Исследование гидродинамических свойств и методов управления вязким подслоем технических систем

Гидродинамика находит применение во многих отраслях техники и для большинства из них является теоретической базой. Значительна роль этой науки в разрешении некоторых важных гидродинамических задач встречающихся в прикладных дисциплинах, например, «Детали машин и механизмов», «Гидроавтоматам» и др. По данному вопросу, ввиду его большой практической значимости, ведутся интенсивные исследования. К примеру, в авиационной технике существуют сведения о пропорциональной зависимости формпараметра от увеличения давления (напора) жидкости, характеризующего увеличение толщины пограничного слоя вблизи поверхности обтекания. Далее существующее представление о масляном клине смазки в трущихся деталях машин отнюдь не дает исчерпывающего описания всей сложности данного явления. Между тем имеющиеся сведения, отражающие поведение жидкой среды около поверхности твердых, тел в прикладных дисциплинах необходимо дополнить экспериментальными исследованиями, в результате чего можно было бы обобщить и рассмотреть их с единой точки зрения. Такой подход позволило бы раскрыть некоторые существенные стороны механизма взаимодействия молекул жидкости под действием энергии гидродинамического давления вблизи поверхности твердых тел.

В связи с изложенным задачей диссертации является — исследование характера движения жидкости в пористокапиллярных телах, широко применяемых в технологии водоснабжения, природоохранных устройствах, в технике железнодорожного транспорта, в ракетно-космической технике и автоматике.

Проектирование устройств водоснабжения базируется на теоретических представлениях о процессе очистки воды в фильтрах. Кинетика процесса очистки зависит от характера протекания адгезионных и аутогезионных явлений. В последнее время широкое применение получают мембраны в виде полого волокна, представляющие собой полимерные трубки диаметром 50.

200 мкм [16]. Как оказывается, при некоторых режимах течения воды подобные трубки могут быть закупорены. По этой причине, при проектировании, в практике эксплуатации таких установок должно учитываться это особое условие. Кроме того, с 80-х годов на железнодорожном транспорте находят применение релейно-контактные устройства с жидкометаллическими контактами. Однако, наряду с положительными свойствами указанных устройств, в них наблюдается значительное число отказов и в ряде случаев могут возникать опасные для движения поездов состояния [92]. Для использования в этих устройствах капилляров необходимо знать особенности течения жидкости в таких устройствах.

Одной из приоритетных задач развития железнодорожного транспорта является создание практически безремонтных локомотивов нового поколения, имеющих достаточные для этой цели ресурс надежности узлов и деталей. Действительно, стратегия железнодорожного транспорта России предусматривает развитие на первом этапе скоростного движения, на втором — высокоскоростного. Использование локомотивов со скоростью движения 300−350 км/ч приводит к необходимости развития комплекса передовых технологий и в частности технологии пропитки обмоток тяговых электродвигателей с учетом последних достижений в области теории жидкого состояния вещества. Мировой опыт показывает, что если на железных дорогах в полной мере используется последние достижения фундаментальных научных исследований, то это обеспечивает наибольшую отдачу — приводит к эффективному использованию финансовых ресурсов. Фундаментальные научные достижения в области жидкого состояния вещества в приложении к железнодорожному транспорту, в частности, в процессе пропитки якорей тяговых электродвигателей локомотивов способны коренным образом преображать его технологию. Следует отметить, что приведенные в диссертации результаты изучения свойства жидкости можно также отнести к области новых технологий.

Наиболее ненадежным узлом локомотива является тяговый электродвигатель. В частности, анализ статистических данных в работе [4] показывает, что повреждения тяговых электродвигателей происходили в основном из-за дефектов корпусной изоляции обмоток якорей. Из общего числа повреждений электрических машин в России 90% отказов связано с повреждением изоляции [59], В других климатических условиях, например, в Судане 80% повреждений наблюдается из-за пробоя изоляции [78]. На долю тяговых двигателей на французской железной дороге приходится около 10% всех регистрируемых повреждений подвижного состава [79]. Надежность электродвигателей определяется классом изоляции, качеством материалов, применяемых для изоляции обмоток, а также технологией пропитки. Сущность процесса пропитки заключается в удалении влаги из пор капилляров изоляционных материалов и заполнению их пропиточным составом. При этом в зависимости от назначения электродвигателя применяются различные методы пропитки. Для того, чтобы обеспечить высокую надежность изоляции якоря тягового электродвигателя локомотивов применяется многократная пропитка эпоксидным компаундом с использованием громоздких, сложных установок для вакуумирования и давления. Очевидно, что при этом затрачиваются немалые средства и ресурсы для увеличения нормы межремонтного пробега, для исключения случаев выхода из строя якоря тягового электродвигателя из-за потери диэлектрических свойств материалов, применяемых для изоляции пазовых проводников.

Практически отсутствуют детальные исследования по изучению характера движения пропиточной жидкости в изоляционных материалах, а также существующие трудности теоретической трактовки результатов опытов по изучению движения пропиточной жидкости через поры и капилляры не позволяют строго обосновать применение многих методов пропитки. При этом проектирование пропиточных установок производится на основе качественных и даже точнее — приблизительных представлений о механизме некоторых явлений, сопутствующих процессу пропитки. В то же время известно, что при исследовании явления облитерации капилляров относительно чистыми жидкостями [9] наблюдается увеличение пристеночного неподвижного слоя жидкости [29.А8]. Наблюдаемое это увеличение препятствует прохождению жидкости через капилляры, что, в частности, ограничивает попадание необходимого количества пропиточной жидкости в изоляцию обмоток якоря тягового электродвигателя. Вместе с тем из работы [9] следует, что применение избыточного давления не препятствует возникновению явления облитерации капилляров. Применение избыточного давления для пропитки якорей тяговых электродвигателей, а также рекомендуемая технологией выдержка под давлением с точки зрения явления облитерации на наш взгляд недостаточно обоснована ни теоретически, ни экспериментально. Далее следует отметить, что из существующих и применяемых на практике методов только ультразвуковая пропитка, в частности, при использовании ее для пропитки тяговых электродвигателей [11.А10] позволяет многократную пропитку заменить одноразовой пропиткой при сохранении требуемого качества изделия. А применение двухразовой ультразвуковой пропитки дает почти двукратное улучшение качественных показателей [41]. Для изучения механизма возникновения явления облитерации капилляров, определение управляющих параметров режима течения жидкости, а также определения управляющих параметров ультразвуковых колебаний способствующих пропитке в качестве модели была использована вода. Этот выбор обусловлен тем, что Пуазейль изучал течение крови в артериях, однако, свое уравнение получил из экспериментов с водой, то есть как классическую модель ньютоновой жидкости поведение которой достаточно изучено. Кроме того, глубинная взаимосвязь явлений позволяет использовать возможность преодоления междисциплинарных барьеров, осуществлять перенос знаний из одной области в другую, увидеть перспективы широкого обобщения полученных результатов теоретических, экспериментальных работ, находить рациональные комбинации физических параметров, связи между которыми дают результаты, относящие сразу к целому классу явлений.

В качестве примера можно привести реализацию программы создания устойчивых, надежных управляющих и информационных систем. Прототипом такой системы является живая клетка, мозг животного и человека. В указанных прототипах фундаментальным элементом является вода. Следовательно, при создании аналога мозга возникнут, вопросы, ответить на которые можно будет лишь зная о новых свойствах воды. Например, облитерация капилляра водой является следствием явления роста толщины граничного слоя воды, возникающей при течении воды в капиллярах. В совокупности обнаруженное явление увеличения толщины неподвижного пристеночного граничного слоя жидкости в капиллярах, допускаемые законами физики неравновесных процессов [90] и конкретная задача определения управляющих параметров в технических системах, в частности, в устройствах применяемых для пропитки якорей тяговых электродвигателей локомотивов оказываются связанными между собой явлениями.

Вместе с тем одной из важных задач технологии очистки природных, сточных вод с использованием полупроницаемых мембран, графитовых трубок, а также при фильтровании их через слой вспомогательных материалов, через песок [114] является увеличение производительности при возможно малой разности приложенных давлений и увеличение коэффициента проницаемости (в законе фильтрации Дарси) [101]. Совместное рассмотрение процесса фильтрования и пропитки было обусловлено необходимостью раскрытия особенностей и более полного описания физической картины сложного явления — увеличения толщины неподвижного граничного слоя жидкости в капиллярах, порах. Так, например, общность законов гидродинамических процессов в пористых и пористокапиллярных телах [55], лежащих в основе указанных технологий позволили определить взаимосвязь между опытом проведенным с целью очистки закупоренных графитовых трубок и опытом по увеличению проходимости закупоренных жидкостью капилляров с помощью ультразвуковых колебаний. Кроме того, эти технологии объединяет общность гидродинамических задач, которые необходимо решить в перспективе.

Развитие авиационной и ракетно-космической техники характеризуется непрерывным увеличением энергонапряженности двигателей и энергетических установок летательных аппаратов, а также элементов их конструкций. Успешное решение возникающих при этом задач невозможно без применения пористокапиллярных материалов. Широкий диапазон физико-химических свойств пористокапиллярных тел дает возможность использовать их в экстремальных условиях ядерного реактора, плазматрона, МГД-генератора, криогенного электрооборудования и т. д. (рис. 1- 2 [95]). Кроме того с помощью пористокапиллярных элементов можно реализовать процессы фильтрования, дросселирования в устройствах вычислительной техники, гидропневмоавтоматики, в установках капельного полива. 1 2 / / 3.

Швввв вввввввв вввввввввв? V" -" .

ВВВВВВВВВВВ В|Ц наш вг—- uii ¦¦¦¦¦¦ ¦ ж-.-.-„

-.-.-.-.-.-А В В В В В В В цг" ~>чв вввввв «к—.-. Г—-» ———7 в в в в в в, а в/ вввввввв в,-.-.

Г—————." аввваввг в вввввв яг.-. f-~-" -~-" «Jl В В В В В В В ¦)вввввввв|-.-.

ВВВВВВВ1 /вввввввв (;

V.-.-.-.-.-.VIIIIIIII. / Jbbbbbbbbi. .

Кч vb в, а в в в в ¦ щг.—у~-~-" -~-" гв ¦¦¦¦¦in в-^-ш-в в >¦¦¦¦>¦¦ г-~-~-Vвввввв" ввввввввввввв щ,.-.-. ввввввввввввввввв ваг.-.-.-.

ВВВВВВВВВВВВВВВВВ KV.V.

Вввввввввввввв IHV.V.". вввввввававв щКг.-.-.-.-.-.

В в В В В В В В.

Рис. 1 Пористый трубчатый твэл ядерного реактора: 1-сетчатая оболочка- 2-пористый топливный материал- 3-проницаемая конструкционная оболочка- 1-теплоноситель.

1 2.

Рис. 2. Фрагмент сечения пористой лопатки ракетной турбины: 1 -волокнистый металл- 2-керамическая герметичная оболочка- 1-теплоноситель В указанных технических системах при решении задач определения условий стабильности параметров истечения рабочей жидкости в пористока-пиллярных матрицах различной структуры необходимо иметь информацию о механизме движения и о характере поведения жидкой среды вблизи поверхности твердых тел.

Целью диссертационной работы является определение параметров потока и определение методов воздействия на поток, при которых устраняются облитерационные явления в капиллярах. Автор выносит на защиту:

1. Сталагмометрическую методику определения толщины пристенного слоя жидкости;

2. Экспериментальные результаты исследования движения жидкости в капиллярах модернизированным прибором Дарси и воздействие ультразвука на процесс облитерации капилляров;

3. Новое аналитическое описание (модель) явления облитерации на основе модификации уравнения Гагсна-Пуазейля, .;

4. Технологию пропитки с применением ультразвука.

Диссертация содержит 4 главы. В первой главе приведены некоторые определения и формулы из гидромеханики, необходимые для исследования движения жидкости в пористокапиллярных телах. Для простоты анализа в качестве модели выбрана вода. В связи с чем, дан краткий обзор существующих моделей структуры воды. Детально рассматривается явление закупорки жидкостью капиллярных отверстий в гидроавтоматике и явление прилипания жидких частиц к поверхности тел в гидромеханике. На основе проведенного анализа поставлены задачи диссертационного исследования.

Во второй главе предложена методика определения микромасштабного процесса когезионного взаимодействия молекул жидкости вблизи твердых тел. Приведены результаты опытов. При этом эмпирическая формула, описывающая обнаруженное явление прилипания жидких частиц потока к жидкой поверхности неподвижного прилипающего слоя, дана в форме уравнений Навье-Стокса. Определена область неподвижного прилипающего слоя и на основе этого раскрыт физический смысл формпараметра. Также определен особый тип ламинарного течения и раскрыт физический смысл порогового числа Рейнольдса равный 2л.

В третьей главе разработаны основные методы управления неподвижным прилипающим слоем в мембранной технологии, а также в преобразователях информации (капилляры, пористые фильтры), применяемые в мостовых вычислительных и управляющих устройствах. Приведены результаты опытов по управлению неподвижным прилипающим слоем в полупроницаемых фильтрах с помощью ультразвука. Описывается явление скачкообразного увеличения расхода в фильтрах при действии ультразвука. Показаны основные детали физического моделирования процесса пропитки, фильтрации сточных вод.

Дано объяснение причины появления силы, предотвращающей выдавливание смазочного слоя и обеспечивающей жидкое трение между твердыми поверхностями.

В четвертой главе приведены особенности капиллярной технологии тяговых электродвигателей локомотивов. Выявлено преимущество ультразвуковой технологии пропитки по сравнению с другими методами пропитки. Предложен ультразвуковой способ пропитки обмоток якорей тяговых электродвигателей локомотивов [11.А10]. После лабораторных и эксплуатационных испытаний якорей тяговых электродвигателей локомотивов, пропитанных ультразвуковым способом, данный метод пропитки внедрен в производство (см. акт об использовании предложения а.с. № 1 197 013 — приложение 2).

Разработан способ увеличения точности работы элементов автоматики методом стабилизации параметров потока. Разработан способ нанесения информационных знаков.

Для установок капельного полива разработано условие, при которых соблюдается режим стабильной работы капиллярных насадок.

Материалы выполненных исследований опубликованы в 14-ти печатных работах.

Выводы по главе.

1. Рассмотрены особенности пропитки обмоток тяговых электродвигателей. При этом выявлены основные факторы ультразвукового способа пропитки пористокапиллярных тел из-за которых можно получить более качественную пропитку обмоток электродвигателей по сравнению с другими методами. Преимущество ультразвукового способа пропитки обусловлен специфическими воздействиями ультразвука на физические процессы в капиллярах и порах в зоне неподвижного прилипающего слоя жидкости в окрестности твёрдого тела.

2. На опытной установке для ультразвуковой пропитки определён оптимальный режим пропитки обмоток тягового якоря.

3. На основании полученных результатов была изготовлена промышленная ультразвуковая установка для пропитки обмоток тяговых якорей (см. рис. 4.4).

4. Предложенный автором ультразвуковой способ был внедрён на Улан-Удэнском ЛВРЗ в 1986 г. (см. акт внедрения — приложение 2).

5. Разработан способ увеличения точности работы элементов пневмо-ники методом стабилизации параметров потока.

6. Разработан способ нанесения информационных знаков на основе представлений об области неподвижного прилипающего слоя жидкости в окрестности твердой поверхности и явления скачкообразного увеличения расхода жидкости в пористокапиллярных телах при действии ультразвука.

7. Для установок капельного полива разработано условие, при котором соблюдается режим стабильной работы капиллярных насадок.

Заключение

.

1. Разработана сталагмометрическая методика регистрации микромасштабного процесса взаимодействия жидких частиц потока в окрестности твёрдого тела. Сталагмометрическая методика определения поверхностного натяжения жидкости была преобразована на принципе действия опытных установок rio изучению режима течения жидкостей Рейнольдса, исследования фильтрации Дарси. Эта методика позволила зафиксировать процесс изменения расхода жидкости через капилляр с течением времени.

2. Выявлен эффект прилипания жидких частиц потока к жидкой поверхности неподвижного прилипающего слоя в окрестности твёрдого тела при пороговом значении числа Рейнольдса равным 1л. Получено эмпирическое уравнение, описывающее явление закупорки капилляра жидкостью.

3. Определена область неподвижного прилипающего слоя жидкости в окрестности твёрдого тела. Такой подход дал возможность рассмотреть с единой позиции множество разрозненных фактов из гидравлики, гидроавтоматики, мембранной и капиллярной технологии. Особый интерес вызывает раскрытие физического смысла формпараметра в гидромеханике.

4. Определён особый тип ламинарного течения в окрестности твёрдого тела. Поток жидкости при критическом числе Рейнольдса примерно равном 2 Я", переходит от одного типа ламинарного режима в другой режим особого типа, сопровождаемый явлением прилипания жидких частиц к жидкой поверхности неподвижного прилипающего слоя в окрестности твёрдого тела.

Особый тип ламинарного движения жидкости представлен в виде уравнений Навье-Стокса. При этом раскрыт физический смысл порогового числа Рейнольдса, равное 2я. Пространственный параметр 1 / 271, рассматривается как коэффициент Се гидравлической силы отрыва жидких частиц от жидкой поверхности прилипающего слоя в окрестности твёрдого тела. Такое представление дало возможность раскрыть физический смысл фундаментального числа два в уравнении Гагена-Пуазейля. С этой позиции был определён общий вид уравнения Гагена-Пуазейля и Навье-Стокса.

Приведены результаты опытов, которые экспериментально подтверждает правильность формулы Френкеля Я, И. о том, что прочность на сдвиг пропорциональна модулю сдвига. При этом коэффициентом пропорциональг — 1 ности является пространственный параметр С, =-.

5 2п.

5. Выявлены 12 основных методов управления неподвижным прилипающим слоем потока.

6. Разработана методика управления неподвижным прилипающим слоем в мембранной технологии посредством применения ультразвука. При этом выявлен эффект скачкообразного увеличения расхода в фильтрах при действии ультразвука. Также определено управляющее воздействие электрического тока на процессы в области неподвижного прилипающего слоя жидкости вблизи электрода.

7. Дана формула, отражающая свойство неподвижного прилипающего слоя жидкости в окрестности твердых тел изменять сдвиговую прочность на основе формул Френкеля и Амонтона-Кулона.

8. Разработан способ увеличения точности работы мостовых вычислительных и управляющих устройств.

9. Разработан ультразвуковой способ пропитки якоря тяговых электродвигателей локомотивов. Тяговые электродвигатели с якорями, пропитанными одноразовым ультразвуковым способом прошли проверку в условиях эксплуатации. После этого этот способ пропитки был внедрён в 1986 году на Улан-Удэнском. Опыт эксплуатации электротехнических изделий, пропитанных посредством применения ультразвука свидетельствует об эффективности ультразвукового способа пропитки. Результаты исследовательских работ по изучению явлений прилипания жидких частиц к жидкой поверхности неподвижного прилипающего слоя в окрестности твёрдого тела показывает также на бесспорное преимущество совместного применения вакуума, давления и ультразвука при пропитке электротехнических изделий. Применение в железнодорожном транспорте изделий, пропитанных путём совместного использования вакуума, давления и ультразвука предопределяет возможность повышения надежности тяговых и другого типа электродвигателей.