Влияние формы конца струи жидкости на ее удар по сухой стенке
А.А. Аганин, Т.С. Гусева
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН, г. Казань, 420111, Россия
DOI: 10.26907/2541-7746.2019.1.39-52
Для цитирования: Аганин А.А., Гусева Т.С. Влияние формы конца струи жидкости на ее удар по сухой стенке // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2019. – Т. 161, кн. 1. – С. 39–52. – doi: 10.26907/2541-7746.2019.1.39-52.
For citation: Aganin A.A., Guseva T.S. The influence of the end shape of the liquid jet on its impact onto a dry wall. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2019, vol. 161, no. 1, pp. 39–52. doi: 10.26907/2541-7746.2019.1.39-52. (In Russian)
Аннотация
Выполнено исследование влияния формы конца струи, ударяющей ортогонально по твердой стенке, на характеристики ударной волны в жидкости и импульсов давления на стенке. Струя воды осесимметричная, ее конец принимается в виде полусфероида с полуосями R и αR, где R – радиус струи, α варьируется в диапазоне от 0 до 2. Скорость струи 250 м/с. Движение жидкости в струе и окружающего газа описывается уравнениями газовой динамики относительно плотности, скорости и давления. Решение находится численно методом CIP-CUP на динамически адаптивной soroban-сетке. Межфазная граница жидкость – газ явно не выделяется. Установлено, что при α > 0.38 воздействие на стенку до отрыва от нее ударной волны аналогично воздействию струи с полусферическим концом с радиусом R/α. Качественные различия со случаем полусферического конца после отрыва ударной волны определяются несферичностью конца струи на удалении от ее оси. При всех рассматриваемых значениях α средний уровень давлений на стенке оставался близким к тому, что имеет место в случае струи с полусферическим концом (α = 1). С уменьшением α характерный размер области нагрузки с максимальными давлениями и радиус ее центральной части с квазиоднородной нагрузкой увеличивались.
Ключевые слова: удар струи жидкости по стенке, форма конца струи, ударные волны в жидкости, радиальное схождение и фокусировка волн разрежения
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-11-01135).
Литература
1. Bourne N.K. On impacting liquid jets and drops onto polymethylmethacrylate targets // Proc. R. Soc. A. – 2005. – V. 46, No 2056. – P. 1129–1145. – doi: 10.1098/rspa.2004.1440.
2. Kornfeld M., Suvorov L. On the destructive action of cavitation // J. Appl. Phys. – 1944. – V. 15, No 6. – P. 495–506. – doi: 10.1063/1.1707461.
3. Philipp A., Lauterborn W. Cavitation erosion by single laser-produced bubbles // J. Fluid Mech. – 1998. – V. 361. – P. 75–116. – doi: 10.1017/S0022112098008738.
4. Crum L.A. Surface oscillations and jet development in pulsating bubbles // J. Phys. Colloq. – 1979. – V. 40, No C8. – P. C8-285–C8-288. – doi: 10.1051/jphyscol:1979849.
5. Аганин А.А., Ильгамов М.А., Косолапова Л.А., Малахов В.Г. Динамика кавитационного пузырька вблизи твердой стенки // Теплофизика и аэромеханика. – 2016. – Т. 23, № 2. – С. 219–228.
6. Aganin A.A., Guseva T.S., Kosolapova L.A., Khismatullina N.A. The calculation of weakly nonspherical cavitation bubble impact on a solid // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2016. – V. 158. – Art. 012003, P. 1–6. – doi: 10.1088/1757-899X/158/1/012003.
7. Lesser M. The impact of a compressible liquid // Rein M. (ed.) Drop-Surface Interactions. CISM International Centre for Mechanical Sciences (Courses and Lectures). V. 456. – Vienna: Springer, 2002. – P. 39–102.
8. Hwang J.-B.G., Hammitt F.G. High-speed impact between curved lipid surface and rigid flat surface // J. Fluids Eng. – 1977. – V. 99, No 2. – P. 396–404. – doi: 10.1115/1.3448774.
9. Аганин А.А., Гусева Т.С. Удар жидкого конуса по плоской твердой стенке // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. физ.-матем. науки. – 2016. – Т. 158, кн. 1. – С. 117–128.
10. Аганин А.А., Гусева Т.С. Влияние формы конца струи при ее ударе по поверхности жидкости // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. физ.-матем. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 2. – С. 135–142.
11. Yabe T., Wang P.Y. Unified numerical procedure for compressible and incompressible fluid // J. Phys. Soc. Japan. – 1991. – V. 60, No 7. – P. 2105–2108. – doi: 10.1143/JPSJ.60.2105.
12. Takizawa K., Yabe T., Tsugawa Y., Tezduyar T.E., Mizoe H. Computation of free-surface flows and fluid-object interactions with the CIP method based on adaptive meshless Soroban grids // Comput. Mech. – 2007. – V. 40, No 1. – P. 167–183. – doi: 10.1007/s00466-006-0093-2.
13. Аганин А.А., Гусева Т.С. Численное моделирование контактного взаимодействия сжимаемых сред на эйлеровых сетках // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. физ.-матем. науки. – 2012. – Т. 154, кн. 4. – С. 74–99.
14. Аганин А.А., Гусева Т.С. Численное моделирование динамики неоднородных сжимаемых сред на основе метода CIP-CUP на адаптивных soroban-сетках // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. физ.-матем. науки. – 2014. – Т. 156, кн. 2. – С. 55–71.
15. Аганин А.А., Гусева Т.С. Численное моделирование удара струи по стенке // Матем. моделирование. – 2017. – Т. 29, № 3. – С. 123–138.
16. Воинов О.В., Воинов В.В. О схеме захлопывания кавитационного пузырька у стенки и образовании кумулятивной струйки // Докл. АН СССР. – 1976. – Т. 227, № 1. – С. 63–66.
17. Heymann F.J. High-speed impact between a liquid drop and a solid surface // J. Appl. Phys. – 1969. – V. 40, No 13. – P. 5113–5122. – doi: 10.1063/1.1657361.
18. Bowden F.P., Field J.E. The brittle fracture of solids by liquid impact, by solid impact and by shock // Proc. R. Soc. Lond. A. – 1964. – V. 282, No 1390. – P. 331–352. – doi: 10.1098/rspa.1964.0236.
19. Lesser M.B., Field J.E. The impact of compressible liquids // Ann. Rev. Fluid Mech. – 1983. – V. 15. – P. 97–122. – doi: 10.1146/annurev.fl.15.010183.000525.
20. Rein M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces // Fluid Dyn. Res. – 1993. – V. 12, No 2. – P. 61–93. – doi: 10.1016/0169-5983(93)90106-k.
21. Lesser M.B. Thirty years of liquid impact research: A tutorial review // Wear. – 1995. – V. 186–187. – P. 28–34.
22. Field J.E. ELSI conference: Invited lecture: Liquid impact: Theory, experiment, applications // Wear. – 1999. – V. 233–235. – P. 1–12. – doi: 10.1016/S0043-1648(99)00189-1.
Поступила в редакцию
30.03.18
Аганин Александр Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: aganin@kfti.knc.ru
Гусева Татьяна Сергеевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: ts.guseva@mail.ru
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
