Гідростатичні струминні гідродинамічні випромінювачі для звукових технологій (стр. 1 )

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

‹‹КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ››

Вітков Віталій Володимирович

УДК 534.232

ГІДРОСТАТИЧНІ СТРУМИННІ ГІДРОДИНАМІЧНІ ВИПРОМІНЮВАЧІ ДЛЯ ЗВУКОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

05.09.08 – Прикладна акустика та звукотехніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2015

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі вищої математики і моделювання систем в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Дудзінський Юрій Михайлович,

Одеський національний політехнічний університет,

завідувач кафедри загальної та медичної фізики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сокол Галина Іванівна,

Дніпропетровський національний університет

імені Олеся Гончара,

професор кафедри технічної механіки

доктор технічних наук, професор

Коржик Олексій Володимирович,

Національний тех­нічний універси­тет України “Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри акустики та акустоелектроніки

Захист відбудеться “02” червня 2015 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19 в Національному тех­нічному універси­теті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056 Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 412.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного тех­нічного універси­тету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056 Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 27 ” квітня 2015 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для звукових і ультразвукових технологій і морських досліджень необхідні потужні джерела звуку, здатні працювати на глибині (в умовах надлишкового статичного тиску), у рідинах різної в’язкості й щільності, а також в двофазних середовищах: емульсійних і дисперсійних. В цих галузях науки і техніки поряд з електроакустичними перетворювачами магнітострикційного або п’єзоелектричного типу знайшли широке застосування гідродинамічні випромінювачі.

Досить перспективними джерелами акустичних хвиль високої інтенсивності є струминні гідродинамічні випромінювачі (ГДВ), для яких характерні економічність, простота в експлуатації та дешевизна готового продукту. Дослідженню даного типу ГДВ було покладено професором євим, професором . Суттєвий вклад в подальший розвиток цього напрямку внесено доцентом , професором інським. Перспективну фізичну модель звукоутворення в даних випромінювачах запропоновано професором І. В. Вовком та академіком В. Т. Грінченко. Основним елементом цих систем є занурена осесиметрична струминна оболонка циліндричної або усіченої конічної форми, яка не симетрично натікає на фланець (клин) з кутом , щодо напрямку руху струменя. При цьому частина кінетичної енергії зануреного кільцевого струменя завдяки його поперечним коливанням перетворюється в енергію акустичних хвиль, а робоча рідина одночасно є джерелом коливань і об'єктом озвучування. В роботі досліджувались струминні ГДВ протиточного типу.

Наведені в дисертації результати в сукупності дозволяють розв’язати певні науково-практичні проблеми:

·  розробити деталі фізичного механізму виникнення автоколивань у струминних оболонок даних випромінювачів при наявності надлишкового статичного тиску в рідині;

·  отримати адекватні математичні моделі, що дозволяють розраховувати частоту основного тону (нижчу) генерованого акустичного сигналу, амплітудно-частотні характеристики струминних ГДВ в умовах високого гідростатичного тиску в рідині;

·  встановити кількісні зв’язки:

а) між геометрією зануреної струминної оболонки, її швидкістю, гідростатичним тиском, властивостями рідини й частотою основного тону генерованого акустичного сигналу;

б) між геометрією струминної оболонки й гідростатичним тиском в рідині й амплітудно-частотними характеристиками струминних ГДВ;

в) між геометрією зануреної струминної оболонки, її швидкістю, гідростатичним тиском в рідині та енергетикою й акустично-гідродинамічною ефективністю струминних ГДВ.

Отже, актуальність та практична значимість даної дисертаційної роботи полягає в розробці математичної моделі струминних гідродинамічних випромінювачів протиточного типу в умовах високого гідростатичного тиску в рідині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені результати досліджень відображено у відповідних звітах по держбюджетній науково-дослідній роботі Одеського національного політехнічного університету "Оптимізація параметрів струминних гідродинамічних випромінювачів з метою інтенсифікації технологічних процесів в акустичних полях, створених цими пристроями" (державний реєстраційний номер 0110U007046).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження акустичних властивостей струминних гідродинамічних випромінювачів в умовах розвинутої кавітації й оптимізація їхніх параметрів для інтенсифікації фізико-механічних процесів у рідинній фазі. Досягнення вказаної мети вимагає:

1.  Розробити модель струминного гідродинамічного випромінювача у вигляді зануреної циліндричної струминної оболонки кругового перетину. Розв’язати задачу змушених коливань. Отримати формулу частоти основної (нижчої) гармоніки генерованого звуку й амплітудно-частотної характеристики струминного ГДВ, у яких враховуються пружні властивості струменя, його геометрія й гідродинамічні параметри рідини, зокрема, гідростатичний тиск.

2.  Отримати аналітичні формули залежності амплітудно-частотних характеристик струминних ГДВ протиточного типу в умовах гідростатичного тиску в робочій ємності.

3.  Розв’язати задачу нелінійного загасання коротких експонентних імпульсів, генерованих струминним ГДВ, при наявності високого статичного тиску в робочій ємності, що дозволить теоретично оцінити зону найбільшої ерозійної активності струминних гідродинамічних випромінювачів протиточного типу.

4.  Провести експериментальні дослідження ерозійної активності ближнього поля струминних ГДВ при надлишковому статичному тиску у двох середовищах: водопровідній воді й нейтральному до металів мінеральному маслі.

5.  Удосконалити спосіб визначення міцності рідини на розрив за наявності гідростатичного тиску в робочій ємності.

Об'єкт дослідження – процес впливу гідростатичного тиску в рідині на акустичні властивості струминних гідродинамічних випромінювачів.

Предмет дослідження – струминні гідродинамічні випромінювачі протиточного типу.

Методи дослідження механізму звукоутворення засновані

·  на фізичному й математичному моделюванні процесів коливань зануреної струминної оболонки, рішенні крайових задач з використанням рівняння Гельмгольца та системи рівнянь коливання струминної оболонки, заснованих на гіпотезах Кірхгофа – Лява;

·  на коректній постановці експериментів, використанні повіреної вимірювальної апаратури та постійному контролі результатів вимірювань;

·  на візуалізації досліджуваних процесів за допомогою фото й швидкісної відео зйомки;

·  на використанні основних традиційних методів акустичних вимірювань.

Достовірність отриманих результатів забезпечується:

·  систематичним контролем експериментальних результатів;

·  використанням строгих методів розв’язку диференційних рівнянь Гельмгольца та хвильових;

·  залученням методології гіпотез Кірхгофа – Лява для побудови оболонки;

·  задовільним співпаданням експериментальних і теоретичних результатів;

·  співпавданням отриманих результатів з даними, отриманими раніше іншими авторами.

Наукова новизна одержаних результатів. Автором було отримано наступні результати.

1. Вперше розроблена модель струминного гідродинамічного випро­­­мі­нювача у вигляді зануреної циліндричної струминної оболонки кругового перетину, для якої розв’язано задачу змушених коливань.

2. Вперше отримано аналітичні формули для визначення амплітудно-частотних характеристик (за акустичним тиском) струминних ГДВ протиточного типу в умовах гідростатичного тиску в робочій ємності.

3. Вперше розв’язано задачу нелінійного загасання коротких експонентних імпульсів, генерованих струминним ГДВ, при наявності високого статичного тиску в робочій ємності.

4. Визначено напрямки подальшого розвитку експериментальних досліджень ерозійної активності ближнього поля струминних ГДВ при надлишковому статичному тиску у двох середовищах: водопровідній воді й нейтральному до металів мінеральному маслі.

5. Удосконалено спосіб визначення міцності рідини на розрив шляхом виміру частоти нижчої гармоніки генерованого звуку й гідростатичного тиску в робочій ємності.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи:

·  спроектоване та виготовлене експериментальне устаткування було застосовано для проведення акустичних вимірювань та технологічних досліджень з використанням струминних ГДВ, які проводилися в Одеському національному політехнічному університеті за планами держбюджетної НДР "Оптимізація параметрів струминних гідродинамічних випромінювачів з метою інтенсифікації технологічних процесів в акустичних полях, створених цими пристроями" (державний реєстраційний номер 0110U007046);

·  дозволили забезпечити виготовлення експериментальних зразків технологічного обладнання для очищення деталей від притиральних паст з використанням струминних гідродинамічних випромінювачів (Новокаховський електромашинобудівний завод, впровадження підтверджено відповідним актом);