Установка для исследования динамики разрушения сферического макрообъема жидкости при свободном падении в воздухе
APPARATUS FOR INVESTIGATING THE DYNAMICS OF DESTRUCTION OF A SPHERICAL LIQUID MACRO-VOLUME DURING FREE FALL IN AIR

Изобретение относится к лабораторным установкам для исследования физических процессов, в частности для исследования деформации и разрушения сферического макрообъема жидкости в процессе свободного падения в воздушной среде.
Процессы разрушения достаточно больших массивов жидкости с образованием облака жидко-капельного аэрозоля при свободном падении в воздушной среде реализуются при сбросе гарантийного запаса жидкого ракетного топлива отделяющихся ступеней ракет-носителей [1], при аварийном сбросе авиационного топлива [2], а также при сбросе воды из шлюзовых систем самолетов и вертолетов для тушения крупных пожаров [3]. Для оценки экологических последствий при сбросе ракетного и авиационного топлива, а также для повышения эффективности технологии авиационного пожаротушения необходимы данные по эволюции макрообъема жидкости при свободном падении в воздухе, в частности по высоте образования облака полидисперсных капель [1-3].
К настоящему времени не разработано общей теории эволюции и диспергирования макрообъема жидкости на мелкие фракции и капли. Поэтому получение достоверных экспериментальных количественных данных по разрушению массивов жидкости необходимо как для использования в конкретных задачах, так и для оценки адекватности разрабатываемых математических моделей процесса. При этом макрообъем жидкости в математических моделях рассматривается, как правило, в виде сферы.
Известен способ получения строго сферических капель с помощью капилляра [4]. При этом максимальный диаметр сферической капли, определяемый из условия баланса сил тяжести и поверхностного натяжения с учетом числа Бонда, не превышает D=4 мм.
Известно устройство для получения сферических капель тяжелой жидкости (ртути) [5]. Устройство представляет собой капилляр со спиральным участком и выходной раструб, закрытый сеткой с размером ячеек ~ 1 мм. С помощью данного устройства получены капли ртути диаметром до D=10 мм.
Известен способ получения «ядра» жидкости с формой, близкой к сферической, объемом до 0.5 л [6]. Способ основан на прокалывании заполненной жидкостью резиновой оболочки, закрепленной на конце цилиндрической трубки. После заполнения оболочки жидкостью через трубку оболочка прокалывается стальной иглой в нижней ее точке.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для исследования трансформации массива жидкости при свободном падении в воздухе [7]. Для создания массива с формой, близкой с сферической, использовали резиновую оболочку. Оболочка предварительно наполнялась жидкостью, герметизировалась и закреплялась на керамическом стержне. Прокалывание оболочки осуществляется в верхней ее части стальной иглой диаметром 0.2 мм. Процесс трансформации массива жидкости исследовался двумя высокоскоростными видеокамерами.
К недостаткам данного устройства относятся:
1. Вытягивание в продольном направлении закрепленной на стержне оболочки под действием веса находящейся в ней жидкости. После прокалывания стенки оболочки начальная форма образующегося «ядра» жидкости существенно отличается от сферической.
2. В ряде экспериментов (до 40%) начальная форма «ядра» жидкости носила нерегулярный характер [7]. Это может быть связано с возмущениями макрообъема жидкости, вызванными реактивной силой вытекающей из места прокалывания струи жидкости.
3. Устройство предназначено для исследования трансформации массива жидкости при нулевой начальной скорости «ядра» жидкости. При моделировании в лабораторных условиях процесса сброса жидкости из шлюзовых систем самолета или вертолета необходимо обеспечить отличную от нуля начальную скорость «ядра» жидкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка лабораторной установки, обеспечивающей исследование эволюции при свободном падении в воздушной среде макрообъема жидкости с начальной формой, близкой к сферической, и с заданной начальной скоростью движения.
Технический результат достигается тем что разработана установка для исследования динамики разрушения сферического макрообъема жидкости при свободном падении в воздухе, включающая тонкостенную эластичную оболочку, наполненную жидкостью, устройство для прокалывания стенки оболочки и систему визуализации процесса разрушения. Устройство для прокалывания стенки оболочки выполнено в виде кольца, по окружности которого равномерно установлено не менее двух заостренных игл, направленных радиально в сторону оси симметрии кольца. Заостренные концы игл расположены на окружности в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца. Для подачи к кольцу в режиме свободного падения предварительно наполненной жидкостью загерметизированной сферической оболочки в верхней части кольца коаксиально с ним установлена цилиндрическая направляющая втулка, внутренняя стенка которой покрыта антифрикционной смазкой. Высота направляющей втулки, ее внутренний диаметр и диаметр окружности, на которой расположены заостренные концы игл, определяются соотношениями
а начальная скорость движения макрообъема жидкости рассчитывается по формуле
где Н - высота направляющей втулки, м;
3
- плотность жидкости, кг/м;
g
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
D - диаметр наполненной жидкостью оболочки, м;
в
D - внутренний диаметр втулки, м;
о
D - диаметр окружности, на которой расположены заостренные концы игл, м;
о
u - начальная скорость движения макрообъема жидкости, м/с;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
h - расстояние от плоскости, на которой расположены заостренные кольца игл, до места сброса заполненной жидкостью оболочки в направляющей втулке (высота сброса), м (h≤Н).
Полученный положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.
1. Выполнение устройства для прокалывания стенки оболочки, наполненной жидкостью, в виде кольца с равномерно расположенными по его окружности заостренными иглами, направленными радиально в сторону оси симметрии кольца, обеспечивает симметричное прокалывание стенок оболочки. Это исключает возможность неконтролируемого нерегулярного движения образовавшегося водяного ядра за счет дисбаланса сил, действующих со стороны фрагментов оболочки на макрообъем жидкости, или реактивной силы, создаваемой струей жидкости при прокалывании одиночного отверстия.
2. Расположение заостренных концов игл на окружности в плоскости, перпендикулярной оси симметрии кольца, обеспечивает одновременное прокалывание стенок оболочки при прохождении ее через кольцо.
3. Подача в сторону кольца предварительно наполненной жидкостью загерметизированной эластичной оболочки через направляющую цилиндрическую втулку в режиме свободного падения обеспечивает сферическую форму оболочки перед ее прокалыванием заостренными иглами, установленными в кольце. В режиме свободного падения на массу жидкости в оболочке действует только сила упругости со стороны стенок эластичной оболочки, что обеспечивает сферичность ее формы.
4. Покрытие внутренней стенки направляющей втулки антифрикционной смазкой предотвращает торможение наполненной жидкостью оболочки при взаимодействии с внутренней стенкой втулки. Это обеспечивает режим свободного падения оболочки в направляющей втулке.
g
c
5. Соотношение (1) для высоты цилиндрической направляющей втулки определяется из условия обеспечения режима свободного падения наполненной жидкостью эластичной оболочки жидкостного «ядра» внутри втулки. При падении жидкостного «ядра» на него действует сила тяжести F и сила аэродинамического сопротивления F [8]:
3
где  - плотность жидкости, кг/м;
D - диаметр жидкостного «ядра», м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
х
С - коэффициент сопротивления;
g
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
u - скорость падения жидкостного «ядра», м/с.
Из (4), (5) следует формула для соотношения сил сопротивления и тяжести:
Для исключения влияния сил сопротивления на режим свободного падения (и на возможность деформации жидкостного «ядра») должно выполняться неравенство
c
g
F<<F.
Примем соотношение этих сил
c
g
F<0.01F.
При этом из (6) следует неравенство:
Из (7) следует соотношение для скорости падения «ядра»:
В режиме свободного падения скорость «ядра» жидкости равна [9]
где Н - высота направляющего цилиндра.
Из (8), (9) следует соотношение для высоты цилиндра
x
g
5
-5
При движении сферического тела в автомодельном режиме C=const=0.44 [8]. Этот режим реализуется при числах Рейнольдса в диапазоне Re=ρuD/μ=(700÷3⋅10) Па⋅с. Здесь μ=1.81⋅10 Па⋅с - коэффициент динамической вязкости воздуха.
х
Подставляя в (10) С=0.44, g=9.80665 м/с, получим соотношение (1)
в
o
6. Соотношения (2) для определения внутреннего диаметра направляющей втулки D и диаметра окружности D, на которой расположены заостренные концы игл, получены по результатам экспериментальной отработки установки. Эти соотношения позволяют обеспечить начальную форму макрообъема жидкости, наиболее близкую к сферической.
о
7. Соотношение (3) определяет зависимость скорости «ядра» жидкости при его свободном падении от высоты сброса h [9]. Эта скорость соответствует начальной скорости u сферического макрообъема жидкости, образующегося после разрыва эластичной оболочки.
Пример реализации
Схема лабораторной установки для реализации заявляемого изобретения приведена на Фиг. 1. Установка состоит из устройства 1 для прокалывания стенки заполненной жидкостью эластичной оболочки 2, установленного на жестко закрепленной вертикальной штанге 3 и системы визуализации процесса разрушения сферического макрообъема жидкости 4 с помощью двухракурсной съемки видеокамерами 5 типа Citius С100 с темпом съемки (50÷100) кадров в секунду.
Устройство для прокалывания стенки оболочки (Фиг. 2) состоит из кольца 6, по окружности которого равномерно расположены три заостренные стальные иглы 7 диаметром 0.45 м, и цилиндрической направляющей втулки 8, расположенной в верхней части кольца 6. Внутренняя стенка цилиндрической втулки 8 покрыта тонким слоем 9 антифрикционной смазки. Внешний вид кольца с установленными в нем иглами приведен на Фиг. 3.
Работа установки осуществляется следующим образом. Полуоткрытую эластичную оболочку предварительно заполняют исследуемой жидкостью до заданного объема и герметизируют путем перетягивания и закрепления прочной ниткой открытого конца оболочки. Полученное таким образом «ядро» жидкости 2 опускают в направляющую втулку 8 и фиксируют на заданной высоте h (Фиг. 2), например, с помощью нити. После удаления фиксатора «ядро» жидкости 2 движется в режиме свободного падения внутри направляющей втулки 8 и поступает в кольцо 6. При прохождении «ядра» жидкости через кольцо 6 происходит одновременное прокалывание стенки оболочки заостренными иглами 7 в трех точках. Динамику образовавшегося сферического макрообъема жидкости 4 (Фиг. 1) регистрируют путем визуализации видеокамерами 5, установленными с возможностью их синхронного вертикального перемещения для съемки разных стадий процесса эволюции макрообъема жидкости.
g
3
В качестве примера реализации заявленной установки была проведена серия экспериментов по исследованию влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на динамику разрушения макрообъема жидкости (дистиллированная вода с добавками ПАВ). Для получения исходного «ядра» жидкости диаметром 0.05 м (объем 65.5 мл) использовалась латексная оболочка (медицинский напальчник). Высота направляющей втулки определена по соотношению (1) для значений  (дистиллированная вода), ρ=1.205 кг/м (воздух), D=0.05 м:
в
о
Внутренний диаметр направляющей втулки D и диаметр окружности D, на которой расположены заостренные концы игл, определены по соотношению (2):
в
D=D+0.002=0.05+0.002=0.052 м;
o
D=D-0.001=0.05-0.001=0.049 м.
Начальную скорость сферического макрообъема жидкости рассчитывали по соотношению (3):
о
При изменении высоты сброса в диапазоне h=(0÷0.62) м начальная скорость макрообъема жидкости варьировалась в диапазоне u=(0÷3.49) м/с.
о
На Фиг. 4 приведена фотография исходного макрообъема жидкости, образовавшегося при прокалывании стенок «ядра» жидкости для значения u=3 м/с. Из Фиг. 4 следует, что начальная форма макрообъема жидкости близка к сферической. Видеокадры деформации макрообъема жидкости в процессе свободного падения в воздушной среде для разных значений пройденного расстояния x приведены на Фиг. 5.
Таким образом, из приведенного примера следует, что предлагаемая лабораторная установка обеспечивает положительный эффект изобретения, заключающийся в возможности экспериментального исследования процесса разрушения при свободном падении в воздушной среде сферического макрообъема жидкости с заданной начальной скоростью движения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архипов В.А., Жарова И.К., Козлов Е.А., Ткаченко А.С. Прогнозирование экологических последствий распространения облака токсичных аэрозолей в районах падения отработанных ступеней ракет-носителей // Оптика атмосферы и океана. - 2015. - Т. 28, №1. - С. 89-93.
2. Архипов В.А., Жарова И.К., Козлов Е.А., Ткаченко А.С. Перенос и трансформация примесей при аварийном сбросе керосина с борта самолета // Материалы X Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPMJ'2014), 25-31 мая 2014 г., Алушта. - М.: Изд-во МАИ. 2014. - С. 528-530.
3. Асовский В.П. Особенности тушения лесных пожаров вертолетами с использованием подвесных водосливных устройств // Научный Вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2009. - №138. - С. 142-149.
4. Патент РФ №2638376, МПК B01L 99/00. Стенд для исследования деформации капель аэродинамическими силами / В.А. Архипов, Г.Р. Шрагер, А.С. Усанина, С.А. Басалаев, С.Н. Поленчк, К.Г. Перфильева. - Опубл. 13.12.2017. Бюл. №35.
5. АС СССР №1428462, МКИ B01L. Устройство для получения капель / В.Ф. Трофимов, Н.А. Линина, К.Ж. Пузырь, А.А. Пупасов. - Опубл. 1988. Бюл. №17.
6. Мешков Е.Е., Орешков В.О., Янбаев Г.М. Образование облака капель при разрушении водяного ядра в процессе свободного падения // Письма в Журнал технической физики. - 2011. Т. 37, №15. - С.79-86.
7. Накоряков В.Е., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. О предельных поперечных размерах капельного облака при разрушении водяного массива в процессе падения с большой высоты // Доклады Академии наук. - 2017. Т. 475, №2. - С. 145-149.