Імпульсні і хвильові рухи рідини з рухомими границями

, ;

; ; , ,

де , і , - початкові і поточні координати контактної і вільної поверхонь, - довжина сопла. При надзвуковому витіканні ніяких умов на виході сопла не ставиться.

Для опису горіння і руху газо-порохової суміші з урахуванням хвильових процесів розвинена одношвидкісна модель двофазного середовища. Зроблено оцінки, що обґрунтовують застосування цієї моделі. Показано, що рівняння руху спрощуються, якщо їх використовувати в лагранжевій формі в наступному інтегральному вигляді

, , (8)

.

Тут - густина суміші, - швидкість приходу газів в одиниці об'єму. В ейлеревій формі до системи (8) додаються рівняння балансу маси і часток пороху

,

,

де - масова густина твердої фази, - кількість часток пороху, що згоріли за одиницю часу в одиниці об'єму. Параметри газу зв'язані спрощеним рівнянням стану Ван-дер-Ваальса, що враховує власний обсяг молекул:

,

де - питомий обсяг газу; - виправлення на власний обсяг молекул.

Поставлена задача вирішувалась методом Годунова, що був розвинений для розрахунку таких течій на ейлеревій і лагранжевій сітках. Проведено різницеву апроксимацію рівнянь і граничних умов на контактній поверхні і на твердій стінці, розроблена процедура розрахунку розпаду довільного розриву для газо-порохової суміші. Показано перевагу лагранжевої сітки для одношвидкісної моделі. На лагранжевій сітці рух описувався трьома рівняннями, а частки не залишали ячейку і горіли всі однаково. При розрахунку на ейлеревій сітці рух описувався п'ятьма рівняннями, а частки пороху перемішувалися у ячійці, і приходилося усереднювати їхні параметри по ячійці.

Наведені залежності тиску в камері згоряння (1 і 1, крива 1 отримана при врахуванні хвильових процесів у порохових газах), при вході в сопло (2) і швидкості втікання і витікання (3) від часу, а на рис. 22 розподіл тиску і швидкості по осі ГГ на початок витікання струменя для експериментальної ГГ із параметрами: R_c = 20 мм, R_s = 10 мм, L_c = 400 мм, L_s = 86 мм, довжина коліматора 70 мм, V_k0 = 135 см³, m_w = 400 г, маса пороху 80 г.

Проведені дослідження показали, що процеси в пороховій ГГ носять складний характер. На відміну від порохового ІВ витікання струменя порохової ГГ починається з максимальної швидкості. Для порохової ГГ при однаковому заряді можна одержати швидкість струменя значно більшим, ніж для ІВ. Квазістаціонарна модель руху рідини для порохової ГГ неприйнятна. Гарні результати дає нестаціонарна квазіодномірна модель ідеальної стисливої рідини і квазістаціонарна модель горіння пороху. Урахування хвильових процесів у газах мало впливає на гідродинамічні параметри рідини. Розрахунки з урахуванням хвильових процесів виявляють чітко виражену хвильову картину течії порохових газів, що виникає при втіканні води у сопло. Для визначення основних гідродинамічних параметрів порохової ГГ горіння пороху можна розраховувати в більш простій квазістаціонарній постановці. Для деталізації течії необхідне проведення розрахунків з урахуванням хвильових процесів у порохових газах. Експериментальні дослідження підтвердили правомірність цієї моделі.

В експериментах вимірявся тиск у середині установки в різних перетинах, швидкість голови струменя та імпульс струменя. Організація і проведення експериментів по виміру тиску виконані В.А. Бигвавой, О.В. Кочергіним і В.І. Губським. Автор провів розрахунок параметрів ГГ, вибір посадкових місць для датчиків тиску, аналіз результатів вимірів, порівняння з теорією, коректування моделі. Загальне керівництво роботами здійснював Г.О. Атанов. Ідея експериментів по виміру швидкості та імпульсу струменя належить автору. Організація і проведення експериментів виконані автором разом з А.В. Ковальовим. Спільно було розроблено, виготовлено і налагоджено унікальне експериментальне устаткування: лазерний безконтактний вимірник швидкості голови струменя і балістичний маятник. Тиск вимірявся в п'ятьох точках датчиками D₁ - D₅. Використовувалася промислова система для виміру параметрів внутрішньої балістики в артилерії. Швидкість голови струменя вимірялася безконтактним лазерним вимірником, спеціально розробленим для польових умов. Імпульс струменя вимірявся балістичним маятником.

Залежність тиску від часу для ГГ у вході в сопло (датчик D₄), а залежність тиску від часу в камері згоряння (датчик D₁) для ІВ. Криві 1, 2 і 3 - експеримент, нестаціонарна і квазістаціонарна постановка. У табл. 1 приведені деякі результати експериментів по виміру тиску і швидкості струменя і розрахунків для пороху різних сортів і маси. Швидкість голови струменя вимірялася на відстані 10 і 60 см від установки за допомогою безконтактної вимірювальної системи, призначеної для виміру швидкості снарядів.

Для польових іспитів була виготовлена порохова ГГ із наступними параметрами: R_c = 16 мм, R_s = 7,5 мм, L_s = 70 мм, L_k = 50 мм, m_w = 230 г, довжина розгону водяного заряду 110 мм, V_k0 = 41,7 см³, маса і довжина ГГ 15,2 кг і 650 мм. В експериментах використовувався мисливський порох “Крук” з розрахунковою масою заряду 30 г. Середнє значення швидкості струменя на малій відстані від ГГ по усіх вимірах складає = (1089 62) м/с. Розрахункове значення швидкості струменя, кута відхилення маятника та імпульсу струменя дорівнює = 1070 м/с, = 17,22є і P_c = 122 Нc і відрізняється від експериментального на 2 - 6 %.

З аналізу результатів випливає, що нестаціонарна квазіодномірна модель руху рідини і квазістаціонарна модель горіння пороху добре описують процеси в реальній пороховій ГГ і ІВ. Результати розрахунків по цій моделі якісно і кількісно збігаються з результатами вимірів тиску води і порохових газів, швидкості та імпульсу струменя. Для порохового ІВ за певних умов прийнятну точність дає квазістаціонарна модель руху рідини і горіння пороху.

У підрозділі 4.4 на прикладі стаціонарного руху в'язкої нестисливої рідини оцінено вплив в'язкості на параметри ГГ. Для оцінки використано метод зникаючої в'язкості. Вісісиметричний рух рідини описувався рівнянням Нав'ьє-Стокса і нерозривності. Розрахунки проведені за допомогою програмного модуля FLOTRAN пакета ANSYS, що використовує метод кінцевих елементів і модель турбулентності. Розрахунки в ANSYS були виконані С.А. Веремєєвим під керівництвом автора. Порівнювалися звичайна вода, гліцерин і слабко в'язка рідина з в'язкістю = 10^-15 Пас. Втрати на тертя оцінювалися інтегрально по відношенню повного напору на виході для в'язкої і ідеальної рідини:

Розрахункові значення втрат повного напору для води склали близько 4 %, а для гліцерину - 27 %.

На практиці звичайно роблять наближені оцінки в'язких сил за числом Рейнольдса. Для води воно складає Re = 6·10⁶, а для гліцерину Re = 6·10³. Товщина прикордонного шару в соплі, оцінена за формулами для обтікання подовжених тіл, дорівнює = 0,08 для води і = 0,33 для гліцерину. Проведений аналіз показує, що вплив в'язкості води на параметри ГГ несуттєвий.

Зображений розподіл швидкості і тиску уздовж осі ГГ для звичайної води. Суцільні криві - розрахунок у вісісиметричній постановці за допомогою пакета ANSYS, пунктирні - розрахунок методом Годунова для квазіодномірної течії ідеальної слабко стисливої рідини. Гарний збіг результатів пояснює широке застосування квазіодномірного наближення и моделі ідеальної рідини для опису внутрішньої балістики ГГ.

У п'ятому розділі розглядаються різні прикладні задачі гідроімпульсних установок. Оцінюється віддача при пострілі поршневої і порохової ГГ, визначаються зусилля, що діють на корпус ГГ. Розглядаються особливості течії в ГГ з уступом у вхідному перетині в сопло. Обґрунтовується стабілізуюча дія коліматора на струмінь порохової ГГ. Оцінюється вплив різних факторів на параметри порохової ГГ: кута конуса сопла, маси пороху і води, радіуса ствола і сопла, густини заряджання. На підставі аналізу даних по руйнуванню порід, негабаритів і блоків визначені основні параметри для дослідного зразка порохової ГГ: швидкість, довжина і діаметр струменя, тиск у соплі. За цими даними розрахований і спроектований дослідний зразок порохової ГГ. Для збільшення ефективності і розширення робочого діапазону запропонована порохова ГГ зі змінними соплами, ідея якої належить Г.О. Атанову, а реалізація виконана автором. Сформульовано вимоги для струменя порохової ГГ, як інструмента для ефективного руйнування окремих міцних об'єктів: струмінь повинен мати задану швидкість і визначену довжину, швидкість уздовж струменя повинна бути постійною. При цих вимогах розрахований ряд ГГ малої, середньої і великої потужності. На рис. 28 наведена залежність швидкості втікання і витікання від часу для ГГ малої, середньої і великої потужності (криві 1, 2 і 3).

Докладно вивчена течія з кавітацією в ГГ ударної дії, дослідження якої розпочаті Г.О. Атановим. Для розрахунків використана I і спрощена модель кавітації та розроблені нові чисельні методи. Наведена динаміка кавітації. При пострілі ГГ утворяться дві зони кавітації С₁ і С₂.

У точній постановці, що враховує хвильові процеси, рухомі границі і витікання струменя через отвір, досліджений імпульсний генератор струменів періодичної структури, описаний В.А. Поздєєвим. Параметри генератора розраховані в одномірній і вісісиметричній постановках (криві 1 і 2). Результати розрахунків порівнюються з аналітичним рішенням В.А. Поздєєва. Показано, що рішення В.А. Поздєєва в одномірній постановці не враховує витікання струменя і справедливе тільки до цього моменту.

У шостому рзділі розглядається механіка ГГ для ідеальної нестисливої рідини. Аналізуються теорії Б. В. Войцеховського і J. L. Ryhming для нестисливої рідини. Показано, що теорія Б. В. Войцеховського вірно передає якісний хід залежностей, а істотні кількісні відхилення теорії зв'язані із нехтуванням стисливістю рідини і виявляються при великих швидкостях.

Для оцінки впливу стисливості запропонований метод слабко стисливої рідини. Ідея методу полягає в тому, що при граничному переході показника адіабати в рівнянні Тета, швидкість звука і рівняння руху стисливої рідини переходять у рівняння нестисливої. На практиці це реалізується формальним збільшенням швидкості звука в 10 - 20 разів у порівнянні з нормальною рідиною. Наведені розподіли тиску і швидкості на початок витікання для ГГ W. Cooley, виготовленої за теорією Б.В. Войцеховського. Криві 1 і 2 - тиск, 3 і 4 - швидкість, 1 і 3 - стислива, 2 і 4 - нестислива, кружечки - слабко стислива рідина (а = 20 а₀). Як видно, ігнорування стисливості води приводить до істотних помилок: для стисливої рідини максимальні значення тиску і швидкості в 1,85 і 1,34 рази менше, ніж для нестисливої. На необхідність врахування стисливості води в ГГ першим указав Г.О.Атанов, але критеріїв урахування не запропонував.

Як випливає з аналізу, при М 1 помилка у швидкості 14 %, а в тиску 33 %. Ці результати узгоджуються з висновками J. L. Ryhming і L. A.Glenn про те, що стисливістю води можна знехтувати при швидкостях до 1500 м/с (М < 1).

Розвинено теорію поршневої ГГ для ідеальної нестисливої рідини, яка відрізняється тим, що поршень враховується через граничну умову, а не як приєднана маса. Отримано більш загальні співвідношення для експоненціального сопла на стадіях втікання і витікання. Оцінено ефективність перетворення енергії поршня в енергію імпульсного струменя в поршневій ГГ.

Розроблено теорію порохової ГГ для ідеальної нестисливої рідини. Розглянуто різні стадії процесу: розгін, втікання і витікання для короткого і довгого водяного заряду. Наприклад, для стадії втікання довгого заряду прискорення заднього фронту, розподілу тиску і швидкості в соплі задаються виразами

,

, , (9)

де індексами “R” і “F” відзначені параметри на задньому і передньому фронті. Рівняння (9), у яке входить тиск порохових газів, розв'язується разом з рівняннями горіння пороху (7). Таким чином, механіка порохової ГГ для нестисливої рідини описується системою звичайних диференціальних рівнянь. На рис. 32 наведений розподіл тиску і швидкості для лабораторної пороховій ГГ. Криві 1, 3, 5- тиск, 2, 4, 6 - швидкість, 1 і 2 - нестислива, 3 і 4 - стислива, 5 і 6 - слабко стислива рідина.

Побудовано загальну теорію ГГ для нестисливої рідини, що математично описується системою звичайних диференціальних рівнянь



, , ,

, .(10)

Показано, що теорії Б. В. Войцеховського, J. L. Ryhming і порохової ГГ є окремими випадками загальної теорії при відповідних умовах (10). Математично внутрішня балістика ГГ для нестисливої рідини описується системою звичайних диференціальних рівнянь. Це істотно спрощує розв'язання задачі і дозволяє застосовувати для оптимізації ГГ більш прости чисельні методи.

У сьомому розділі розглядаються особливості поширення і взаємодії імпульсних струменів рідини, обумовлені нестаціонарністю процесу, стисливістю, надзвуковими швидкостями і кавітацією рідини. Двовимірний рух ідеальної стисливої рідини описувався рівняннями газової динаміки, що розв'язувалися чисельно методом Годунова. Досліджено витікання надзвукового струменя води на режимі недорозширення. Показано, що на цьому режимі в центрі струменя виникає кавітація, розмір якої залежить від ступеня нерозраховності режиму.

Досліджено гідродинамічні поля при виході ударної хвилі з циліндричної труби у відкритий об'єм, заповнений рідиною. Показано, що інтенсивність ударної хвилі швидко убуває при видаленні від торця труби, а її фронт на відстані біля п'яти радіусів перетворюється з плоского у сферичний. У деяких зонах розвивається кавітація.

Розглянуто взаємодію модельних і реальних імпульсних високонапірних затоплених струменів рідини з перешкодою при відстанях до 20 радіусів до перешкоди. Показано, що в просторі формується імпульсний затоплений струмінь рідини. Тиск на перешкоді локалізовано в невеликій області з розмірами порядку діаметра струменя і близько до тиску гальмування. Показано, що неоднорідні рівняння дають більш точне рішення поблизу осі симетрії, чим однорідні (5). Оцінено вплив штучних граничних умов на границях розрахункової області на параметри течії в центрі перешкоди. Показано, що на границях розрахункової області не вдається поставити “невідображаючі” граничні умови, які б не впливали на параметри течії всередині області. Ці висновки узгоджуються з висновком B. Gustavsson і H.O. Kreiss про неможливість постановки “невідображаючих” умов для нелінійних задач. Установлено, що найменший вплив робила умова , що виражає рівність поточних параметрів у фіктивних і граничних ячейках. На практиці границі розрахункової області відсувалися на безпечну відстань, щоб вони не впливали на параметри течії.

Досліджено взаємодію з перешкодою імпульсних затоплених струменів реальних порохової ГГ і ІВ. Задача розв'язувалася комплексно: спільно розраховувалася течія усередині і зовні установки. Течія в ГГ описувалася в квазіодномірній постановці, а взаємодія струменя - в вісісиметричній.

Дослідження показали, що імпульсний струмінь порохової ГГ і ІВ може ефективно впливати на перешкоду. У рідині формується імпульсний затоплений струмінь з радіусом, рівним радіусу сопла. Зона підвищеного тиску локалізована поблизу центру перешкоди. Зовнішні умови мало впливають на параметри струменя. Основні параметри ГГ і ІВ практично не залежать від зовнішніх умов і можуть розраховуватися без їх урахування. Характер зміни тиску струменя ІВ на перешкоді відрізняється від тиску струменя ГГ. Для струменя ГГ виявлений провісник тиску на перешкоді, викликаний ударною хвилею.

Для оцінки впливу в'язкості на параметри імпульсного затопленого струменя розглянута взаємодія стаціонарного вісісиметричного затопленого струменя в'язкої і слабко в'язкої нестисливої рідини з плоскою перешкодою. Для в'язкої і слабко в'язкої нестисливої рідини розрахунки виконані пакетом ANSYS, а для ідеальної стисливої - методом Годунова. Параметри струменя узяті для модельної задачі: радіус струменя 10 мм, швидкість 1000 м/с. На рис. 36 наведене поле тисків при стаціонарній течії (криві - метод Годунова, суцільні - ANSYS). Поля швидкостей для в'язкої і слабко в'язкої рідини практично не розрізняються. Гарний якісний і кількісний збіг результатів розрахунків свідчить про те, що для імпульсних затоплених струменів води на відстанях порядку 10 - 20 R_s впливом в'язкості можна знехтувати і розглядати взаємодію струменя з перешкодою в рамках моделі ідеальної рідини.

У восьмому розділі розглядається динаміка одномірної циліндричної і сферичної порожнини при підводному електричному розряді в замкнутих і відкритих об'ємах. Оцінювався тиск на стінки об'єму, радіус і період пульсації порожнини. Рух рідини описувався в найбільш точній газодинамічній постановці. Закони зміни радіуса порожнини і підводимої потужності бралися з експерименту у вигляді, запропонованому В.А. Поздєєвим

, , ;

, .

При заданому законі введення енергії використовувалося рівняння балансу енергії для порожнини

, (11)

де і - тиск і об'єм, - показник адіабати, , , , n - постійні.

При врахуванні електричних параметрів розрядного контуру, потужність визначалася за формулою , а параметри - з рівнянь контуру



, ,

де i, R, q - сила струму, опір і заряд, С и L - ємність і індуктивність розрядного контуру. Залежність провідності від тиску узята в А.Л. Куперштоха.

Поставлені задачі розв'язувались чисельно методами Годунова, МХФШ, МХН і VIS. Оцінювалася ефективність методів і перспективи їх використання для конкретних задач. Розроблені спеціальні адаптуємі і прогресивні сітки, крок яких змінювався в залежності від відстані до цента порожнини і від її поточного радіуса. Для розрахунку тривалих процесів у безмежному об'ємі рідини використані “невідображаючі” умови різних типів.

Наведена залежність тиску в каналі розряду (1) і на твердій стінці (2) від часу. Суцільні криві - розрахунок методом Годунова, пунктирні - розрахунок А.Л. Куперштоха по схемі Лакса-Вендроффа. Максимальні значення тиску на стінці розрізняються менше, ніж на 1%. Розрахунки методами Годунова, МХФШ, МХН і VIS розрізняються на 1,5 %.

Одномірний рух тонкостінної циліндричної оболонки описувався рівнянням

,

де w - переміщення оболонки; - густина матеріалу; - тиск на оболонку; - головна окружна напруга; і - початковий радіус і товщина оболонки. На рис. 38 наведені залежності тиску в каналі розряду (1) і на оболонці (2) від часу; суцільні і пунктирні криві - пружна і тверда оболонка. З проведених досліджень випливає, що закону розширення каналу розряду і переміщення оболонки істотно впливає на гідродинамічні параметри. Деформація оболонки приводить до помітного зниження тиску на оболонці. Порівняння розрахунків, проведених різними чисельними методами та авторами, показало надійність і ефективність використаних методів, і вірогідність результатів розрахунків.

Досліджено динаміку сферичної порожнини при різних умовах. Оцінювався вплив кількості введеної в порожнину енергії, закону і часу введення енергії, показника адіабати продуктів у порожнині, початкового радіуса порожнини, гідростатичного тиску води, типу границь для обмеженого об'єму (вільна поверхня, тверда чи деформуєма оболонка), відстані до границь на основні параметри порожнини - максимальний радіус і період пульсації . Для розрахунку тривалих процесів у великих об'ємах рідини розроблені спеціальні прогресивні сітки, крок яких змінювався за законом арифметичної чи геометричної прогресії, і адаптуємі сітки, крок яких залежав від радіуса порожнини чи від відстані до її центра. Для економії часу рахунку використовувалися сітки з перемінним числом ячейок і рухомою границею розрахункової області, що розширювалася в міру поширення збурення, а число ячейок змінювалося в залежності від розмірів розрахункової області. Ці прийоми дозволили істотно скоротити час розрахунку і визначити реальні процеси великої тривалості близько 15...20 мс.

Наведені залежності радіуса порожнини і швидкості її розширення від часу. Крива 1 - для безмежної рідини, 2 - для твердої стінки на відстані = 1 м, крива 3 - швидкість . Кружечками відзначена нормована крива В.В. Шамко, що апроксимує експериментальні дані функцією

.

Релей аналітично визначив час схлопування вакуумованої сферичної порожнини в безмежному об'ємі нестисливої рідини: . Розрахункове значення для порожнини з початковим радіусом = 27,2 мм відрізняється від точного на 4 %.

Встановлено, що тверда поверхня не впливає на параметри порожнини при відстанях , а вільна поверхня - при , де - радіус порожнини в безмежній рідині. Ці висновки узгоджуються з експериментальними даними В.В. Шамко.

Досліджено перевипромінювання одномірних циліндричних і сферичних оболонок, занурених у рідину, при електричному розряді усередині оболонки. Рух рідини описувався рівняннями газової динаміки, а малі деформації тонкостінної оболонки - рівняннями лінійної теорії пружності. Оцінювався вплив параметрів оболонки (товщини, радіуса, матеріалу), закону введення енергії, зовнішнього протитиску, початкових розмірів порожнини на проходження імпульсу тиску. Наведено розподіл тиску по простору на момент часу t = 1 мс; крива 1 - без оболонки, 2 - гумова оболонка, 3 - сталева оболонка.

Встановлено, що оболонки зменшують період пульсації порожнини тим сильніше, чим вони жорсткіші. Гумові оболонки добре перевипромінюють і практично не спотворюють імпульс тиску. У просторі поширюються первинний і вторинний імпульси, викликані пульсаціями порожнини. За час пульсації порожнини власні коливання гумової оболонки не встигають проявитися. Сталева оболонка істотно спотворює імпульс тиску і генерує вторинні імпульси. При зануренні оболонки на глибину характер імпульсу тиску не змінюється.

Для збільшення віддачі свердловин, досліджено гідродинамічні поля при електричному розряді в нафті. Нафта вважається ідеальною стисливою рідиною з рівнянням стану у формі Тета. З аналізу експериментальних даних визначені середні значення констант у рівнянні Тета і швидкість звуку для нафти: n = 11,19; B = 124 МПа; ₀ = 800 кг/м³, = 1317 м/с. Встановлено, що результати розрахунків для нафти і води якісно збігаються. Кількісні розходження в рівняннях стану не впливають на фізику процесів. Розкид параметрів нафти несуттєво позначається на гідродинамічних параметрах. Попередні розрахунки та експерименти за оцінкою гідродинамічних полів при розряді у нафтових свердловинах, можна проводити на воді.

У дев'ятому розділі описаний ряд двовимірних прикладних задач підводного електричного розряду стосовно до технологічних процесів штампування, калібрування, розвальцьовування, запресовування циліндричних оболонок, здрібнювання міцних мінералів Рух рідини описувався двовимірними рівняннями нестаціонарної газової динаміки (5), динаміка порожнини рівнянням балансу енергії (11). Поставлені задачі розв'язувалися чисельно методом Годунова. Для розрахунку розроблені спеціальні рухомі сітки, що враховують геометрію і симетрію робочих камер і динаміку парогазової порожнини.

Оцінено вплив течії через відкриті торці патрона на параметри рідини усередині циліндричної труби при запресовуванні труб. Наведене поле тисків на момент часу t = 10 мкс. Встановлено, що течія рідини через торці істотно впливає на тиск усередині труби. Для оцінки силового впливу на трубу можна скористатися одномірним наближенням, яке справедливе для середньої частини труби в перебігу часу: , де 2l - довжина патрона, - середня швидкість звуку. Сформульовано критерій застосування одномірного наближення. Для підвищення ефективності процесу рекомендується, щоб час введення енергії був меншим часу .

Досліджено гідродинамічні поля в замкнутих об'ємах стосовно до процесів калібрування і роздачі циліндричних оболонок. Для підвищення тиску на оболонку застосовується система симетричних лінійних розрядників і центральні циліндричні вставки. Розглянуті поля у твердих циліндричних оболонках, закритих з торців, по всій довжині яких розташована система однакових лінійних розрядників, на які одночасно подається висока напруга. Оцінюється силовий вплив на оболонку в залежності від кількості розрядників, їхнього розташування, діаметра центральної вставки при однаковій повній енергії. Загальна ідея цих досліджень належить В.А. Поздєєву, а реалізація виконана автором. Наведені залежності тиску від часу у найдальшій (1, 3) і найближчій (2, 4) від розрядника точках на оболонці для системи з трьох (1, 2) і чотирьох (3, 4) розрядників; 5 - для одного розрядника на вісі оболонки.

Як і слід було очікувати, система з розподіленими розрядниками дозволяє одержати більші значення тиску на поверхні оболонки, ніж один розрядник на вісі оболонки. Із збільшенням числа розрядників тиск по поверхні оболонки розподіляється більш рівномірно, менша амплітуда пульсацій тиску. Максимальні значення тиску для системи з трьох розрядників більше, ніж для системи з чотирьох. Використання центральних вставок із системою розподілених розрядників сприяє підвищенню і вирівнюванню тиску на поверхні оболонок великого діаметра. Варіюючи кількість розрядників і їх розташування, можна зменшити енергоємність процесу до 40 %.

Досліджено гідродинамічні поля в установках камерного типу. Оцінено вплив форми камер і розташування розрядника на силові параметри камери. Практичне поширення одержали робочі камери установок у формі циліндра, усіченого конуса і півсфери. Приведена залежність сили тиску, що діє на нижню основу камери, від часу для камер у формі циліндра, усіченого конуса, перевернутого усіченого конуса і півсфери (криві 1 - 4); розрядник розташовувався у нижній основі камери.

Встановлено, що форма камери і розташування розрядника істотно впливають на силові характеристики камери: максимальний тиск, розподіл тиску, середню силу тиску та імпульс сили тиску. Найбільший ефект отримано для камер у формі півсфери, які мають фокусуючи властивості. Імпульс тиску і сила тиску для цих камер у 2 рази більший, ніж для інших.

Відповідно до технологічного процесу здрібнювання міцних мінералів досліджено поле тисків у камерах еліпсоїдальної форми при електричному розряді в одному чи двох фокусах камери наведене поле тисків на момент часу t = 100 мкс для робочої камери у формі еліптичного циліндра.

Встановлено, що при електричному розряді в одному з фокусів камери еліпсоїдальної форми в околиці іншого фокуса утвориться зона підвищеного тиску. Локальні зони підвищеного тиску можна створювати при синхронізованому розряді в обох фокусах камери. Роблячи розряди з затримкою, можна варіювати положення зон і максимальний тиск у них. Максимальні тиски в камерах у формі еліпсоїда обертання на 10 - 25 % більші, ніж у камерах у формі еліптичного циліндра за інших рівних умов. Використання камер еліпсоїдальної форми дозволить знизити витрати енергії на 20 - 30 %.

Відповідно до технологічного процесу очищення перфорації свердловин досліджено гідродинамічні поля при електричному розряді на осі перфорованої оболонки, зануреної в рідину. Встановлено, що перфорована оболонка з відносною площею перфорації 0,5 слабко впливає на розподіл тиску в зовнішній області. На відстанях більше 2 від вісі оболонки розподіл тиску по простору близький до монотонного і дифракція хвиль не виявляється.



ВИСНОВКИ

У дисертації одержані нові науково обґрунтовані результати, що у сукупності вирішують важливу науково-прикладну проблему, яка полягає у розробці, узагальненні та розвитку теоретичних основ математичного та експериментального моделювання імпульсних та хвильових процесів при русі рідини з рухомими границями та кавітацією.

Нові наукові та практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Розроблено математичні моделі ряду гідроімпульсних установок і технологічних процесів, які адекватно відображають розглянуті процеси. Сформульовані критерії застосовності різних моделей.

2. Розвинені та адаптовані надійні та ефективні чисельні методи для розв'язання задач нестаціонарного руху ідеальної стисливої рідини з рухомими границями і кавітацією. Надійність методів перевірена при розв'язанні тестових задач шляхом порівняння з відомими рішеннями та експериментом.

3. На модельних і прикладних задачах досліджені моделі кавітації з постійним тиском і постійною швидкістю звуку. Запропоновано спрощену модель кавітації з постійним тиском і постійною густиною. Вирішено ряд прикладних задач, течія рідини в яких супроводжується кавітацією. Показано, що ігнорування кавітації приводить до кількісного і якісного перекручування процесу.

4. Для опису процесів у пороховій ГГ і ІВ розвинена двофазна одношвидкісна газодинамічна модель палаючої газо-порохової суміші з джерелами маси, імпульсу та енергії. Установлено, що хвильовий характер руху газо-порохової суміші незначно позначається на основних гідродинамічних параметрах установок.

5. Розроблено пакет прикладних програм для комплексного розрахунку параметрів порохової ГГ і ІВ, що був використаний у НДПКІ “Іскра” при розрахунку, проектуванні і виготовленні порохової ГГ для підводних і польових робіт.

6. Теоретично та експериментально досліджена внутрішня балістика порохової ГГ і ІВ. Оцінено вплив різних факторів на параметри ГГ і ІВ. Розрахований і спроектований дослідний зразок ГГ підвищеної потужності зі змінними соплами. Виміряно тиск усередині установки, швидкість голови струменя та імпульс струменя. Для виміру швидкості та імпульсу струменя розроблений безконтактний лазерний вимірник швидкості і балістичний маятник. Показано адекватність розроблених математичних моделей реальним процесам і підтверджена вірогідність результатів розрахунків. Використання цих розробок дозволило створити установки з заданими гідродинамічними параметрами та оптимізувати їхні масогабаритні і тактико-технічні характеристики на 20 - 50 %.

7. Розроблено загальну теорію ГГ для ідеальної нестисливої рідини, що описується системою звичайних диференціальних рівнянь. Показано, що теорії поршневої і порохової ГГ є окремими випадками загальної теорії при визначених граничних умовах. Сформульовано критерії для урахування стисливості води в ГГ за числом Маха для максимальної швидкості і характерному часу.

8. Запропоновано і обґрунтовано метод слабко стисливої рідини для оцінки впливу стисливості рідини на параметри ГГ і ІВ. Правомірність методу доведена теоретично і шляхом порівнянням результатів розрахунків для нестисливої, стисливої і слабко стисливої рідини.

9. Отримані кількісні оцінки для обґрунтування квазіодномірної моделі течії і допустимості нехтування в'язкістю води в ГГ і ІВ. Оцінка впливу в'язкості на параметри ГГ зроблена за числом Рейнольдса, товщині прикордонного шару і прямими розрахунками за допомогою пакета ANSYS методом слабко в'язкої рідини на модельній задачі. Встановлено, що втрати повного напору на тертя води у пороховій ГГ містять близько 4 %, а максимальні значення швидкості для вісісиметричній і квазіодномірній течії в ГГ відрізняються на 1 %.

10. Вирішено ряд прикладних задач для різних гідроімпульсних установок: прес-гармат, гідрогармати ударної дії, імпульсного генератора струменів. Отримано результати, що дозволяють глибше зрозуміти фізику процесів, що відбуваються, і керувати ними.

11. Чисельно досліджене поширення і взаємодія імпульсних струменів рідини. Показано, що витікання надзвукового недорозширеного струменя рідини супроводжується кавітацією. Установлено, що затоплений струмінь порохової ГГ і ІВ може ефективно впливати на перешкоду на відстані 10 - 20 радіусів сопла. Показано, що в'язкістю води можна знехтувати.

12. Досліджено динаміку циліндричної і сферичної порожнини і перевипромінювання оболонок при підводному електричному розряді у різних умовах. Для розрахунку гідродинамічних полів у великих відкритих і замкнутих об'ємах при тривалих процесах розроблені спеціальні адаптуємі і прогресивні сітки з змінним кроком. Встановлено, що тверда поверхня більш впливає на параметри порожнини, чім вільна. Початковий радіус порожнини і термін введення енергії слабко впливає на параметрі порожнини. Пружні оболонки зменшують період пульсації порожнини тим сильніше, чим вони жорсткіші. Гумові оболонки практично не спотворюють імпульс тиску, а сталеві генерують вторинні імпульси. При зануренні оболонки на глибину характер імпульсу тиску не змінюється. Гідродинамічні поля для нафти і води якісно збігаються.

13. Вирішено ряд прикладних задач для технологічних процесів на основі електрогідравлічного ефекту. Отримані результати були використані в ІІПТ НАН України при конструюванні робочих камер і вузлів електрогідравлічних установок і оптимізації режимів їх роботи.

Вірогідність отриманих результатів забезпечується комплексним підходом до досліджень, який складається з використання адекватних математичних моделей, надійних чисельних методів, тестуванні алгоритмів, порівнянні з аналітичними рішеннями, рішеннями інших авторів і експериментом.



ПЕРЕЛІК основних публикацій за темою дисертації та особистий внесок в них автора

Публікації у наукових фахових виданнях з технічних наук

Семко А.Н. Выход ударной волны из цилиндрической трубы в открытый объем, заполненный жидкостью // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1998. - Вып. 8. - С. 169 - 172.

Семко А.Н. О движении жидкости при электрическом разряде на оси цилиндрической перфорированной оболочки // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1998. - Вып. 10. - С. 85 - 89.

Семко А.Н. Расчет параметров гидропушки с амортизатором // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 1998. - Вып. 5. - С. 186 - 190.

Семко А. Н. Расчет параметров импульсного водомета с пороховым приводом // Придніпровський науковий вісник: Технічні науки. - 1998. - № 42 (109). - С. 77 - 80.

Семко А. Н. Гидроимпульсная пресс-пушка с расширенной рабочей камерой // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 1998. - № 2. - С. 62 - 65.

Семко А.Н. Влияние течения через торцы при запрессовке труб // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2000. - № 1. - С. 107 - 110.

Семко А. Н. Расчет течения в гидропушке численным методом с искусственной вязкостью // Прикладная гидромеханика. - 2000. - Т. 2 (74). - № 1. С. 88 -91.

Семко А.Н. О влиянии конусности сопла на параметры порохового импульсного водомета // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2001. - № 1. - С. 66 - 70.

Коломенская В.В., Семко А.Н. Об использовании метода потенциала для расчета газодинамических течений // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничi науки. - 2002. - № 2. - С. 244 - 248. (Автору належить ідея роботи, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Марченко О.А., Семко А.Н. Исследование импульсного генератора струй жидкости с учетом кавитации // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничi науки. - 2002. № 1. - С. 162 - 165. (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Русанова О.А., Семко А.Н. Моделирование нестационарной кавитации // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничі науки. - 2003. - Вип. 1. - С. 148 - 156. (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Г. А. Атанов, Э. С. Гескин, А. Н. Семко. Силы, действующие при выстреле гидропушки. // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничi науки. - 2004. - №1. - С. 237 - 242. ()

Г. А. Атанов, Э. С. Гескин, А.Н. Ковалев, А. Н. Семко. Пороховая гидропушка широкого спектра действия // Прикладная гидромеханика. - 2004. - Т. 6 (78). № 3. - С. 3 -9. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Атанов Г. А, Русанова О. А, Семко А.Н. Расчет нестационарных течений жидкости с кавитацией // Прикладная гидромеханика. - 2004. - Том 6 (78). - № 4. - C. 9 - 16. (Автору належить ідея роботи, постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Семко А. Н. Механика гидропушки с поршневым приводом для идеальной несжимаемой жидкости // Вісник Донецького університету, Серія А. Природничi науки. - 2005. - № 1. - С. 149 - 157.

Семко А.Н. Об истечении недорасширенной струи воды // Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа. - 1982. - № 2. - С. 155-157.

Атанов Г.А., Семко А.Н., Украинский Ю.Д. Исследование внутренней баллистики гидропушки // Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа. - 1983. - № 4. - С. 168-170. (Автору належить розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, порівняння з експериментом, обговорення результатів).

Атанов Г.А., Губский В.И., Семко А.Н. Внутренняя баллистика пороховой гидропушки // Изв. РАН, Механика жидкости и газа.- 1997. -№ 6.- С. 191-194. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Атанов Г.А., Семко А.Н. Расчет импульсной струи пороховой гидропушки под водой // Известия РАН, Механика жидкости и газа. - 2002. - №2. - С. 31 - 38. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, обговорення результатів).

Семко А. Н. Внутренняя баллистика импульсного водомета с пороховым приводом // Прикладная механика и техническая физика. - 2000. - Т. 41, № 3. - С. 118 - 124.

Семко А. Н. О влиянии сжимаемости жидкости на параметры гидропушки // Инженерно-физический журнал. - 2001. - Т. 74. № 1. - С. 1 - 5.

Ищенко Ж.Н., Поздеев В.А., Семко А.Н., Скрипниченко А.Л., Чуприн А.Н. Расчет гидродинамических давлений внутри цилиндрической оболочки при действии импульсного источника // Известия АН БССР, серия физико-технических наук. - 1985. - № 1. - С. 11-17. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

O. Petrenko, E.S. Geskin, G.A. Atanov, A. Semko, B. Goldenberg. Numerical Modeling of High-Speed Water Slugs // Transaction of the ASME. Journal of Fluids Engineering. - 2004. - Vol. 126. No 2. - P. 206 - 209. (Автору належить спільна постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

Атанов Г.А., Семко А.Н. О соотношении между динамическим давлением ультраструи и статическим давлением в установке // Аэрогазодинамика нестационарных процессов. - Томск: ТГУ, 1987. - С. 9-13. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, обговорення результатів).

Малюшевский П.П., Семко А.Н., Чуприн А.Н. Фокусировка волн сжатия в камере эллипсоидальной формы // Электрофизические и гидродинамические процессы электрического разряда в конденсированных средах. - Киев: Наукова думка, 1987.- С. 91-97. (Автору належить спільна постановка задач та розробка методу розрахунку, обговорення результатів).

А.с. 981610 СССР, МКИ³ Е 21 С 45/00. Гидропушка / Атанов Г.А., Ефремов Ю.Н., Резник Л.А., Семко А.Н. - № 3244510/29-03. Заявлено 03.02.81 // Открытия. Изобретения. - 1982. № 46. - С.163. (Автору належить розробка методу розрахунку, проведення розрахунків, обговорення результатів).

Публікації у наукових фахових виданнях з фізико-математичних наук

Семко А.Н. Расширение цилиндрического поршня в замкнутом объеме жидкости // Теоретическая и прикладная механика.- Киев-Донецк: Наукова думка, 1984. - Вып. 15. - C. 138-141.

Семко А.Н. Гидродинамика подводного электрического разряда на оси оболочки, погруженной в жидкость // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1995.- Вып. 25.- С. 120 - 126.

Семко А.Н. Механика пороховой гидро-пресс пушки // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1996.- Вып. 26.- С. 124 - 128.

Семко А. Н. Динамика сферической полости при разных условиях // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1998. - Вып. 28. - С. 146 - 151.

Семко А. Н. О влиянии границ на динамику сферической полости в жидкости // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1999. - Вып. 29. - С. 175 - 180.

Атанов Г. А., Семко А. Н. Импульсная струя жидкости под водой // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа. 1999. - Вып. 29. - С. 169 - 174. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, розрахунки та обговорення результатів).

Семко А. Н. Пульсирующий пороховой импульсный водомет // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 2000. - Вып. 31. - С. 161 - 167.

Семко А. Н., Ганцевич Л. А. Деформация пластин в гидроимпульсной пресс-пушке // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 2001. - Вып. 32. - С. 170 - 176. (Автору належить постановка задачі, спільна розробка методу розрахунку та обговорення результатів).

Семко А.Н. Внутренняя баллистика порохового водомета и гидропушки // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, - 2002. - Вып. 35. - С. 181 - 185.

Публікації в інших наукових виданнях

Semko A.N. Non-stationary cavitation of a liquid in pulse processes // Proc. of International Summer Scientific School “High Speed Hydrodynamics” (HSH 2002, June 16 - 23, 2002).- Cheboksary, Russian/ Washington, USA: Cheboksary, Russian, 2002. Р. 377 - 381.

Atanov G.A., Semko A.N. The powder hydro-cannon // Proc. of International Summer Scientific School “High Speed Hydrodynamics” (HSH 2002, June 16 - 23, 2002).- Cheboksary, Russian/ Washington, USA: Cheboksary, Russian, 2002. - Р. 419 - 424. (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методів розрахунку, обговорення результатів).

Petrenko O.P., Geskin E.S., Semko A.N. Mechanics of powder hydrocannon for incompressible fluid // Proc. of 2005 WJTA American Waterjet Conference (2005 WJTA, August 21-23, 2005). - Houston, Texas, 2005. - P. 1 - 14. (Автору належить ідея роботи та постановка задачі, розробка методу розрахунку, спільні розрахунки, обговорення результатів).

Поздеев В.А., Семко А.Н., Чуприн А.Н Импульсные гидродинамические поля при электрическом разряде в замкнутых объемах жидкости / Николаев, 1990. - 37 с. (Препр. / АН Украины. ПКБЭ; № 15). (Автору належить спільна постановка задачі, розробка методу розрахунку, спільні розрахунки, обговорення результатів).

Семко А.Н. Исследование течений при электрическом разряде в воде в замкнутых объемах. - Фонд Алгоритмов и Программ АН УССР, инв. № АП0247 от 1.05.89. ГФАП, № 50890001191.

Размещено на Allbest.ru

...