Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
5.3 Параметры потока, возбувденного затопленной гидравлической струей, истекающей из эллиптического и v - образного насадка
В выпускаемых отечественных гидроускорителях (ГОСТ 13546-68) [43] вода, засасываемая через водозаборные решетки, выбрасывается гребным винтом через прямоточный конически сходящийся или цилиндрический струеобразующий насадок. Увеличение размеров скоростного поля по длине и ширине достигается за счет увеличения расхода выходящего из насадка, на что затрачивается дополнительное количество электроэнергии.
Так, при увеличении мощности электродвигателя гидроускорителей с 2,2 кВт до 10 кВт, т.е. в 4,54 раза, длина потока увеличивается в 3 раза. Рост длины возбужденного потока достигается увеличением пропускаемого расхода через насадок гидроускорителя.
Энергия затопленной гидравлической струи, истекающей из цилиндрического насадка, расходуется на вовлечение в движение массы воды по ширине и глубине потока. Для продвижения лесоматериалов по акватории рейда необходим достаточно широкий поток с поверхностными скоростями течения, обеспечивающими продвижение лесоматериалов, при этом желательно равномерное распределение ско ростей по ширине. Такой поток может быть обеспечен изменением формы струеобразующего насадка гидроускорителя.
В лаборатории водного транспорта леса Сибирского технологического института (СибГТУ) выполнялись исследования возбужденных потоков, образованных затопленной гидравлической струей, истекающей из различных по форме струеобразующих насадок-цилиндрического, V - образного, эллиптического (рисунок 5.3).
Рисунок 5.3 Типы насадок: а) цилиндрический, б) эллиптический, в) V - образный
При сравнении цилиндрического и эллиптического насадка принималась равная площадь выходного сечения с отношением осей насадки а/в = 7,5 , т.е. практически истечение из такого насадка можно рассматривать как истечение из плоской щели. По данным исследований получены профили поперечных скоростей и плановое распределение скоростей возбужденного потока с граничными нулевыми скоростями [42].
Построенные по данным исследованиям совмещенные графики скоростей показывают, что при одном и том же расходе и площади выходного сечения скоростное поле в границах с нулевыми скоростями, образованное эллиптическим насадком, больше по ширине в среднем на 40 %, в то время как длина потока короче всего лишь на 8 ... 10 % [42] (рисунок 5.4).
Рисунок 5.4 Плановая эпюра и поперечный профиль скоростей: 
цилиндрический насадок, 
эллиптический насадок
Скорости течения в сечениях потока, истекающего из эллиптического насадка, больше эталонного (цилиндрического). Это можно объяснить тем, что кинетическая энергия потока, истекающего из эллиптического насадка, расходуется на формирование поля скоростей в верхних слоях потока. При этом поток испытывает меньшую турбулизацию между истекающим из насадка потоком и окружающей водной средой. Этим можно объяснить и большие плановые размеры поля скоростей, образованного при истечении из эллиптического насадка. Профиль поперечных скоростей такого потока более равномерен и полон. Такой насадок обеспечивает равномерное распределение скоростей по ширине потока и может быть рекомендован для продвижения бревен или щети бревен.
V - образный насадок состоит из прямоточной трубы и двух струеобразующих патрубков, направленных под углом 
друг к другу. Вода под напором подается в прямоточную трубу, где поток разделяется на две части и выбрасывается через струеобразующие патрубки в окружающую водную среду. В опытах исследовались насадки с углом = 10 - 30°; заглубление осевой линии насадка равно 1,0 d; изучалось истечение в покоящуюся водную среду.
При истечении жидкости из V - образного насадка жидкость рас текается двумя потоками, направленными под углом к осевой линии цилиндрического патрубка насадка. Если угол 
между осевыми линиями ОО' и ОО мал (рисунок 5.5), то наблюдается смещение потоков, направленных под углом друг к другу. При больших углах патрубки V - образного насадка работают, не влияя друг на друга, т.е. в возбужденном потоке закономерность изменения осевых скоростей подчиняется известным, приведенным в таблице 5.1.
Рисунок 5.5 План скоростей при истечении из V - образного насадка
При углах 
между двумя потоками, истекающими из патрубков, образуется возбужденный поток, скорость течения которого по осевой линии 00 близка к нулю. Практически для целей лесосплава более интересным представляется поток со скоростями течения больше нуля. Такое поле скоростей возможно в случае частичного наложения друг на друга движущихся потоков. В этом случае между двумя смешанными потоками возникает турбулентный пограничный слой, скорость потока в котором не может быть определена простым наложением потоков.
При истечении жидкости из прямоточного насадка увеличение размеров скоростного поля и величины осевых скоростей течения достигается путем увеличения расхода и скорости истечения, т.е. повышением мощности электродвигателя и размеров гидроускорителей. При истечении из V - образного насадка размеры скоростного поля увеличиваются за счет перераспределения энергии, истекающей из насадка струи.
Более наглядным представляется профиль скоростей в сечениях потока, построенный в безразмерных координатах (рисунок 5.6). Вместо абсолютной скорости Ui в сечении отложим ее отношение к скорости по оси потока, истекающего из патрубка Ux, и вместо расстояния от оси потока yi– его отношение к расстоянию до точки, в которой скорость потока достигает максимального значения yх. Безразмерный профиль скорости показывает, что скоростные профили во всех сечениях подобны, поэтому рассуждения и закономерности, присущие для одного сечения, могут быть распространены на все сечения основного участка возбужденного потока.
Рисунок 5.6 Безразмерный профиль скоростей в сечении, удаленном на расстоянии 0,2 м – (Δ), 0,4 м – (o), 0,6 м – (x),
Граничные линии, отделяющие основную массу возбужденного потока, могут быть определены в первом приближении по уравнению
(5.22)
где у – отклонение граничной линии от оси основного потока 00;
S – расстояние от среза насадка до рассматриваемого сечения.
В этой формуле y’ = сх, где С – опытный коэффициент, для симметричной струи С = 0,22; х – расстояние от среза патрубка до рассматриваемого сечения потока.
По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Эллиптические и V – образные насадки образуют возбужденный поток, в пределах которого происходит массообмен в более широких плановых очертаниях по сравнению с полем при истечении из цилиндрического насадка.
2. При истечении жидкости из V – образного насадка в покоящуюся жидкость создается поток, размеры которого зависят от угла α, т.е. размеры поля в плане можно регулировать изменением угла α.
Это дает возможность создать конструкцию гидроускорителя с регулируемым насадком.
3. Равномерность распределения скорости по ширине потока может регулироваться величиной угла α.