Современное состояние вопроса

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Исследование влияния гидродинамически-активных добавок на характеристики течений со свободными границами»

Студентки 3 курса

Группы «Физика

неравновесных процессов»

Баханова А.В.

Научный руководитель:

Асланов П.В.

Национальная шкала______

Колличество балов_______

Оценка: ESTS______

Члены комиссии

Г.Донецк – 2013 год
СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………3

1. Современное состояние вопроса …………………………………………. .4

1.1. Структура турбулентных течений с добавками………………………..6

1.2.Влияние добавок на кавитацию…………………………………………..11

2.Влияние добавок полимеров и ПАВ на течения со свободными границами………………………………………………………………………13

2.1.Методика экспериментальных исследований………………………….13

3. Заключение…………………………………………………………………..14

Список использованной литературы…………………………………………15

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время разрабатываются различные методы снижения сопротивления трения образцов морского оружия, позволяющие существенно повысить скорость их движения без увеличения мощности энергетической установки.

Наряду с изменением формы объектов ВМФ в последнее время начинают широко использоваться различные способы воздействия на пограничный слой с целью снижения сопротивления трения. В их основе лежит управление пограничным слоем за счет вдува ил отсоса жидкости из пристенной области, использование упругих покрытий, введение в пограничной области, использование упругих покрытий, введение в пограничный слой добавок полимеров или поверхностно – активных веществ, а также создание газовых пленок (каверн) на поверхности движущихся в воде тел /1÷4/.

Одним из наиболее эффективных и перспективных способов снижения сопротивления трения является вдув газа в пристенную область с созданием тонкой воздушной пленки на корпусе движущегося объекта. При этом достигается существенное снижение гидродинамического сопротивления. Однако практическая реализация этого способа связана с рядом трудностей. В первую очередь к ним относятся всплывание и низкая устойчивость каверн, необходимость создания больших запасов воздуха (газа) на борту для поддержания искусственной каверны /2, 3/.

Известно, что снижающие турбулентное трение добавки полимеров оказывают положительное влияние на начало и развитие пузырьковой кавитации при течении в трубах и при внешнем обтекании тел, существенно улучшая эффективность снижения сопротивления трения. Можно предположить, что такое влияние распространяется и на режим пленочной кавитации.

Цель настоящей работы заключается в экспериментально – теоретическом исследовании влияния добавок полимеров и поверхностно – активных веществ на гидродинамику кавитационных течений.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Открытие и последовательное осознание того факта, что введение в турбулентный поток жидкости соответствующим образом подобранных добавок приводит к существенному снижению турбулентного трения, относится к работам Б.Томса /8/ и К.Миселса /9/. Эксперименты эти были выполнены в 1945 – 1946 годах, однако систематическое исследование указанного явления начались лишь в 1954 – 1959 годах. Обусловлено это было обнаружением высокоэффективных водорастворимых добавок и, в связи с этим, появлением возможности практического использования эффекта снижения сопротивления трения. Интенсивное развитие этого вопроса отражается в многочисленных публикациях теоретического и прикладного плана. В частности, этой проблеме посвящено уже свыше 1000 публикаций. Подробное изложение их является предметом ряда обзорных работ /1÷7; 10÷14/.

Хотя в большинстве случаев в качестве снижающих трение полимерных добавок исследователи используют гуаровую смолу, полиоксиэтилен, полиакриламид и натриевую соль карбоксиметицеллюлозы, было обнаружено, что многие другие высокополимеры с соответствующим растворителем обладают способностью снижать турбулентное трение. Некоторые пары полимер – растворитель, дающие снижение сопротивления приведены в работе Хойта /12/, наиболее полно этот вопрос освящен в работах /2, 14/. Из анализа указанной литературы с полной уверенностью можно считать правильными выводы Хойта, что любые макромолекулярные вещества достаточно большого молекулярного веса (50000 и более) главным образом с линейной структурой молекул будут снижать сопротивление в любой жидкости, в которой они растворяются.

Однако широкому применению полимеров препятствует ряд обнаруженных при их изучении недостатков: механическая деструкция макромолекул при длительном пребывании в турбулентном потоке, невысокая эффективность в трубах большого диаметра, низкая скорость растворения.

Существенное воздействие на пристенную турбулентность оказывают и добавки другой природы: мицеллообразующие поверхностно – активные вещества (ПАВ). Своим названием ПАВ обязаны способности снижать поверхностное и межфазное натяжение из-за адсорбции и ориентации молекул у поверхности раздела. Снижение поверхностного натяжения, как правило, обусловлено дифильностью строения молекул ПАВ, обладающих полярной группой и неполярной углеводородным радикалом.

Впервые сообщение о способности ПАВ снижать гидродинамическое сопротивление (было обнаружено аномальное трение напалма при движении в огнеметной установке) приводится в работах /9/. Способ снижения сопротивления с использование малоподобных веществ был запатентован еще в 1949 году, однако изучение особенностей течения жидкостей с добавками этого класса стало производиться гораздо позже.

Сэвинс /15/ первым обнаружил важное свойство растворов ПАВ, обладающих сниженным сопротивлением – устойчивость к механической деструкции. В работе /15/ приведены результаты исследований, когда свойство снижать сопротивление в растворе ПАВ сохранялось после 88 часов перекачивания его насосом. Было также показано, что при больших сдвиговых напряжениях наблюдается исчезновение эффекта снижения сопротивления и его восстановление при уменьшении напряжений.

К первым публикациям по использованию мицеллообразующих поверхностно – активных веществ для уменьшения турбулентного трения жидкостей у нас в стране следует отнести ряд работ, выполненных под руководством И.Л.Повха и А.Б.Ступина. В имеющихся к настоящему времени сравнительно небольшом количестве работ, посвященных изучению особенностей снижения турбулентного сопротивления добавками ПАВ освещен очень узкий круг вопросов, связанных с интегральными характеристиками потоков и практически отсутствуют сведения об особенностях турбулентности в растворах ПАВ.

С целью расширения класса добавок, снижающих турбулентное трение, изучения особенностей их влияния на поток жидкости, ряд авторов использовали различные специфические добавки: асбестовые, древесные, натуральные и синтетические волокна, глинистые частицы, продукты жизнедеятельности морских организмов и водорослей и т.п. /3, 6, 14/. Однако исследования эти немногочисленны и их данные в ряде случаев противоречивы. Перспективы практического использования указанных добавок весьма проблематичны.

Остановимся на некоторых, наиболее общих особенностях воздействия на турбулентность добавок полимеров и поверхностно – активных веществ.