Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления

Исследованы акустические свойства струйных гидродинамических излучателей в условиях избыточного статического давления в жидкости. Представлены количественные оценки зависимостей упругости, плотности, скорости звука во внутренней кавитирующей области излучателя и ее волнового размера от статического...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Акустичний вісник
Дата:2009
Автори: Дудзинский, Ю.М., Жукова, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут гідромеханіки НАН України 2009
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87283
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления / Ю.М. Дудзинский, А.В. Жукова // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 3. — С. 27-32. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860091493074599936
author Дудзинский, Ю.М.
Жукова, А.В.
author_facet Дудзинский, Ю.М.
Жукова, А.В.
citation_txt Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления / Ю.М. Дудзинский, А.В. Жукова // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 3. — С. 27-32. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Акустичний вісник
description Исследованы акустические свойства струйных гидродинамических излучателей в условиях избыточного статического давления в жидкости. Представлены количественные оценки зависимостей упругости, плотности, скорости звука во внутренней кавитирующей области излучателя и ее волнового размера от статического давления. Досліджено акустичні властивості струминних гідродинамічних випромінювачів в умовах надлишкового статичного тиску в рідині. Представлено кількісні оцінки залежностей пружності, густини, швидкості звуку у внутрішній кавітуючій області випромінювача та її хвильового розміру від статичного тиску. The acoustic properties of jet hydrodynamic radiators have been studied for conditions of the excessive static pressure in a liquid. The quantitative estimations of dependencies from static pressure are given for elasticity, density, sound velocity in the internal cavitating zone of the radiator and its wave dimension.
first_indexed 2025-12-07T17:23:29Z
format Article
fulltext ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 3. С. 27 – 32 УДК 534.232 СВОЙСТВА КАВИТАЦИОННОЙ ОБЛАСТИ СТРУЙНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ Ю. М. Д У Д ЗИ Н СК И Й, А. В. ЖУ К О ВА Одесский национальный политехнический университет Получено 02.12.2009 Исследованы акустические свойства струйных гидродинамических излучателей в условиях избыточного статиче- ского давления в жидкости. Представлены количественные оценки зависимостей упругости, плотности, скорости звука во внутренней кавитирующей области излучателя и ее волнового размера от статического давления. Дослiджено акустичнi властивостi струминних гiдродинамiчних випромiнювачiв в умовах надлишкового статично- го тиску в рiдинi. Представлено кiлькiснi оцiнки залежностей пружностi, густини, швидкостi звуку у внутрiшнiй кавiтуючiй областi випромiнювача та її хвильового розмiру вiд статичного тиску. The acoustic properties of jet hydrodynamic radiators have been studied for conditions of the excessive static pressure in a liquid. The quantitative estimations of dependencies from static pressure are given for elasticity, density, sound velocity in the internal cavitating zone of the radiator and its wave dimension. ВВЕДЕНИЕ В струйных гидродинамических излучателях (ГДИ) часть кинетической энергии поступатель- ного движения частиц затопленной струи жид- кости преобразуется в колебательное движение струи, которое, собственно, и возбуждает мощные акустические волны, способные вызвать развитую кавитацию. В свое время А. Ф. Назаренко выска- зывалась идея о возможном механизме генери- рования звука за счет пульсации кавитационной области, образующейся между соплом и препят- ствием [1]. Однако детали этой теории не были ра- зработаны. В частности, не удалось объяснить па- радоксальный на первый взгляд факт понижения частоты основного тона (соответствующего низ- шей гармонике в спектре сигнала) с увеличением скорости струи на выходе сопла. В работе [2] предложена акустическая модель струйной “оболочки” гидродинамического излуча- теля и решена граничная задача об излучении ею звука. Анализ полученного решения позволил установить, что в рабочей зоне излучателя обра- зуется своеобразная резонансная система, состо- ящая из внутренней упругой кавитирующей сре- ды, самой струйной “оболочки” и внешней присо- единенной массы жидкости. Именно эта система и обеспечивает обратную акустическую связь, на- вязывая автоколебания системе на некоторой ста- бильной частоте. Было показано, что наблюдае- мое экспериментально снижение частоты излуча- емого звука с ростом скорости струи в сопле свя- зано с увеличением податливости внутренней дву- хфазной среды (жидкость с кавитационными пу- зырьками) за счет увеличения в ней доли парога- зовых микропузырьков. Были проведены количе- ственные оценки податливости, плотности и скоро- сти звука во внутренней кавитирующей области. В частности, установлено, что здесь скорость звука существенно (в 50 . . .70 раз) ниже скорости зву- ка в жидкости, окружающей струйную оболочку извне. Проведенные ранее исследования показали высокую эффективность струйных ГДИ при ге- нерирования звука в условиях гидростатического давления [3,4]. Поэтому интерес представляет изу- чение влияния избыточного статического давле- ния в рабочей емкости на акустические характери- стики подобных источников звука и механические свойства двухфазной среды с развитой кавитаци- ей, находящейся внутри струйной “оболочки”. 1. СХЕМА СТРУЙНОГО ГДИ И ЕГО АКУ- СТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Рассмотрим конструктивную схему ГДИ проти- воточного типа (рис. 1). Он состоит из двух со- осных частей: круглого сопла 1 и отражателя 2, имеющего на торце параболическую лунку. Зато- пленная струя жидкости круглого сечения, выте- кающая из сопла 1 со скоростью v, достигает отра- жателя 2 и разворачивается лункой в обратную сторону, формируя струйную “оболочку” 3. По- следняя натекает на нижний внешний край со- c© Ю. М. Дудзинский, А. В. Жукова, 2009 27 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 3. С. 27 – 32 Рис. 1. Конструктивная схема ГДИ противоточного типа а б Рис. 2. Натекание струи на отражатель ГДИ (с экспериментальных фотографий) пла (рис. 2, а), в результате чего может приобре- тать некоторую поперечную неустойчивость (т. е. совершать поперечные колебания). Действитель- но, несимметрично натекая на край сопла (прямо- угольный клин), струя может раздваиваться. При этом одна часть струи уходит во внешнюю (отно- сительно ГДИ) область, а другая – во внутрен- нюю, сворачиваясь в тороидальный вихрь [5, 6]. Благодаря этому во внутренней области накапли- вается излишек среды, который оказывает дав- ление на соответствующую поверхность струйной “оболочки”, заставляя ее отклониться и выпустить излишек вовне. На рис. 2, б зафиксирован момент отклонения струйной оболочки 1 во внешнюю сто- рону. Из рис. 2, а также хорошо видно, что во вну- тренней области 2 имеет место развитая кавита- ция. Именно наличие облака парогазовых микро- пузырьков затрудняет прохождение световых лу- чей, из-за чего внутренняя область выглядит тем- ной. Таким образом, в указанном объеме суще- ствует двухфазная среда (жидкость и парогазо- вые микропузырьки). Еще одной причиной попе- речной неустойчивости струйной оболочки может быть непостоянство скорости v вытекающей из со- пла жидкости (что на практике справедливо по- чти всегда). Таким образом, имеются предпосыл- ки для появления поперечных колебаний струйной “оболочки” ГДИ, а, следовательно, и возникнове- ния звуковых колебаний. В работе [2] рассмотрена простейшая акусти- ческая модель подобного источника звука в виде сферической тонкой оболочки, совершающей ра- диальные колебания. Считалось, что внешняя сто- рона оболочки контактирует с жидкостью, имею- щей волновое сопротивление ρжcж, а ее внутрен- няя поверхность – с некоторой средой, имею- щей сопротивление ρc. Решение соответствующей граничной задачи излучения позволило получить выражение для объемной упругости E и сжимае- мости K двухфазной внутренней области K = 1 E = 3 (πd)2ρжf2 0 , (1) где d=2r0 – средний диаметр оболочки; f0 – экспе- риментально полученное значение частоты основ- ного тона генерируемого звука. Если известны сжимаемости жидкости Kж и газа Kг, то можно оценить долю содержащейся в пульсирующей сфе- ре жидкости h = Kг − K Kг − Kж (2) и газа (1−h), соответственно. Теперь можно во- спользоваться выражениями для плотности и 28 Ю. М. Дудзинский, А. В. Жукова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 3. С. 27 – 32 сжимаемости двухфазной среды [7], условно при- няв ее за однородную с пространственно усреднен- ными параметрами: ρ = (1 − h)ρг + hρж, (3) K = (1 − h)Kг + hKж, (4) где ρг и ρж – соответственно плотности газа и жидкости. Зная объемные доли и плотности га- за и жидкости, по формуле (3) оценим плотность двухфазной среды. Вычислив также ее сжимае- мость (4), получим величину скорости звука во внутренней области с развитой кавитацией: c = √ E ρ = √ 1 ρK . (5) 2. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВА- НИЙ При экспериментальном исследовании влияния избыточного статического давления на акустиче- ские свойства струйного ГДИ последний разме- щался в герметичной емкости, заполненной рабо- чей жидкостью. Излучатель запитывался от на- соса с плавно регулируемым расходом жидко- сти. Избыточное статическое давление ∆Pст со- здавалось вспомогательным насосом и регулируе- мым клапаном. Сигнал с выхода гидрофона посту- пал на вольтметр, осциллограф и спектроанализа- тор [4]. Герметичная емкость была снабжена ил- люминаторами для визуализации процесса, фото- и видеосъемки. Изменение расхода насоса задавало скорость жидкости на выходе сопла излучателя. Затем плавно повышалось статическое давление, изме- рялась частота следования звуковых импульсов f0 (основной тон генерируемого сигнала). Семей- ство зависимостей частоты сигнала от избыто- чного статического давления в рабочей емкости представлено на рис. 3. Для всех эксперименталь- ных графиков (рис. 3 – 8) скорость v затоплен- ной струи составляла соответственно 36 м/с (кри- вая 1), 48 м/с (кривая 2), 85 м/с (кривая 3), 99 м/с (кривая 4), 125 м/с (кривая 5), 152 м/с (кривая 6), 166 м/с (кривая 7) и 177 м/с (кривая 8). Следует отметить две особенности данных исто- чников звука. 1. При фиксированной скорости струи в сопле звукообразование происходит в ограниченном диапазоне статических давлений. При сли- шком низких значениях ∆Pст кавитация ра- звивается внутри сопла ГДИ, вследствие чего разрушается струйная оболочка и вместо то- нального сигнала генерируется широкополо- сный шум. При слишком высоких значениях ∆Pст кавитация исчезает, во внутреннем объе- ме оболочки устанавливается однофазная сре- да со слишком малой сжимаемостью [2] и уро- вень генерируемого сигнала падает настолько, что не фиксируется на фоне шумов. 2. При неизменной скорости струи с увеличени- ем статического давления в жидкости частота f0 вначале повышается, а затем достигает на- сыщения. При дальнейшем увеличении ∆Pст генерирование звука прекращается. Используя экспериментальные данные о f0(∆Pст), по формуле (1) можно рассчитать зависимости упругости двухфазной среды E от избыточного статического давления в жидкости (рис. 4). Из графика видно, с ростом ∆Pст вначале наблюдается почти линейный рост упругости, а затем достигается насыщение. Этот эффект непосредственно связан с возрастанием плотности области развитой кавитации между соплом и отра- жателем струйного гидродинамического излуча- теля. Дальнейший рост избыточного статического давления при неизменной скорости струи в сопле ГДИ приводит к срыву генерирования звука. В соответствии с формулой (2) оценим долю газа в зоне развитой кавитации между соплом и отражателем противоточного излучателя. При неизменной скорости струи в сопле ГДИ с повыше- нием статического давления видим почти линей- ное убывание (1−h) с ростом ∆Pст (рис. 5). При достижении значения ∆Pст=0.6 МПа содержание газа в двухфазной среде практически не изменя- ется. С дальнейшим ростом избыточного статиче- ского давления оно приближается к (1−h)≈0.1. Плотность и сжимаемость области развитой кавитации зависят от соотношения долей га- за и жидкости. Поскольку известны плотность воздуха ρг =1.14 кг/м3 и жидкости (трансфор- маторное масло) ρж =940 кг/м3, а также соо- тветствующие сжимаемости Kг =8.0·10−6 Па−1 и Kж =6.0·10−10 Па−1, то по формуле (3) мож- но оценить плотность двухфазной среды, состо- ящей из жидкости и парогазовых микропузырь- ков (рис. 6). Как и в случае упругости, для ка- ждой фиксированной скорости струи здесь наблю- даются участки почти линейного роста с после- дующим насыщением. При статическом давлении свыше 1.5 МПа и скоростях, лежащих в диапазо- не v=(150 . . .180) м/с, плотность двухфазной сре- ды практически не меняется, асимптотически при- ближаясь к значению 930 кг/м3. Ю. М. Дудзинский, А. В. Жукова 29 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 3. С. 27 – 32 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ∆P ! , !" 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 f 0 , # $ % 1 2 3 4 0.5 1 1.5 2 2.5 ∆P !, !" 2 3 4 5 6 7 8 f 0 , # $ % 5 6 7 8 а б Рис. 3. Семейство зависимостей частоты сигнала ГДИ от избыточного статического давления в жидкости 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ∆P ! , !" 0 0.5 1 1.5 2 2.5 E , ! " 1 2 3 4 0.5 1 1.5 2 2.5 ∆P !, !" 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 E , ! " 5 6 7 8 а б Рис. 4. Семейство зависимостей упругости двухфазной среды в зоне развитой кавитации между соплом и отражателем ГДИ от избыточного статического давления в жидкости 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ∆P !, !" 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1 - h 1 2 3 4 0.5 1 1.5 2 2.5 ∆P ! , !" 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 1 - h 5 6 7 8 а б Рис. 5. Семейство зависимостей доли газа в зоне развитой кавитации между соплом и отражателем ГДИ от избыточного статического давления в жидкости 30 Ю. М. Дудзинский, А. В. Жукова ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 3. С. 27 – 32 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ∆P ! , !" 500 600 700 800 900 1 2 3 4 0.5 1 1.5 2 2.5 ∆P ! , !" 860 880 900 920 940 5 6 7 8 ρ ,# $ /% 3 ρ ,# $ /% 3 а б Рис. 6. Семейство зависимостей плотности двухфазной среды в зоне развитой кавитации между соплом и отражателем ГДИ от избыточного статического давления в жидкости 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ∆P !, !" 20 25 30 35 40 45 50 c , # /c 1 2 3 4 0.5 1 1.5 2 2.5 ∆P ! , !" 40 60 80 100 120 140 c , # /c 5 6 7 8 а б Рис. 7. Семейство зависимостей скорости звука в двухфазной среде в зоне развитой кавитации между соплом и отражателем ГДИ от избыточного статического давления в жидкости 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ∆P ! , !" 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 d / λ 1 2 3 4 0.5 1 1.5 2 2.5 ∆P ! , !" 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55 d / λ 5 6 7 8 а б Рис. 8. Семейство зависимостей характерного волнового размера зоны развитой кавитации между соплом и отражателем ГДИ от избыточного статического давления в жидкости Ю. М. Дудзинский, А. В. Жукова 31 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2009. Том 12, N 3. С. 27 – 32 По известным физическим характеристикам ра- бочей жидкости и воздуха в соответствии с выра- жением (5) оценим зависимость скорости зву- ка в двухфазной среде от статического давления (рис. 7). При этом скорость звука оказывается на порядок меньше, чем для воздуха и почти на два порядка, – чем для жидкости. Как видно из гра- фика, с повышением ∆Pст от 0 до 2.5 МПа и однов- ременном увеличении скорости струи в сопле ско- рость звука в кавитирующей зоне звукообразова- ния ГДИ возрастает почти на порядок. Зная скорость звука в зоне развитой кавитации струйного гидродинамического излучателя, мож- но оценить ее волновые размеры. Как видно из рис. 8, при неизменной скорости струи в сопле с увеличением избыточного статического давле- ния в жидкости параметр d/λ вначале возраста- ет, а затем достигает насыщения. Однако, начи- ная с ∆Pст>1 МПа, волновой размер пульсиру- ющей двухфазной среды внутри струйного ГДИ практически не изменяется, вплоть до избыточно- го давления ∆Pст=2.5 МПа. ВЫВОДЫ 1. Исследованы акустические характеристики струйных ГДИ в условиях избыточного ста- тического давления в жидкости. Обнаружено, что при неизменной скорости струи в сопле частота основного тона вначале растет с уве- личением давления, а затем достигает режима насыщения. 2. При фиксированной скорости струи в сопле рассмотренные излучатели имеют ограничен- ный рабочий диапазон избыточных статиче- ских давлений, ниже и выше которого процесс гидродинамического звукообразования пре- кращается. 3. Проведены количественные оценки зависимо- сти величин упругости, плотности, скорости звука во внутренней кавитирующей области струйного ГДИ и ее волнового размера от избыточного статического давления. В част- ности, установлено, что при статическом дав- лении свыше 1 МПа все они практически не изменяются. 1. Назаренко А. Ф. Гидродинамические излучате- ли // Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И. П. Голяминой.– М.: Сов. энцикл, 1979.– С. 79–81. 2. Вовк И. В., Гринченко В. Т, Дудзинский Ю. М. О возможном механизме автоколебаний в струйных гидродинамических излучателях с развитой кави- тацией // Акуст. вiсн.– 2008.– 11, N 2.– С. 16–23. 3. Дудзинский Ю. М., Сухарьков А. О., Маниче- ва Н. В. Энергетика прямоточного гидродинами- ческого излучателя в условиях гидростатического давления // Акуст. вiсн.– 2004.– 7, N 1.– С. 44–49. 4. Дудзинский Ю. М. Кавитационная эрозия в усло- виях гидростатического давления // Акуст. вiсн.– 2006.– 9, N 2.– С. 56–62. 5. Дудзинский Ю. М., Сухарьков А. О., Манiче- ва Н. В. Автоколивання пружного зануреного осе- симетричного струменя-оболонки // Акуст. вiсн.– 2003.– 6, N 3.– С. 29–33. 6. Дудзинский Ю. М., Попов В. Г. Вынужденные ко- лебания осесимметричной затопленной струйной оболочки // Прикл. мех.– 2005.– 41, N 4.– С. 60–65. 7. Wodicka G. R., Stevens K. N., Golub H. L., Cravalho E. G., Shannon D. C. A Model of Transmi- ssion in the Respiratory System // IEE Trans. Bi- omed. Eng.– 1989.– 36, N 9.– P. 925–933. 32 Ю. М. Дудзинский, А. В. Жукова
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87283
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1028-7507
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:23:29Z
publishDate 2009
publisher Інститут гідромеханіки НАН України
record_format dspace
spelling Дудзинский, Ю.М.
Жукова, А.В.
2015-10-16T17:06:29Z
2015-10-16T17:06:29Z
2009
Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления / Ю.М. Дудзинский, А.В. Жукова // Акустичний вісник — 2009. —Т. 12, № 3. — С. 27-32. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
1028-7507
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87283
534.232
Исследованы акустические свойства струйных гидродинамических излучателей в условиях избыточного статического давления в жидкости. Представлены количественные оценки зависимостей упругости, плотности, скорости звука во внутренней кавитирующей области излучателя и ее волнового размера от статического давления.
Досліджено акустичні властивості струминних гідродинамічних випромінювачів в умовах надлишкового статичного тиску в рідині. Представлено кількісні оцінки залежностей пружності, густини, швидкості звуку у внутрішній кавітуючій області випромінювача та її хвильового розміру від статичного тиску.
The acoustic properties of jet hydrodynamic radiators have been studied for conditions of the excessive static pressure in a liquid. The quantitative estimations of dependencies from static pressure are given for elasticity, density, sound velocity in the internal cavitating zone of the radiator and its wave dimension.
ru
Інститут гідромеханіки НАН України
Акустичний вісник
Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
Properties of the cavitation zone of a jet hydrodynamic radiator in conditions of excessive hydrostatic pressure
Article
published earlier
spellingShingle Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
Дудзинский, Ю.М.
Жукова, А.В.
title Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
title_alt Properties of the cavitation zone of a jet hydrodynamic radiator in conditions of excessive hydrostatic pressure
title_full Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
title_fullStr Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
title_full_unstemmed Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
title_short Свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
title_sort свойства кавитационной области струйного гидродинамического излучателя в условиях гидростатического давления
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87283
work_keys_str_mv AT dudzinskiiûm svoistvakavitacionnoioblastistruinogogidrodinamičeskogoizlučatelâvusloviâhgidrostatičeskogodavleniâ
AT žukovaav svoistvakavitacionnoioblastistruinogogidrodinamičeskogoizlučatelâvusloviâhgidrostatičeskogodavleniâ
AT dudzinskiiûm propertiesofthecavitationzoneofajethydrodynamicradiatorinconditionsofexcessivehydrostaticpressure
AT žukovaav propertiesofthecavitationzoneofajethydrodynamicradiatorinconditionsofexcessivehydrostaticpressure