Способ инициирования кавитирующей струи жидкости

 

Использование: для обработки поверхностей кавитирующей струей жидкости в машиностроении, судостроении с целью очистки от ржавчины, окалины, обрастания, старой краски и т.д. Кавитация в струе жидкости инициируется путем подачи горячего пара в область повышенного давления, образующуюся при взаимодействии сходящихся струй жидкости. При этом возникают условия роста паровых пузырей за счет перепада давления между каверной, заполненной паром и окружающим пространством. В результате инерционного роста, а также теплопередачи горячий пар в пузыре остывает, конденсируется, и искусственно увеличенный пузырь превращается в обычный кавитационный пузырь. Преимущество предлагаемого способа - в возможности независимо от напора струи управлять количеством кавитационных пузырьков в струе, что повышает эффективность процесса и дает возможность снизить напор, необходимый для создания кавитирующей струи. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области технологии обработки поверхностей твердых тел кавитирующей струей жидкости в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности с целью очистки от ржавчины, окалины, старой краски и т.д. Изобретение может быть также использовано для повышения эффективности разрушения горных пород в горнорудной промышленности.

Известны способы струйной обработки твердых поверхностей, использующие разрушающий эффект кавитации (Эрозия. М. Мир, 1982). Аналогом заявляемого изобретения является способ [1] в котором, как и в предлагаемом изобретении, используется эффект струйной, кавитационной эрозии для воздействия на твердую поверхность и кавитация возбуждается в вытекающей из сопла струе воды. В отличие от аналога, где кавитация возбуждается естественным путем при взаимодействии струи с окружающей неподвижной жидкостью, в предлагаемом способе струя может быть и не затопленной. Последнее обстоятельство позволяет значительно уменьшить потери энергии струи. Работа расширяющегося пара приведет к увеличению энергии струи. Изменяя расход подаваемого в каверну пара, можно регулировать количество кавитационных пузырей и инициировать кавитацию при значительно меньших напорах.

Наиболее близкий аналог, принятый за прототип, это изобретение [2] в котором кавитация возбуждается в кольцевой высокоскоростной струе. Дополнительно кавитация возникает за стержнем, расположенным внутри истекающей из сопла струи. За торцом образуется область разряжения и при достаточно высокой скорости возникает естественная кавитация, в результате чего струя дополнительно насыщается кавитационными пузырями. Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что форму центрального тела и сопла профилируют так, что за центральным телом возникает область повышенного давления, в которую подается пар от внешнего источника. Без поддува пара кавитация в струе отсутствует. Преимущество предлагаемого способа в том, что используется тепловая энергия горячего пара (в прототипе на создание кавитационных пузырьков тратится механическая энергия струи), в результате чего струя насыщается кавитационными пузырьками при меньшей скорости истечения, чем при естественном возникновении кавитации.

Сущность изобретения в том, что инициируется кавитация в струе холодной жидкости путем подачи горячего пара в область повышенного давления, возникающую при плавном (безударном) смыкании за торцом центрального тела конической или специальной формы, сходящейся кольцевой струи жидкости, вытекающей из отверстия, в которое вставлено это центральное тело. Область повышенного давления, возникающую за центральным телом (каверну), можно характеризовать параметром а (Р_а Р_k)/q (числом кавитации), где Р_а давление во внешнем пространстве, P_k(больше Р_а) давление в каверне, q скоростной напор истекающей из сопла струи. Число кавитации в нашем случае отрицательно. Давление в каверне поддерживается путем подачи пара от внешнего источника. Давление пара и напор струи подбирают так, чтобы обеспечить безударное (без образования возвратной струи) смыкание сходящейся струи.

Благодаря перепаду давления между паровой каверной (P_k) и внешним пространством (Р_а) возникают условия роста паровых пузырей, уносимых из каверны высокоскоростным течением жидкости. За счет инерционного роста пузыря и частично за счет теплоотвода в холодную жидкость происходит конденсация пара в пузыре и в момент достижения им максимального размера давление в нем оказывается значительно меньше давления Р_а. Таким образом, пузырек превращается в обычный кавитационный, заполненный холодным паром с низким давлением. Преимущество предлагаемого способа по сравнению с аналогами в возможности независимо от напора истекающей струи управлять количеством кавитационных пузырьков в струе, что повышает эффективность процесса и дает возможность снизить напор, необходимый для создания кавитирующий струи. В отличие от аналогов, где механическая энергия струи затрачивается на возбуждение естественной кавитации, в предлагаемом способе энергия струи увеличивается за счет работы расширения пара. Именно неконтролируемость процесса возбуждения естественной кавитации по известным способам и зависимость ее от таких факторов, как качество жидкости, уровень турбулентности течения, шереховатость стенок сопла и т.п. сдерживают широкое использование метода струйной кавитационной эрозии.

На фиг. 1 и 2 схема заявляемого изобретения (цифрами обозначено: 1 центральное тело; 2 корпус или внешний контур сопла; 3 истекающая из сопла кольцевая струя жидкости; 4 хвостовая точка каверны; 5 точка торможения на обрабатываемой твердой поверхности; 6 обрабатываемая поверхность; 7 магистраль подачи пара к торцу центрального тела; 8 область повышенного давления; 9 тело, заменяющее часть каверны); на фиг. 3 кривые Р_х и R_x, качественно иллюстрирующие изменение давления Р в жидкости и радиуса R парового пузыря вдоль оси струи (координата х); на фиг. 4 зависимость отношения τ_т/ τ_i характерных времен ( τ_т характерное время конденсации пузыря; τ_i характерное время инерционного коллапса пузыря) от начального размера пузыря R_o и давление в каверне P_k; на фиг. 5 иллюстрация числового примера, приведенного для случая взаимодействия встречных плоских струй; на фиг. 6 иллюстрация приближенного метода построения каверны или центрального тела специальной формы.

Возможность осуществления способа следует из возможности реализации элементов предложенной схемы. Жидкость (например обычную водопроводную воду) подают под давлением в корпус реализующего способ устройства, из которого она истекает через отверстие (сопло) в окружающее пространство с более низким давлением (например атмосферным) в виде высокоскоростной кольцевой сходящейся струи, образующей за торцом центрального тела область (каверну) с повышенным давлением. Напор и угол схождения струи α подбирают так, чтобы обеспечить плавное, безударное смыкание кольцевой струи. Тем самым организуют застойную зону с отрицательным числом кавитации. Это можно сделать с помощью приемов и конструкций, разработанных и реализованных при создании судов на воздушной подушке (Ханженков В.И. Аэродинамика судов на воздушной подушке. М. Машиностроение, 1972). В область 6 через магистраль 7 подачи пара подают нагретый пар в количестве, необходимом для поддержания режима плавного (без образования возвратной струи) смыкания сходящейся кольцевой струи. Благодаря известному механизму уноса пузырьков из вентилируемой каверны, паровые пузырьки попадают в струю, где они расширяются, охлаждаются и вместе с жидкостью перемещаются к обрабатываемой поверхности. С физической точки зрения возможность реализации рассматриваемого процесса основана на следующих соображениях. Пузырек пара, увлекаемый жидкостью из каверны (с высоким давлением), попадает в струе в область больших градиентов давления протяженностью порядка диаметра струи. На фиг. 3 показано теоретическое распределение давления вдоль оси струи в случае течения, представленного на фиг. 1 и 2. При движении парового пузырька вместе с потоком жидкости имеют место два неравновесных процесса, связанных с неравенством температур пара и жидкости (конденсация пара в пузыре) и быстрым падением давления в жидкости (рост пузыря). Какой из процессов будет доминировать, можно определить, сравнивая характерные времена теплового τ_т и инерционного τ_i коллапса пузырька начального радиуса R_o (Нигматуллин Р. И. Основы механики гетерогенных сред. М. Наука, 1978): τ_т= , τ_i= 0,914R, где ρ_i,ρ_v плотности жидкости и насыщенного пара; Δ Т разность температур пара и жидкости; R_o начальный радиус пузыря; с удельная теплоемкость воды; λ коэффициент теплопроводности воды; L удельная теплота конденсации; Δ Р разность давлений P_k и Р_а.

На фиг. 4 показана зависимость τ_т/ τ_i от P_k для различных R_o, из которой видно, что с ростом начального давления пара в пузырьке, равного давлению в каверне в момент отрыва пузыря от нее, отношение τ_т/τ_i много больше 1 уже при P_k больше или равном 20 кг/см² для характерных в рассматриваемом процессе R_o. Расчеты показывают, что в этом случае внедренный в струю пузырек быстро расширяется, достигает максимального радиуса с давлением пара внутри значительно меньшим Р_а и температурой, близкой к температуре окружающей жидкости. Далее под действием более высокого внешнего давления начнется его коллапс, как обычного кавитационного пузырька. Условия возникновения паровой каверны с повышенным давлением известны из практики образования кормовых вентилируемых каверн повышенного давления, а также из имеющихся в литературе теоретических данных (об условиях образования каверн с плавным смыканием струй за круговыми цилиндрами см. Биркгоф Г. Сарантонелло Э. Струи, следы и каверны. M. Мир, 1964). В зависимости от соотношения давления в каверне и напора струи, а также от геометрии сопла (от угла схождения кольцевой струи α фиг. 5) длина каверны, необходимая для реализации способа, может получиться заметно больше диаметра струи жидкости. Тем самым возрастут "паразитные" потери энергии нагретого пара из-за роста поверхности контакта и возрастут трудности реализации такого течения. Для преодоления этого затруднения нами предложен способ (фиг. 2), при котором верхнюю (головную) часть каверны заменяют твердой стенкой, вдоль которой и течет кольцевая струя жидкости. Собственно паровая каверна образуется в хвостовой части расчетной области, откуда и происходит унос паровых пузырей. Профилирование твердой стенки (или формы центрального тела) аналогично практике профилирования безотрывных крыловых профилей или диффузоров (Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости. М. Наука, 1979). Поскольку вдоль расчетной границы (границы каверны) давление постоянно, отрыв потока жидкости будет отсутствовать, а все отличие от расчетного течения связано с образованием тонкого пограничного слоя, не меняющего распределение давлений. Приближенно фоpму каверны и центрального тела, для плоского сопла, можно представить в виде дуги окружности радиуса R δ /(1 V_o), где V_o , δ толщина струи. Тогда для высоты (полуширины) h и длины L каверны и центрального тела можно написать (фиг. 6): h ( δ /(1 V_o)) (1 cos α)
L (δ /(1 V_o)) sin α Здесь α угол наклона выходной кромки насадка к оси насадка. В качестве примера практической возможности реализации предлагаемого способа авторами теоретически рассчитаны параметры устройства, схематически представленного на фиг. 5. Давление в каверне P_k 20 кг/см², Ра1 кг/см², полный напор истекающей струи Р_о 25 кг/см², струя сходится под прямым углом α 90^о, высота каверны h 1,54 b, где b ширина подводящего канала, половина ширины струи жидкости δ 0,66 b. Если часть каверны заменяется твердой границей, то ширина отверстия для поддува пара d должна быть не более 2h. Если учесть, что с ростом давления напора Р_о размер h увеличивается, то приведенный пример показывает принципиальную возможность разместить здесь достаточно крупное сопло для поддува пара.

Формула изобретения

1. Способ инициирования кавитирующей струи жидкости, согласно которому возбуждают кавитацию в кольцевой высокоскоростной струе жидкости путем размещения в выходном сопле центрального тела, отличающийся тем, что в струе жидкости за центральным телом создают каверну с отрицательным числом кавитации, в которую подают нагретый пар, при этом давление пара и напор струи жидкости подбирают для образования каверны с плавным смыканием струи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхнюю часть каверны заменяют твердой стенкой, для чего удлиняют центральное тело и профилируют его по форме каверны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6