Файл: Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие.pdf

массивов, а тонкие струи — для создания щелевых отверстий (зарубных щелей) для ослабления прочности породы или угля в пре­ делах забоя.

§ 2. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СТРУЙ

Гидравлические струи по всей длине до места контакта с породным целиком характеризуются движущимся потоком, плотность которого во много раз выше плотности воздушной среды. Вследствие этого

затопленными. Отсутствие твердых границ определяет сущест­ венные особенности движения струй и их структуру.

Отвлекаясь от характерных значений параметров, особенностей поперечных сечений струй и размеров их отдельных зон, любую гидравлическую струю (см. рис. 11) можно разделить по длине на три участка. Первый участок — компактная струя практически с постоянным поперечным сечением. Второй участок — часть струи, еще имеющая нлотное ядро в виде жидкости, по с поверхностными слоями, насыщеипымп воздухом. На этом участке струя имеет конусообразную форму (сечения II и III, см. рис. И ) с изменяющимся

ный участок с постоянным сечением составляет всегда небольшую часть гидравлической струи (см. рис. 11). Основной части струи соответствует большая часть ее по длине.

Для разрушения (или размыва) целика породы целесообразнее

из-за близости насадки к забою разрушение целика на первом участке часто вести невозможно. Поэтому чаще всего на гидромеханизиро­ ванных работах используется в т о р о й у ч а с т о к , т. е. ту часть, которая характеризуется наличием еще плотного ядра струи.

Основная часть струи (третий участок) для разрушения (и раз­ мыва) непригодна. В гидромеханизированных работах этот участок гидравлических (обычно гидромониторных) струй используется для смыва разрушенных или несвязных пород (песка, угля и т. п.).

Все виды гидравлических струй имеют единую физическую природу, однако по мере повышения напора и уменьшения диаметра насадки происходит существенное изменение их структурных эле­ ментов по схеме рис. 11. Струя до полного распада может суще­ ствовать в зависимости от Н 0 и d 0 на малых и даже ничтожных рас­ стояниях. Поэтому рассмотрим основные параметры на примере гидромониторных струй.

52

Как следует из формулы (III.3), основные параметры гидра­ влической струи при ее формировании в насадке определяются начальными условиями и связаны одной функциональной зависи­

поверхности ее поперечного сечения. Удельное давление струи

метр в значительной степени определяет эффективность разруше­ ния и тесно связан с величиной удельного давления струп, обычно

•более трудно определяемой в экспериментах.

Опытные данные по изменению структуры гидравлических струй удобнее демонстрировать фотографиями на примере струй м а л ы х д и а м е т р о в и в ы с о к и х д а в л е н и й . На рис. 12 при­ ведена фотография струи, полученная в ИГД им. А. А. Скочинского, при освещении ее импульсной лампой (длительность вспышки 1,5 мкс, при н0 = 150 м /с и напорах Я 0 = 125—1000 м вод. ст.).

Как следует из рисунка, на некотором расстоянии от насадки струя начинает распадаться на отдельные объемы жидкости. Значи­ тельное количество капель возникает в результате распыления

.этих объемов на значительно больших, чем£/<30 — 270, расстояниях ■от сечения насадки. Сплошная часть струи поддерживается на больших расстояниях при повышении начального напора.

Процесс аэрирования струи и ее расширения протекает несколько менее интенсивно при одних и тех же l/d0 по сравнению со струями

•большого диаметра вследствие гораздо меньшей поверхности струп,

.взаимодействующей с воздухом, и высоких скоростей.

-54

§3. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СТРУН

ВБЕЗРАЗМЕРНЫХ ПАРАМЕТРАХ

Для решения инженерных задач, связанных с расчетом гидра­ влических струй, необходимо располагать аналитическими соотно­ шениями между основными параметрами вдоль струи. Их можно получить, исследуя зависимость осевого и удельного динамического давлений от различных факторов.

Ввиду сложности математического решения воспользуемся ме­ тодом размерностей. Согласно я-теореме (см. § 3, гл. I) осевое дина­ мическое давление вдоль струи определяется следующими незави­ симыми физическими величинами:

о — коэффициент поверхностного натяжения, Н -м /м 2; р' и р.' — соот­ ветственно плотность и динамический коэффициент вязкости окружающей струи среды (для р, размерность Н -с/м 2); g — нормаль­ ное ускорение свободного падения.

Заметим, что величина о характеризует работу, затрачиваемую на изменение поверхности границы раздела фаз (жидкости и воз­

(см. гл. I, § 3), то числа Эйлера и Фруда из рассмотрения исключаем. Число Вебера для каждого поперечного сечения струи имеет, как этоочевидно, отличное значение и практически может быть определенодля выходного сечения насадки. Таким образом, из доступных для расчетов безразмерных параметров наибольший интерес предста­ вляет упрощенная зависимость (III.4) в виде:

Pm/P0 = f ( l/do). ^ Н е ­

которую следует получить из опыта при различных условиях форми­ рования струй. Эти начальные условия в гидродинамическом отно­ шении определяются числами Re и W для выходного сечения насадки..

55ь

Для установления зависимости (III. 5) в ИГД им. А. А. Скочин- -ского проведены многочисленные измерения для различных гидра­ влических струй. На рис. 13 приведены данные измерений для ■тонких струй в виде графика р,„/р0 = / (l/d0) в логарифмических координатах. Зависимость характеризуется ломаной прямой в соот­ ветствии с особенностями структуры струи на трех участках (см. рис. 11). Отрезок прямой, параллельной оси абсцисс, характеризует первый участок струи — с постоянным поперечным сечением, в пре­ делах которого осевые динамические давления постоянны и равны

.давлению р 0. Длина этого участка около 80 clQ.

Тис. 13. График зависимости Рщ/Ро от l/d0 для условий р 0 = (20— 150)105 Н/м3:

1—3 — соответственно прп Э0 = 3,5 -Н 3,0; 2,2 н 1,9 -т- 1,5 мм

Отрезок прямой со значениями (80—300) c l0 характеризует второй участок струи, в пределах которого сохраняется плотное ядро жидкости. На этом участке осевое динамическое давлеиие медленно {в направлении от насадки) уменьшается по гиперболической зави­ симости. На этом участке струя еще не разрушена, но вследствие трения ее поверхности с окружающей средой осевая скорость полета струи, а следовательно, и величина рт уменьшаются.

Отрезок прямой для значений >300 d0 характеризует третий участок гидравлической струи, на котором осевые динамические давления с увеличением расстояния от насадки резко уменьшаются.

Из графика рис. 13 для функции (III. 5) следует уравнение вида:

где т — безразмерный коэффициент, характеризующий для задан­ ных начальных условий т — / (Re, We) относительную длину участка струи с постоянным поперечным сечением; п — показатель степени, определяющий интенсивность распада струи.

56