Экспериментальное исследование пульсирующего истечения газа из ресивера

А

Механика

УДК 534

С.В .Булович, В.В. Григорьев, С.Н. Исаков, Р.Л. Петров

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСИРУЮщЕГО ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА ИЗ РЕСИВЕРА

Нестационарное истечение газа из ресивера исследовалось экспериментально [1, 2] и теоретически [3, 5]. При этом, как правило, рассматривался закритический режим истечения, в той или иной степени моделирующий ситуацию разгерметизации сосуда. Известны технические устройства, например пульсаци-онные охладители газа, где пульсирующее течение газа в тупиковом канале реализуется при помощи вращающегося золотника. Различные аспекты работы подобных устройств представлены в монографии [6]. Пульсирующий режим течения газа в трубах характерен для питающих линий поршневых машин, например, в системах резонансного наддува [7].

Существует несколько приемов создания пульсирующего потока газа. Это могут быть конструкции поршневого типа, вращающиеся золотники или быстрооткрывающиеся клапанные устройства. Привлекательным достоинством последних является возможность гибкого регулирования длительности и скважности импульса при умеренной частоте срабатывания клапана.

В настоящей статье исследуется нестационарное движение газа в виде свободной струи или течения в канале, возникающее вследствие работы быстродействующего клапанного устройства [8]. В качестве рабочей среды был использован воздух.

Экспериментальная установка допускала работу в двух вариантах. В первом пульсирующее истечение газа из ресивера объемом 25-10-3 м3

осуществлялось непосредственно в атмосферу. Во втором варианте к выходу запорного элемента была присоединена труба диаметром Б = 0,046 м и длиной Ь = 4,5 м. В сечениях трубы /1—/4, составлявших 0,25; 2,22; 3,40 и 4,39 м, были установлены пьезоэлектрические датчики давления. Давление в ресивере контролировалось при помощи тензодатчика.

Начальные значения давления и температуры газа в ресивере составляли 0,2 МПа и 292 К соответственно. Значения тех же величин для области истечения газа — 0,1 МПа и 292 К.

Быстродействующий клапан схематично представлен на рис. 1. Клапан состоит из двух основных узлов: корпуса 1 (с седлом 2) и направляющей 3 (с колпаком 4). В «открытом» состоянии колпак клапана сдвинут по направляющей влево, в «закрытом» — прижат к седлу. При пневматическом управлении положение колпака клапана зависит от уровней давления под колпаком и на наружной его поверхности. Изменение давления в полости под колпаком происходит при помощи электромагнитного клапана 5, который обеспечивает коммутацию полости под колпаком клапана с двумя пневматическими линиями. Одна из них — это линия высокого давления 6 (например, давление в ресивере), другая — линия низкого давления 7 (давление в области истечения газа). В настоящем исследовании клапан имел проходное сечение диаметром с1 = 0,04 м.

Быстродействие клапана зависит от ряда факторов: разности давлений на внутренней и

Рис. 1. Схема быстродействующего клапана и его

системы управления: 1 — корпус; 2 — его седло; 3 — направляющая; 4 — ее колпак; 5 — электромагнитный клапан; 6, 7 — линии высокого и низкого давления

наружной поверхностях его колпака, пропускной способности электромагнитного клапана, технических зазоров между колпаком клапана и направляющей; причем быстродействие может изменяться в несколько раз. В частности, для умеренных избыточных давлений оно характеризуется временем открытия клапана менее 5 мс (по замерам непосредственного перемещения колпака клапана), что позволяет работать с частотой до 100 Гц.

Управление работой электромагнитного клапана осуществлялось при помощи блока цифро-аналогового преобразователя платы Ь-386 фирмы «Ь-Сагё». Регистрация сигналов производилась при помощи блока аналого-цифрового преобразователя той же платы.

Программа управления работой электромагнитного клапана позволяет создавать произвольные по длительности последовательности открытого и закрытого состояний запорного элемента. В проведенном исследовании влияния частоты срабатывания клапана на расход газа из ресивера была выбрана постоянная скважность импульсов, равная двум. При этом суммарное время открытого состояния клапана оставалось неизменным и равным 0,2 с (независимо от частоты), а общее время управления работой клапана составляло 0,4 с. В ряде опытов при работе установки во втором варианте вре-

мя регистрации сигналов превышало значение 0,4 с, что позволило измерить свободные затухающие колебания газа как в системе ресивер-труба, так и в трубе, закрытой с одного торца запорным элементом. Для полуоткрытой трубы частота акустических колебаний составила около 18 Гц, что хорошо согласуется с оценкой по линейной теории. Для системы ресивера с присоединенной трубой, которая представляет собой резонатор Гельмгольца, частота оказалась равной примерно 2 Гц, что также соответствует характеристике системы в акустическом приближении. В последнем случае из-за неполного геометрического соответствия исследуемой системы резонатору Гельмгольца (горло резонатора не должно иметь большое удлинение, а в нашем случае оно составляло 100), на фоне низкочастотных колебаний видна гармоника собственных колебаний газа в трубе, открытой с двух торцов (~36 Гц).

В силу того, что время истечения газа из ресивера много меньше времени установления его теплового равновесия со стенками сосуда в ресивере, процесс истечения можно считать близким к адиабатическому и при обработке экспериментальных данных связывать давление и плотность газа в ресивере адиабатой Пуассона. По истечении времени релаксации (2—3 мин) температура газа в ресивере вновь уравнивалась с температурой окружающей среды, и в ресивере устанавливалось давление, соответствующее изотермическому процессу; это позволяло по измеренному давлению в ресивере и известной температуре рассчитывать плотность газа, пользуясь уравнением состояния в форме закона Менделеева—Клапейрона.

Заметим, что регистрация давления не только по значению на момент времени 0,4 с, но и по достижению газом термодинамического равновесия позволяла осуществлять дополнительный контроль массы газа в ресивере. Разность между значениями массы газа, оставшейся после эксперимента в ресивере, определенными двумя разными методами, составляла менее 3 %; разницу можно объяснить небольшой утечкой массы через уплотнения в магистрали напуска газа в ресивер за время релаксации.

Результаты исследования для обоих вариантов представлены на рис. 2. Экспериментальные точки и аппроксимирующие кривые показыва-

^ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 4' 2011

Рис. 2. Зависимости относительной массы газа, покинувшей ресивер, от частоты срабатывания клапана для первого (1) и второго (2) вариантов; символы — эксперимент, линии — аппроксимирующие кривые

ют зависимость вытекшей за 0,4 с из ресивера массы газа ДМ/М0 (по отношению к начальной массе М0) от частоты работы клапана.

Приведенные на рис. 2 экспериментальные данные позволяют заключить следующее:

пульсирующее истечение газа из ресивера в первом варианте происходит при меньших значениях расхода газа, чем в квазистационарном (одиночном) открытии запорного элемента;

расход газа из ресивера в первом варианте слабо зависит от частоты срабатывания запорного элемента;

резкое снижение расхода при частоте свыше 100 Гц связано с нарушением функциональных возможностей клапана на высоких частотах;

присоединение к ресиверу трубы приводит к возникновению резонансных режимов истечения газа. Для рассматриваемого варианта геометрических характеристик ресивера и трубы увеличение (уменьшение) расхода истекающего газа составляет примерно 20 %. Отчетливо проявляющиеся максимумы расхода газа соответствуют частотам 15, 25 и 47,5 Гц. Минимумы обнаружены на частотах 20,0 и 27,5 Гц;

сопоставление кривых 1 и 2 позволяет заключить, что при пульсирующем истечении газа из ресивера присоединение трубы как правило, приводит к увеличению расхода; исклю-

чение составляют узкие интервалы частот около обнаруженных минимумов.

Далее приведем некоторые дополнительные соображения относительно наблюдаемых явлений.

В частности, обратим внимание на то, что при квазистационарном истечении газа присоединение трубы приводит к уменьшению расхода газа. Этот факт объясняется дополнительным гидравлическим сопротивлением трубы.

Увеличение расхода газа из ресивера при умеренных частотах (10—100 Гц) во втором варианте по отношению к первому связано с состоянием газа в окрестности запорного элемента. Выделим здесь два фактора. Во-первых, без присоединенной трубы течение в окрестности запорного элемента носит характер течения от точечного источника. Когда присоединяется труба, интенсивность возмущений в окрестности запорного элемента не зависит от расстояния до него. Волны сжатия и разрежения вместо сферических (первый вариант) становятся плоскими (второй вариант). Во-вторых, во втором варианте возникают интенсивные возмущения, отраженные от открытого конца трубы, что отсутствует в первом варианте. Возмущения могут приводить как к повышению, так и понижению давления в трубе по отношению к исходному (атмосферному) давлению на открытом конце трубы. Таким образом, в зависимости от уровня давления в трубе в окрестности запорного элемента на определенных частотах наблюдаются как максимумы, так и минимумы расхода газа.

Несоответствие наблюдаемых частот максимального и минимального расходов газа приведенным выше акустическим оценкам для элементов исследуемой системы (резонатора Гельмгольца, полуоткрытой и полностью открытой трубы) связано с двумя обстоятельствами. Главным из них является смена геометрических характеристик системы, приводящая к изменению типа граничного условия (открытие или закрытие запорного элемента). Другое существенное обстоятельство — это большая амплитуда газодинамических возмущений, что, очевидно, ограничивает применение моделей линейной акустики.

В заключение отметим два наиболее интересных, на наш взгляд, результата работы, связанные с выполненными исследованиями.

Первый результат—создание экспериментального комплекса с основным элементом — оригинальным быстродействующим клапаном большого проходного сечения. Комплекс позволяет создавать импульсные потоки газа с частотой до 100 Гц, в том числе и с переменной скважностью.

Второй результат — сравнение результатов исследования пульсирующего истечения газа из ресивера непосредственно в атмосферу и через подсоединенный к ресиверу канал показало, что волновые процессы в канале могут приводить к увеличению массового расхода в широком диапазоне частот, несмотря на влияние вязкости, уменьшающей массовый расход.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дулов, В.Г. Газодинамика процессов истечения [Текст] / В.Г. Дулов, Г.А. Лукьянов. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1984. - 232 с.

2. Проджелхоф, Р.К. Быстрое опорожнение цилиндрического сосуда с газом через сопло [Текст] / Р.К. Проджелхоф, Дж.А. Овчарек // Ракет. техника и космонавтика. - 1963. - № 9. - С. 209-210.

3. Ашратов, Э.А. Течения газа в соплах и струях [Текст] / Э.А. Ашратов, Т.Г. Волконская, Г.С. Росляков // Газоаэромеханика и космические исследования. - М.: Наука, 1985. - С. 116-136.

4. Сидняев, Н.И. Численное решение задачи об истечении газа из замкнутого объема в атмосферу [Текст] / Н.И. Сидняев // Письма в ЖТФ. - 2005. Т. 31. - Вып. 1. - С. 17-23.

5. Архипов, В.А. К гипотезе квазистационарности при истечении газа из ресивера [Текст] / В.А. Архи-

пов, А.П. Березиков, В.Ф. Трофимов // Прикладная механика и техническая физика. — 2004. — Т. 45. — № 4. - С. 50-57.

6. Архаров, A.M. Криогенные системы [Текст]: в 2 т. Т. 1. Основы теории и расчета. Изд. 3-е. / А.М. Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин.— М.: Машиностроение, 1996. — 576 с.

7. Крайко, А.Н. Математическое моделирование течения в волновом роторе и сравнение с экспериментальными данными [Текст] / А.Н. Крайко, Н.И. Тил-ляева // Аэромеханика и газовая динамика. — 2002. — № 1. — С. 36—49.

8. Патент РФ № 2005249. Российская Федерация ПМК7 F16K031/12. Пусковой клапан для импульсных течений [Текст] / Исаков С.Н., Исаков И.Н.; заявитель и патентообладатель ТОО «Иста». — № 05035993; опубл. 30.12.1993, Бюл. № 47—48—3с.