое устройство для заполнения жидкости, при котором истечение жидкости при открытии сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости происходило без формирования вихревой воронки в течении всего времени истечения. При создании в жидкости перед открытием сливного отверстия вращения с помощью погруженного в жидкость вращающегося в течении некоторого времени диска истечение происходило с образованием вихревой воронки.

2. Проведенные исследования показали, что на образование вихревой воронки существенное влияние оказывает положение сливных отверстий.

3. Исследование зависимости высоты образования вихревой воронки от положения сливного отверстия показало, что высота образования воронки монотонно убывает при удалении сливного отверстия от оси бака. При фиксированном смещении сливного отверстия высота образования вихревой воронки возрастает с уменьшением скорости вращения жидкости.

4. Проведено сопоставление изменения расхода жидкости с появлением и ростом вихревой воронки. Выделены характерные этапы в зависимости расхода жидкости от высоты столба жидкости.

5. Исследование зависимости расхода жидкости при различных высотах наполнения бака и скорости вращения жидкости показало, что для каждого течения существует характерная скорость вращения при которой вихревая воронка проникает в сливное отверстие. При скорости, превышающей это характерное значение, зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания не зависала от скорости начального вращения. Зависимость, которая описывала зависимость расхода от высоты столба жидкости на заключительном этапе вытекания была названа «предельной». Получено уравнение предельной зависимости.

1. Альтшуль А.Д., МарголинМ.Ш. Влияние вихревых воронок на коэффициент расхода при истечении жидкости из отверстий //Гидротехническое строительство. 1968. №6. с.32-34.

2. Альтшуль А.Д., Марголин М.Ш., Об истечении из отверстий с образованием вихревых воронок. Сборник трудов МИСИ, 1968г., №55, выпуск 1.

3. Марголин М.Ш., Об измерении окружных скоростей потоков с вихревыми воронками. Сборник трудов МИСИ, 1968г., №55, выпуск 1.

4. Camichel С. et Escande L., Similitude hidrodinamique et echnique des modeles réduits. 1938.

5. Kolf R.C., Zielinski P.B., The vortex chamber as an automatic flow-control device, Proc. ASCE, vol 85,1959, Nr Hv 12

6. Фокеев B.C. Гидравлические вихревые воронки, их исследование и практическое применение. 1959г.

7. Rochan К., Kurcovaniu profílu lievicovecho viru "Vodohospod, casop.", 1966,14, №1.

8. Марголин М.Ш., Расчет параметров вихревых воронок на гидротехнических сооружениях. Сборник трудов МИСИ, 1969г., №67.

9. Васильев О.Ф., Некоторые вопросы механики винтовых и циркуляционных потоков. Сборник трудов МИСИ, 1955г. №9

10. ГромекаИ.С., Некоторые случаи движения несжимаемой жидкости. Казань. 1881.

11. Жуковский Н.Е., Лекции по гидродинамике. 1886.

12. Милович А.Я., Основы динамики жидкости (гидродинамика). Энергоиздат. 1933.

13. Потапов М.В., Винтовое как частный случай циркуляционного течения в русловом потоке. Соч. Т.2. Сельхозгиз. 1951.

14. Потапов М.В., Винтовое движение жидкости в прямом открытом канале прямоугольного сечения. Соч. Т.2. Сельхозгиз. 1951.

15. Пышкин Б.А., Винтовое движение жидкости в круглых трубах. Известия АН СССР. ОТН №1. 1947.

16. Beltrami Е., Considerazioni idrodinamiche, Rendiconti del Reale Istituto Lombarrdo di scienze e lette, t.XXII. Milano. 1889

17. Lecornurb., Sur les tourbillons d'une veine fluide. Comptes rendus Acad. Sc., t.168. No 19. Paris. 1919.

18. Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя. Наука. 1969.

19. Калашник М.В., Формирование вихревой воронки стоком массы в модели мелкой воды//Изв. РАН. МЖГ. 2004. № 2. С. 120-132.

20. Lauffer Н., Einfluss der Oberflachenspannung auf den Ausfluss der Poncelet Offhungcn. VDJ. 1935. 11/V.

21. Swift H.W., Orifice Flow as affected by Viscosity and Capilarity. Philosoph Magazin, 1926, oct.

22. Альтшуль А.Д., О влиянии поверхностного натяжения на истечение жидкостей из отверстий. Сборник трудов МИСИ, 1968г., №55, выпуск 1.

23. Геллер З.И., Скобельцын Ю. А., Влияние гравитационных и поверхностных сил на коэффициент расхода внешних цилиндрических насадков. "Нефтяное хозяйство", 1963г., №9.

24. Альтшуль А.Д., Истечение из отверстий жидкостей с повышенной вязкостью. "Нефтяное хозяйство", 1959г., №2

25. Andersen A., Bohr A., Stenum В., J. Juul Rasmussen, and LautrupB., Anatomy of a bathtub vortex. // Physical review letters. September 2003. Phys. Rev. Lett. 91,104502.

26. Lundgren T.S., J. Fluid Mech. 155,381,1985.

27. Owen J,M., Pincombe J.R., Rogers R.H., J. Fluid Mech. 155,233, 1985.

28. Andersen A., Lautrup В., Bohr T., J. Fluid Mech. 487, 81,2003.

29. Фокеев B.C., Некоторые свойства устойчивой вихревой воронки. Гидротехническое строительство, 1951г. №5.

30. Фокеев B.C., Вихревые воронки их примененние на электростанциях. Издательство «Энергия»., 1964г.

31. Халпахчян А.Х., К вопросу истечения жидкости через донные отверстия. Изв.АН Армянской ССР том 1 1948г. Ереван

32. Исакян С.М., О воронкообразовании при осесимметричном истечении жидкости из донных отверстий. Изв.АН Армянской ССР, 1969г., том 22, №6, Ереван

33. Фокеев B.C., Опыт эксплуатации и расчет вихревых воронок. Гидротехническое строительство, 1955г. №4.

34. Гриднев И.Д., Побединский Л.Д., Пропуск шуги через турбины с помощью вихревых воронок. Гидротехническое строительство, 1952г. №6.

35. Фрадкин Б.М., Кусков Л.С., Борьба с донным льдом и шугой на гидроэлектростанциях. Гидротехническое строительство, 1951г. №5.

36. Токарев В.Е., Истечение жидкостей из емкости с образованием воронки. Известия высших учебных заведений. Серия "Авиационная техника". 1967г., №3, с89

37. Поликовский В.И., Перельман Р.Г., Воронкообразование в жидкости с открытой поверхностью. Госэнергоиздат, 1959г.

38. Беляев И.М., Шандоров Г.С., К вопросу воронкообразования без вращения при сливе через донные отверстия. Гидроаэромеханика, вып.2, 1965г. Издательство Харьковского университета.

39. Ведерников В.В., Об истечении из отверстий. Гидротехническое строительство, 1950г. №3.

40. Эйснер Ф., Экспериментальная гидравлика сооружений и открытых русел. ОНТИ. 1937.

41. Халпахчян А.Х., К вопросу о методе измерения интенсивности водоворотов. Труды гидравлической лаборатории МИСИ. Госстройиздат, 1958г.

42. Seddon А.Е., Anwar Н.О., Engineering. Vol.196. No5081. 1963.

43. Матинян (Исакян) C.M., Известия АН Арм. ССР, т.8, №2. 1955.

44. Shapiro А.Н., Bath-tub vortex. //Nature. 1962. Vol.196, -С. 1080

45. E. N. da Andrade, Bath-tub vortex. //Nature. 1963. Vol.197, №2, -C.480

46. Lloyd M, Trefethen, BilgerR.W., FinkP.T., Luxton R.E., Tanner R.I., Bath-tub vortex in the southern hemisphere // Nature. 1965. Vol.207, №2, -C.1084-1085

47. Faher Т.Е., Fluid Dynamics for Physicist. Cambridge: Univ.Press, 1995.440p.

48. Черно-белый фильм. Воронкообразование в жидкости. Сценарий Лобинов С. Консультанты: Альтшуль А., Марголин М. Союзвузфильм. 1975 год. 10 минут.

49. Kawakubo Т., Tsuchia Y., Sugaya М., Matsumura К. Experimental Studies of Some Phase Transitions in a nonequilibrium open systems. Suplement of the progress of theoretical physics, No. 64,1978.

50. Shosou Shingubara, Tatsuyuki Kawakubo., Formation of vortices around a sinkhole. //Journal of the Physical Society of the Japan. 1984. Vol.53, No.3, March, pp. 1026-1030

51. Kawakubo Т., Tsuchia Y., Sugaya M., Matsumura K., Formation of a vortex around a sink: a kind of phase transition in a nonequilibrium open system. Physics letters, 18 September 1978, vol. 68a, number 1, pp.65-66

52. Hayati L., Bailey I., Tadros Th.F., Nature 319. 41. 1986.

53. Shtern V., Barrero A., Instabiliti nature of the swirl appearance in liquid cones. // Physical Review 1995. July, Vol.52, No.l, pp.627-635

54. Shtern V., Barrero A., Bifurcation of swirl in liquid cones. // J. Fluid Mech. 1995. Vol.300, pp.l69-205

55. Shtern V., Goldshtik a., J. Fluid Mech. 218.483. 1990.

56. Torrance K.E., Natural convection in thermally stratifield enclosures with localized heating from below. J. Fluid Mech. Vol.95. 1979. p.477-479.

57. Funakoshi M., Inoue S., Surface waves due to resonant horizontal oscillation. J. Fluid Mech. Vol.192. 1988. p.219-247.

58. Мингалеева Г.Р., Механика движения жидкости и газа по спирали на участках крутого поворота тракта. Письма в ЖТФ, 2002, том.28, вып.15, с.79-85.

59. Незлин М.В., Снежкин Е.Н., Вихри Россби и спиральные структуры. Астрофизика и физика плазмы в опытах на мелкой воде. Наука. 1990.

60. Гальперин Р.С., Метод ликвидации воронкообразования. Гидротехническое строительство, 1947г. №2.

61. Павельев А.А., ШтарёвА.А. Эксперимент по формированию вихря при вытекании жидкости из бака //Изв. РАН. МЖГ. 2001. №5. С.203-207.

62. Штарёв А.А. Экспериментальное исследование расхода при нестационарном истечении жидкости из заполненной ёмкости //Изв. РАН. МЖГ. 2005. №2. С.114-122

63. Павельев А.А., Штарев А.А. "Условия формирования нестационарных вихревых воронок" Электронный журнал "Исследовано в России", 249, стр. 2673-2683,2004 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/249.pdf

64. Павельев А.А., Штарёв А.А. Эксперимент по формированию вихря при вытекании жидкости из бака. Тезисы докладов XLIV Научной конференции МФТИ. Часть III. Изд. МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2001.

65. Штарёв A.A. Исследование изменения расхода жидкости при формирования вихря вблизи сливного отверстия. Тезисы докладов конференции «Не-За-Те-Ги-Ус» (Нелинейные задачи гидродинамической устойчивости) Института механики МГУ. Москва. 2004. Тез. докл.

66. Павельев A.A., Штарёв A.A. Экспериментальное исследование условий формирования концентрированного вихря при вытекании жидкости из цилиндрической ёмкости. Тезисы докладов Ломоносовской конференции МГУ. 2004.

67. Штарёв A.A. Экспериментальное исследование влияние вихревой воронки на изменение расхода жидкости. Тезисы докладов Ломоносовской конференции МГУ. 2004.