Минобрнауки россии) томский государственный университет (тгу)
Скачать 362.92 Kb.
|
Рис.3.1. Блок-схема экспериментальной установки по исследованию процесса соударения капли с поверхностью жидкости. В экспериментах использовался генератор монодисперсных капель с четырьмя сменными капиллярами из нержавеющей стали с полированными торцами. Что измерялось: В настоящей работе в качестве модельной жидкости использовалась дистиллированная вода. Мы измеряем, во-первых, значения установившейся скорости падения капель воды в воздухе при атмосферном давлении и температуре 20с, во-вторых рассмотрели падение капли на поверхность, образование кратера, валика жидкости, образование столбика Релея, образование вторичных капель. Измерили изменение столбика Релея при увеличение размеров капель и скорости взаимодействия глубины каверны.. Что получилось: Диаметр дождевых капель может изменяться в пределах от 0,2 до 7 мм [2]. Более крупные капли деформируются и дробятся под действием аэродинамических сил. В табл. 3.1. приведены экспериментальные и рассчитанные по уравнению mdu/dt=mg-CdS(pu2/2) значения установившейся скорости падения капель воды в воздухе при атмосферном давлении и температуре 20 ос. Сравнение скоростей взаимодействия приведенных в табл. 3.2. со скоростями стационарного падения капель соответствующих размеров (см. табл.3.1.) показывает, что в проведенных экспериментах капли не достигают стационарной скорости и движутся с ускорением. Анализ результатов экспериментального исследования показывает, что качественная картина процесса существенно зависит от скорости взаимодействия. При падении капли с высоты 0,45 м на поверхности жидкости наблюдается образование небольшого кратера и валика жидкости, которые за время t 150 мс преобразуются в столбик Рэлея диаметром d= 4 мм и высотой h, 30 мм. Максимальное отношение высоты столбика к его диаметру h~/d~ 7. При этом за время существования столбика (t 200 мс) на его вершине окончательно формируется крупная сферическая капля диаметром D б мм, которая, отделившись от основания, падает вслед за оседающим толбиком. дальнейшее развитие, т. е. образование новых каверны и столбика Рэлея, прекращается с падением в каверну этой капли. При падении капли с высоты h = 1,27 м образуются сферическая каверна диаметром 2R = 27 + 29 мм и глубиной Н = 12 + 14 мм и корова со стенками, вертикально исходящими из стенок кратера; диаметр коровы d~ 30 мы, ее высота 14 мм. Верх короны образуют 10—15 вторичных капель диаметром D 0,5 + 2 мм, причем некоторые из них отрываются от короны. Дальнейшее развитие процесса приводит к Табл.3.1.
Табл.3.2.
исчезновению каверны и короны и образованию столбика Рэлея диаметром d = б + 7 мм и высотой 30 мм. Время образования столбика Рэлея составляет t 80 + 100 мс, а время его существования t 250 мс. В данном случае, как видно из кинограмм процесса, столбик не успевает разрушиться, происходит его отставание , образование новой каверны в валика, но уже меньших размеров, динамика которых приводит к образованию вторичного столбика Рэлея диаметром d = 1,5 + 2 мм и высотой h = 20 + 30 мм с последующим распадом его на 3—4 капли диаметром 2—3 мм, т. е. только вторичный столбик Рэлеея приводит к образованию вторичных капель. При падении капли с высоты 1,73 м (рис. 3.2.) за время 80 -~- 100 мс образуются сферическая каверна диаметром 2R 30 мм и глубиной Н 13 -~- 14 Мм и корона, стремящаяся образовать купол над каверной диаметром 2R 30 мм и высотой 14 мм с  Рис.3.2. Кинограмма процесса соударения капли с поверхностью жидкости дальнейшим образованием 10—15 вторичных капель диаметром 0,5—2 мм. В некоторых экспериментах купол замыкается, образуя пузырь с высотой купола Н. [2] Выводы: Разработанная методика позволяет проводить экспериментальные исследования характеристик процесса ударного взаимодействия капель с поверхностью жидкости, жидкой пленкой и твердой поверхностью. Суммарная масса капель невелика, однако их вклад в загрязнение окрестности бассейнов-отстойников может быть существенным за счет процессов аэродинамического выноса и турбулентной диффузии. 4. Падение капли на свободную поверхность другой жидкости В работе о падения капли на свободную поверхность другой жидкости экспериментально изучили взаимодействия падающей капли со свободной поверхностью другой или той же самой жидкости, заполняющей неглубокую кювету с наклонным к горизонту дном. Описание установки: Экспериментальная кювета представляла собой склеенный из стеклянных пластинок куб с длиной ребра 7.5 см. В процессе опытов в жидкость вставлялась укрепленная сбоку на шарнире стеклянная пластинка, которая позволяла менять угол наклона дна и глубину кюветы. Для получения капель одинакового радиуса использовалась следующая установка. Калиброванная пластиковая трубка, внешний диаметр которой составлял 3.5 мм, внутренний 2 мм, опускалась вертикально своим нижним концом в сосуд с исследуемой жидкостью на определенную глубину Затем трубка осторожно вынималась и вместе с оставшейся в ней капелькой надевалась верхним концом на установленный на кронштейне над кюветой шприц с выдвинутым поршнем. Так же использовалась высокоскоростная видеокамера настроенная на скорость съемки в 1000 кадров за секунду и фокусированная на область подготовленной заранее капли. Затем после медленного выдавливания капли включаются прожектор и видеокамера. Из полученного фильма с помощью пакета программ ЕРLХ®ХСАР.У2.2 вырезались около сотни фотокадров разрешения 1280 х 512, на которых зафиксировано столкновение капли с жидкостью и Выброс струйки.[4] Что измерялось: В данной работе мы введем наблюдение за каплей на свободную поверхность жидкости. Рассмотрели формирование фонтанчика над местом падения капли и образование султана. Так же ставили специальные опыты с подкрашенными жидкостями, для выяснения вопроса, отдает ли капля при ударе часть своей массы внешней жидкости. Что получилось: В первые несколько десятитысячных долей секунды (рис 4.1.фотокадры 2—5) в свободной поверхности нижней жидкости возникает округлая лунка, в которую погружается окруженная слоем захваченного воздуха почти шаровая капля, еще не успевшая изменить свою форму. Капля выдавливает наружу увлеченный ею воздух, который при этом расширяет лунку и деформирует каплю, вытягивал с ее поверхности пелену в форме венца. В результате капля к моменту остановки, когда будет  Рис.4.1. Двенадцать последовательных фаз (1-12) входа в воду подкрашенной водяной капли израсходована вся запасенная энергия, принимает форму напоминающую чашу с утолщением на дне. С этого момента капиллярные силы и созданное в слое воздуха между каплей и подложкой давление начинают выжимать в чаше подобную каплю, и она выбрасывается вверх (рис.4.1.фотокадры 6—12). При этом пелена сформирует так называемый султан, а утолщение — небольшую лидирующую капельку перед ней. А опыты с подкрашенными жидкостями показали, что обмена практически не происходит, если капли падали с высоты h от 24 до 10 см на слой жидкости глубиной до 5 см. Угол наклона дна на формирование кумулятивной струи влияния не оказывал, определяя только величину наклона струи.. При падении подкрашенной капли воды на чистую воду возникают подкрашенные султан и капелька-лидер, а жидкость в кювете остается прозрачной; наоборот, выброшенная вверх из подкрашенной воды в кювете чистая капелька остается прозрачной. Нижняя часть султана при этом содержит небольшой объем жидкости массива, увлеченный кумулятивной струей (рис.4.2.) При падении капли с высоты h < 8 см вместо струи образовывался небольшой холмик над местом падения капли, смещенный в сторону глубоких участков массива, а жидкости успевали смещаться.[4] При рассмотрении начальной стадии столкновения, мы видим что, при подлете капли к жидкости в кювете между ними возникает прослойка выдавливаемого наружу воздуха. Вытеснение воздуха из зазора при продавливании свободной поверхности второй жидкости происходит одновременно с увеличением воздуха в зазор, который образуется в тончайшем слое непосредственно у поверхностей раздела фаз из-за условий прилипания. Эти противоположные эффекты приводят к деформации зазора, формируя в нем избыточное давление, которое в конечном итоге останавливает каплю и выдавливает ее наружу. Представление о течениях жидкостей в системе дает рис.4.3., на которой качественно изображены линии тока во всех трех фазах. Из-за ничтожной толщины воздушной прослойки масштаба в ней сильно увеличен при сохранении масштабов в жидкостях; Образовавшиеся из-за условий прилипания вихри в воздушном зазоре способствуют возникновению соответствующих вихрей в обеих жидкостях. вихрь в капле вытягивает ее в вертикальном направлении, в то время как течение во внешней жидкости, наоборот, расширяет полость в горизонтальном направлении. Кроме того, должно проявиться характерное для этой задачи отставание от основной центральной массы капли ее боковых поверхностей, которое формирует своеобразный обрамляющий каплю венец. В результате совместного действия последних эффектов капля в развитом режиме будет напоминать чашу с холмиком на ее дне. Края чаши сформируют при  Рис.4.2. Фотографии выбранных моментов выброса кумулятивной струи, образовавшейся при ударе водяной капли а:подкрашенной; б- чистой о свободную поверхность воды  Рис.4.3. Качественная картина линий тока (1) для капли воды, падающей на воду в начальный момент времени :направление движения воздуха в зазоре между деформированной течениями каплей и внешней жидкостью выбросе пирамидального вида фонтанчик, получивший название султан, а холмик превратится в венчающую султан лидирующую капельку. В расширяющейся лунке при ее сжатии капиллярными силами натекающие снизу струи выгнут центральную часть фазовой поверхности вверх. Образовавшийся при этом выступ успеет сомкнуться с вылетающей каплей, как это и видно на рис.4.2.[4] Вывод: Экспериментально изучен процесс падения капли на поверхность жидкости. Установлен факт выброса кумулятивной струи в сторону уменьшения глубины кюветы. Эксперименты с подкрашенными жидкостями показали, что в момент удара обмена между жидкостями капли и подложки не происходит при падении капли с высоты h от 24 до 10 см. Гравитационное осаждение капель Уравнение движения капли имеет вид:  (1)Где m=(πD3/6)ρp- масса капли диаметром D и плотностью ρp  - вектор скорости капли -движущие силыДля гравитационного осаждения эти силы (в проекции на ось z, направленную вниз), по направлению вектора ускорения свободного падения  , суть: - сила тяжести (2) - сила Архимеда (3) Где ρ-плотность газа V-объем капли.  -сила аэродинамического сопротивления, (4)Где S=πD2/4- площадь миделевого сечения СD-безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления. Величину эту представим в виде  (5)Где  -безразмерная функция сопротивленияСDS=24/Re-коэффициент сопротивления при стоксовском режиме обтекания (Re<=1)  , где  -динамическая вязкость газа.подставляя (2)- (5) в (1), и пренебрегая силой Архимеда(  ) и полагая  (стоксовский режим), получим уравнение движения в виде: (7)Обезразмерим это уравнение. В качестве масштаба скорости примем стационарное решение( положим  ) (8)Обозначив  и подставляя (8) в (7), получим: (9)Примем за масштаб времени  (10)Обозначив  и подставив (10) в (9), получим: (11)Используя подстановку z=(1-y), dz=-dy,интеграл уравнения (11) с нулевыми начальными условиями будет иметь вид :  (12) Таким образом, для стоксовского режима обтекания зависимость скорости гравитационного осаждения капли имеет вид (12) и выражается в явном виде.Найдем зависимость скорости частицы от пройденного ею расстояния(высоты падения) Введем масштаб расстояния:  (13)И подставляя в (13) выражение для u0 и t0 из (8) и (10) получим:  (14)Запишем (11) в размерном виде:  (15)Подставим производную du/dt=(du/dx)(dx/dt)=u du/dx (16) Подставляя (16) в (15) получим :  (17)Перейдем в (17) к безразмерным переменным  , y и ξ=x/x0 Или с учетом (13)  (18)Проинтегрируем дифференциальное уравнение (18) с нулевыми начальными условиями ξ=0 y=0 уравнение (18) представим в виде:  (19) СГде С-константа интегрирования. Интеграл в левой части имеет решение  (20)Где Х=ах+b  C учетом (20) и граничных условий решение для зависимости y(ξ) имеет вид  Подставляя в (21) значения у от 0 до 1, получаем график зависимости y(ξ) Из уравнений (12) и (21) следует ,что скорость осаждения u будет отклоняться на 1 процент от станционарного значения u0 при значениях τ*=4.61 и ξ*=3.615 В размерном виде: t*=4.61t0=4.61u0/g=4.61ρpD2/18µ ξ*=3.615x0=3.615u0 t0 =3.615( ρpD2/18µ)2 g. Определение вязкости жидкости, при погружении металлического шарика в эту жидкость.
 =7.8 г/см3 =0.98г/см3 График зависимости скорости от вязкости показан на рис.* Рис*   Заключение В данной работе были изучены, во-первых, основные понятия теории подобия и анализа размерностей. Во-вторых, алгебраическим методом Релея получен критерий подобия задачи взаимодействия капли жидкости, падающей на поверхность жидкости и для стационарного осаждения капли в воздухе. В-третьих, была изучена литература по экспериментальному исследованию процессов, происходящих при падение капли на поверхность жидкости при большой глубине сосуда, так же процесс падения капли на поверхность жидкости для случая малой глубины и наклонной поверхности дна. Разобран вопрос о гравитационном осаждении капли. Мы установили что процесса взаимодействия капли с поверхностью жидкости зависит от таких безразмерных величин как число Рейнольдса Re, число Бора- Bo, так же от безразмерных величин V и П.Равных П=(μu)/σ V =V/ D3π=Vкаверны/Vкапли. А стационарное осаждение капли в воздухе от следующих величин:  =ρв/ ρк ; λ= g/D; ζв=Dμв/σ; ζк=Dμк/σ;  = u/D.Определили вязкость жидкости, при погружении металлического шарика в эту жидкость. Получили график зависимости скорости падения от вязкости жидкости. Так же Установили факт выброса кумулятивной струи в сторону уменьшения глубины кюветы. Эксперименты с подкрашенными жидкостями показали, что в момент удара обмена между жидкостями капли и подложки не происходит при падении капли с высоты h от 24 до 10 см. Литература 1.Архипов В. А. Курс лекций по теории и практике закрученных потоков./ В. А. Архипов. — Томск : Изд-во ТГУ, 1999. — 60 с. 2.Архипов В.А.Образование вторичных капель при ударном взаимодействии капли с поверхностью жидкости//прикладная —механика и техническая физика.—2005.—№1.—С.55-62. 3. Борисенко О.В. Особенности движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле //Нанотехника.—2010.—№ 23.—С. 86-88. 4. . Макарихин И.Ю. падении капли на свободную поверхность другой жидкости // Известия Российской академии наук.—Механика жидкости и газа. —2010. —№ 1. —С. 40-44. 5. Маленков Г.Г. структура и динамика поверхности тонких пленок и микрокапель воды // Коллоидный журнал. //—2010.— Т. 72.— № 5.— С. 649-659. 6. Майков И.Л. Численная модель динамики капли вязкой жидкости // Вычислительные методы и программирование.—2009.—№1.—С.148-157. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Минобрнауки россии) томский государственный университет (тгу) Рассмотрены и утверждены ученым советом международного факультета управления Томского госуниверситета | | Минобрнауки россии) томский государственный университет (тгу) Введение должно содержать оценку целесообразности темы, оценку современного состояния решаемой проблемы, основание и исходные данные... |
| Федеральное агентство по образованию томский государственный университет... Планируемые результаты освоения обучающимися основной образовательной программы начального общего образования ооп | | Федеральное агентство по образованию Томский государственный педагогический университет Томский государственный педагогический университет совместно с Сибирским нии торфа со расхн, Институтом климатических и экологических... |
| Министерство образования и науки российской федерации федеральное... Минобрнауки РФ от 16. 03. 2011 г. №1365; программы-минимума кандидатского экзамена по общенаучной дисциплине «Иностранный язык»,... | | Минобрнауки томский государственный университет факультет информатики утверждаю Задача учебного курса – освоение психолого-педагогических знаний, вопросов методики преподавания, современных методов обучения |
| Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Утверждены приказом Минобрнауки России от 16 марта 2011 г. №1365, программой кандидатских минимумов, учебным планом специальности... | | Кубанский государственный университет физической культуры, спорта... Утверждены приказом Минобрнауки России от 16 марта 2011 г. №1365, программой кандидатских минимумов, учебным планом специальности... |
 | Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Sylvestris, Acer negundo, Fraxinus pennsylvanica, и Platanus occidentalis... Томский государственный университет (Томск), Огайский государственный университет (сша) |
| Томский государственный университет | | Минобрнауки россии Настоящий документ является интеллектуальной собственностью Томского государственного университета и не может быть полностью или... |
| «Томский государственный педагогический университет» (тгпу) рабочая Программа учебной дисциплины Учебно-методическое пособие по курсу «Организационное поведение» /Д. М. Сафина. – Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет;... | | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Все современные самолёты, от простейших до легкомоторных машин до истребителей и бомбардировщиков, оснащены авионикой, или, как принято... |
| Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное... Что же следует понимать под профилактическим, естественным, исцеляющим, правильным дыханием? 25 | | Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное... Апологетика в XIX-XX вв. (Эпоха великих германских философов и больших достижений науки) |
