ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Удар и ударные волны из "Физические методы интенсификации процессов химической технологии" Кратковременное механическое воздействие, при котором сила, давление, скорость и другие физические величины приобретают конечные скачкообразные изменения, называют ударом [28]. Часто в различных конкретных задачах используют родственные термины ударное нагружение, соударение, столкновение, толчок и т.д. Наиболее характерной особенностью удара является импульсный (нестационарный) характер подвода энергии. [c.62] Человечество давно оценило и широко использует энергию удара от примитивных молотков и стенобитных орудий до современных многотонных молотов, устройств направленного взрыва, импульсных лазеров [29]. [c.62] Отличительным признаком ударного или импульсного акустического воздействия является пространственно-временная локализация энергии в технологическом объекте. Как правило, импульсная система запасает от источников энергию на некотором интервале времени а отдает ее за короткое время импульса Д д, причем с 3. Характерные длительности импульсов составляют 10 3-10- с, поэтому при сравнительно малой энергии в десятки джоулей мощность в импульсе составляет мегаватты, что и обусловливает высокую эффективность импульсной технологии. [c.63] В зависимости от соотнощения между длительностью реакции или переходного процесса, вызванного акустическим импульсом в системе, можно рассматривать одиночные импульсы или периодическую их последовательность [30]. [c.63] В импульсной технологии используют последовательности импульсов разнообразной формы, например прямоугольные или экспоненциальные, повторяюыщеся с периодом Т (рис. 3.10). [c.63] Импульсные воздействия характеризуют рядом физических величин. Кинематическими характеристиками являются смещение, скорость и ускорение при ударе. В качестве силовых характеристик ударных воздействий используют силу, давление или напряжение, а энергетических - энергию и мощность. [c.63] В зависимости от вида преобразования энергия может сосредоточиваться в различных промежуточных накопителях между источником и нагрузкой. В качестве накопителей энергии используют химические, магнитодинамические, индуктивные, механические и емкостные накопители. Эти накопители обладают различными характеристиками длительностью импульса, током в импульсе, величиной запасенной энергии, указанными на рис. 3.11. Кроме перечисленных важны также и эксплуатационно-экономические характеристики, которые здесь не обсуждаются, сведения о них имеются в литературе [31]. [c.63] Совокупность величин к , к со в координатах a ,w представляет собой амплитудный спектр. [c.64] При переходе к системам с распределенными параметрами импульсное воздействие приводит к возникновению в среде волновых явлений акустических импульсов, ударных волн. Анализ импульсных волновых явлений и ударных волн в воде при давлении на фронте до 102 па может проводиться в линейном приближении, т.е. с использованием аппарата линейных гиперболических уравнений в частных производных. В общем же случае анализ ударных волн относится к классу нелинейных волновых явлений акустики и газодинамики и требует специального рассмотрения. В последнее время для этих целей широко используют представления волн в виде солитонов [34]. [c.65] В ударной волне имеется область сильно сжатого газа или жидкости, которая перемещается в пространстве с большой (для газов со сверхзвуковой) скоростью. Эпюра ударной волны (рис. 3.13) имеет области положительных и отрицательных давлений (зоны сжатия и разрежения). Фронт ударной волны представляет собой поверхность разрыва, на которой скачком изменяются давление, плотность, температура и нормальная составляющая вектора скорости потока жидкости. [c.65] Величины, характеризующие подводную ударную волну с давлением на фронте Рф = 1(Р МПа, рассчитанные по формулам (3.33), таковы V= 1590 м/с, Сф = 1660 м/с. Уф = 67,0 м/с, плотность воды во фронте Рф = 1040 кг/м . [c.66] При нормальном падении подобной волны на плоскую преграду конечной толщины б происход ят отражение воЛны от передней поверхности, ее преломление, отражение и преломление на задней поверхности и последующие подобные многократные процессы для вторичных волн (рис. 3.14). Суммирование давлений позволяет найти результирующее давление в данный момент времени перед преградой и за ней [35]. [c.67] Падение экспоненциальной ударной вдлны вида (3.35) из жидкое и на свободную границу ее раздела с воздухом приводит к ее отражению с изменением фазы на противоположную и интерференции отраженной волны разрежения с частью ( хвостом ) падающей волны давления (рис. 3.14,6). В результате этого в некотором слое на глубине Ь давление может стать отрицательным и меньшим импульсного кавитационного порога Тогда на этой глубине возникает облако импульсной кавитации [35]. [c.67] Из полученной формулы видно, что импульсная кавитация должна развиваться вблизи поверхности жидкости. В работе [35] показано, что возможно отражение хвостовой части ударной волны от возникшего кавитационного слоя таким образом, по указанному механизму может образовываться множество кавитационных слоев. [c.68] В работах по подводным взрывам [36] отмечается, что новые выходы на свободную поверхность ударной волны создают на ней бугорки, вырастающие в столбики высотой порядка 0,1 м, которые затем распадаются на отдельные капли, образуя купол брызг. Импульсная кавитационная прочность воды зависит от ее чистоты и длительности импульса [20, 2I, 27]. Для обычной воды, не подвергаемой кипячению и дистилляции, при длительности 0,2- 0,3 мкс величина Рк = 8 МПа, при длительности 1-10 мкс - Рк = 6,5-0,6 МПа, а для загрязнений воды -не более 0,1 МПа. По данным работы [37], вода выдерживает динамические растяжения в 0,25 МПа при длительности 20- 30 мкс с увеличением длительности до 150 мкс прочность уменьшается до 0,15 МПа, а затем спадает практически до статической при длительностях 300-500 мкс. Известно также, что кавитационная прочность при импульсном возбуждении ультразвука аналогично зависит от длительности, [13]. Указанными особенностями можно пользоваться для регулирования кавитационных процессов. [c.68] Гармонические источники также могут при значительных интенсивностях создавать в среде ударные волны. Такое преобразование осуществляется при кавитации или в результате других нелинейных процессов. [c.68] Экспериментальные спектры [39] кавитационного шума показаны на рис. 3.16 как функции частоты 5 /), где / = 0)/2л - частота. [c.70] Ударные воздействия в технологии могут реализовываться следующими путями. При определенных режимах в ряде аппаратов движение твердых частиц, капель, пузырьков, струй, подвижных конструктивных элементов (шары и т.д.) могут носить ударный характер, например в осциллирующих режимах, сопровождающихся гидравлическими ударами. Целенаправленное использование этих режимов может служить одним из методов создания интенсифицирующих воздействий. Другим способом является генерирование ударных (импульсных) воздействий специальными устройствами, в качестве которых могут служить механические и другие вибровозбудители, работающие в соответствующем диапазоне амплитудно-частотных или временных характеристик. Разнообразные виброударные устройства нашли широкое применение в строительстве, машиностроении, геофизике [31]. В химической технологии подобные устройства почти не используются за исключением механических процессов (дробление), тогда как целесообразным является их применение и для интенсификации процессов других классов. [c.70] Проблематичными являются вопросы передачи ударного воздействия объектам химической технологии. В связи с этим и представляют интерес импул1 сные электродинамические и электроразрядные устройства. Общей чертой обоих устройств является использование накопителя электрической энергии, от которого она через коммутатор передается излучателю. [c.72] В импульсном электродинамическом излучателе (рис. 3.18) при протекании импульса тока от генератора 1 через обмотку (соленоид) 2, выполненную в виде плоской спирали, создается импульсное магнитное поле, наводящее в проводящей пластине (мембране) 4 вихревые токи. Взаимодействие поля с токами приводит к отталкиванию пластины. Для устранения электрического пробоя пластина 4 отделена от соленоида 2 тонкой изолирующей прокладкой 3 и основание 5 выполнено из изолирующего материала. Контакт мембраны с жидкостью приводит при ее импульсном движении к генерации в ней ударной волны. [c.72] Вернуться к основной статье