Дослідження струменя водоповітряного ежектора

Яценко А.Ф., доц., к.т.н, Устименко Т.А., доц., к.т.н.

Донецький національний технічний університет

Отримана формула, що дозволяє розрахувати кут розширення початкової ділянки струменя, необхідну для визначення оптимальних параметрів водоповітряного ежектора.

Проблема та її зв'язок з науковими та практичними завданнями.

В даний час значно зростає кількість пристроїв, що використовують струмінь у як робочий орган. Так, гідромонітор різних конструкцій і призначень, що формують безперервну або пульсуючу струмінь, використовуються на розкривних роботах при видобутку корисних копалин, при виконанні будівельних робіт (намивка дамб), в металургії і в машинобудуванні для обробки деталей після лиття різного роду грат і т.д.

Дослідженню незатопленной струменя (основного її ділянки) присвячені численні роботи [1,2,4]. Основними параметрами, які визначалися теоретично і експериментально є сила тиску на перепони, кут розширення, визначає компактність, оптимальна довжина, необхідна для руйнування масиву. Вхідними факторами були діаметр насадка, форма і чистота його обробки, тиск перед ним.

Однак з розвитком струминних апаратів (водоповітряного ежекторів, Гідроелеватори і т.д.) особливий інтерес представляє струмінь довжиною 5-6 діаметрів сопла, тобто її початкова ділянка. Це пояснюється тим, що струмінь має відповідним чином вписуватися в основний елемент струминного апарату - камеру змішування. У зв'язку з цим ставиться завдання на основі аналізу робіт з дослідження струменя гідромонітора виділити основні фактори, що впливають на формування вказаної ділянки струменя для забезпечення оптимальної роботи струминного апарата.

При постановці завдання дослідження струменя водоповітряного ежектора нами визначені три частини струменя: початкова, основна і кінцева.

В початковій частині вздовж осі швидкість струменя дорівнює u0 - швидкості виходу з насадка. На основному ділянці швидкість струменя уздовж осі зменшується, струмінь інтенсивно насичується повітрям, але ще залишається компактною, володіючи значною енергією. Кінцевий ділянка - це інтенсивний розпад струменя на окремі складові і перетворення її в крапельно-повітряний потік.

Рис.1. Основні ділянки струменя

Початковий ділянка має невелику протяжність (до 10 діаметрів сопла) і практичного інтересу не представляє. Кінцева ділянка також не представляє інтересу і може бути використаний у зрошувальних системах. Найбільше практичне значення має основна ділянка. Його довжина залежить від діаметра сопла і тиску перед ним.

Аналіз досліджень і публікацій

В даний час є велика кількість дослідження гідромоніторних (незатопленних) струменів [1,2,4].

При цьому різні дослідники одержували значення одних і тих же параметрів струменя значно відрізняються один від одного. Так, тангенс кута розширення струменя коливався від 0,008 до 0,052. Це не давало змоги навіть приблизно визначити параметри водоповітряного ежектора.

Рис.2. Водоповітряного ежектор

Відстань насадка l від камери змішування і її діаметр визначається кутом розширення початкової ділянки струменя. Правильно визначені параметри дозволяють отримати к.к.д. водоповітряного ежектора (до 0,25). Навіть невелике відхилення цих параметрів від оптимальних у кілька разів знижує ККД

Постановка завдання

Як зазначалося, початкова ділянка струменя не досліджено в достатній мірі. У ДонНТУ проведені теоретичні та експериментальні дослідження водяний незатопленной струменя з метою визначення чинників, що впливають на кут розширення початкового ділянки, а також встановлення залежності, що дозволяє визначити цей кут розрахунковим шляхом для конструювання водоповітряного ежекторів з оптимальним значенням ККД

Ежектор буде транспортувати максимальну кількість повітря за умови рівності вхідного перетину струменя (на якійсь ділянці камери змішання) і перетину камери змішування. Тому при розрахунку і конструюванні водоповітряного ежектора необхідно враховувати, що відстань від насадка до камери змішування і довжина камери змішання повинні бути такими, щоб струмінь точно вписувалася в перетин камери змішування. Для забезпечення цієї умови необхідно знати закон зміни поточного діаметру струменя, іншими словами - кут розширення зовнішньої межі струменя.

Як показали візуальні спостереження, кут розширення зовнішньої межі струменя не є постійним і залежить від багатьох чинників і може змінюватися в широких діапазонах.

Слід відзначити, що у вказаних джерелах досліджувалася гідромоніторная струмінь або тільки ефективна її частину. При дослідженні водоповітряного ежектора нас цікавить невелика частина початкової ділянки струменя, тобто довжина, рівна не більше десяти діаметрам насадка l = 10d. Експериментальні дослідження показали, що на кут розширення істотно впливає щільність повітряного середовища, в'язкість рідини, діаметр насадка, швидкість витікання струменя, а також форма насадка і чистота обробки його внутрішньої поверхні.

При русі струменя в повітрі створюється попутне повітряне течію, яка захоплюється струменем, в результаті тертя швидкість струменя зменшується, тому що повітряне середовище чинить опір руху. На поверхні струменя виникають вихори, які служать основним механізмом втягування повітря і забезпечення аерації струменя. В результаті чого поверхня струменя розширюється, поперечний переріз зростає і збільшується рухома секундна маса, тобто масова витрата.

Таким чином, кут розширення залежить від щільності повітряного струменя? пов, в'язкості рідини?, діаметра насадка d, швидкості закінчення струменя v, форми насадка і чистоти його внутрішньої поверхні. Найбільш оптимальна форма насадка - коноідальная. Коефіцієнт витрати досягає 0,98. Але через труднощі виготовлення найбільш часто як насадкою використовують конічні сходяться з коефіцієнтом витрати 0,94-0,95.

Виклад матеріалу і результати

Таким чином, кут розширення зовнішніх кордонів струменя (зміна її поточного діаметра) є функцією наступних параметрів:

V - Швидкість

D - Діаметр