ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.10.2024
Просмотров: 69
Скачиваний: 0
Решение уравнении (19) с использованием |
указ аit- |
|||||
ных жидкостей дает: |
|
|
|
|
||
для воды |
|
|
|
|
|
|
( |
_ |
0,72-ІО-3 |
= |
0,025 с, |
|
|
I! |
_ |
293-0,98. ІО'3 |
|
|
||
|
|
|
|
|||
для бензина |
|
|
|
|
|
|
t |
__ |
0,024-Ю-з |
= |
0,0015 |
с, |
|
к |
_ |
293-0,056-ІО'3 |
|
|||
|
|
|
|
|||
для глицерина |
0,63-І0-з |
|
|
|
|
|
|
|
|
14,3-ІО“6 с, |
|
||
|
|
293-147-Ю-з |
|
|||
для ртути |
|
|
|
|
||
|
4,65 |
|
|
|
|
|
|
к |
|
=0,108 |
с. |
|
|
|
293-0,145-Ю-з |
|
||||
|
|
|
|
|
||
Из полученных данных видно, |
что для |
ртути |
время |
|||
образования капли наиболее близко ко времени образо вания капли жидкой стали (/‘„= 0,12 с). Однако модели рование с ртутью надо производить с такой же большой скоростью, как и со сталью. Это моделирование не эф фективно, так как из-за большой скорости роста капли невозможно наблюдать отдельные стадии образования ее. Кроме того, как показывают эксперименты, капли ртути диаметром больше 4 мм не удается получить, что затрудняет наблюдения. Бензин и особенно глицерин также не применимы из-за необходимости очень боль ших скоростей роста капли. Наиболее подходящей ока зывается вода, которая применяется для моделирования и в металлургии [13]. У воды есть ценное свойство — прозрачность, что очень удобно для наблюдения внутрен них перемещений. Чтобы режим образования капли во ды был подобен режиму образования электродной кап ли, необходимо соответственно изменить значения гк или w, например при том же радиусе у капли воды надо уменьшить скорость роста радиуса в 0,122/0,026 = 4,7 ра за. Можно одновременно уменьшать скорость роста кап ли воды в 2—2,5 раза при соответствующем увеличении радиуса ее и т. д.
Для наблюдения за образующейся каплей па моде лях применялся микроскоп от твердомера с 25-кратиым увеличением, имеющий шкалу с ценой деления 0,1 мм. Наблюдение велось одновременно в два микроскопа: че
20
рез один наблюдали осевые размеры, через другой — ра диальные. Скорость роста капли, а также фиксирование ее на любой стадии образования регулировалось скоро стью подачи жидкости. Для получения капель на труб ках диаметром более 4 мм в пижием конце трубки поме щали проницаемую перегородку (сукно). Это улучшало условия образования капли, обеспечивая более равно мерный подход жидкости по всему сечению трубки. Кро ме того, перегородка воспринимала на себя напор жид кости, что позволяло получать капли на трубках боль шого диаметра с заданной скоростью роста.
Образование и отрыв капли
Наблюдения за образованием и ростом капли произ водились на нескольких жидкостях. Установлено, что для всех жидкостей характер образования и рост капель одинаковы. Если рассматривать уже идущий процесс образования капли, то после отрыва предыдущей капли на конце трубки остается «зародыш» будущей капли — часть жидкости в форме сферического конуса, основание которого покрывает всю торцовую поверхность трубки. При поступлении новых порций жидкости рост капли происходит вследствие увеличения размеров зародыша одновременно в осевом и радиальном направлениях. Однако в осевом направлении капля растет с большей скоростью, т. е. быстрее удлиняется. Рост капли в ради альном направлении происходит преимущественно в нижней конической части зародыша, расширяя ее и де лая каплю более тупой. Общий характер роста капли создает впечатление, что резиновая оболочка капли как бы заполняется тяжелой жидкостью. Стадии роста капли воды схематично показаны на рис. 4, а.
Наблюдения за ростом капли при введении в жид кость взвешенных частиц показали, что жидкость посту пает равномерно по всему торцу трубки; также равно мерно распределяется она по всему объему растущей капли. При этом отдельные части или струи потока жидкости внутри капли получают характерные завихре ния, но какой-либо закономерности в перемещении взве шенных в капле частиц не наблюдается. Скорее это хао тическое движение отдельных струй жидкости, как это схематично показано на рис. 4, б.
21
Поверхностный слон капли жидкости еще более не спокоен, чем объем ее. На поверхности капли наблю даются самостоятельные, не связанные с внутренними перемещениями струи жидкости впхреобразиые течения (рис. 4, б ). Центр этих течений в свою очередь переме щается по поверхности капли, преимущественно по эква тору. Скорость перемещения па поверхности зависит от самой жидкости и условий, в которых капля находится. Так, на капле воды и особенно масла движения жидко-
1
2
3
4
5
Рис. 4. Образование и рост капли: а — стадии роста |
( 1 — зародыш; |
2 — первая; 3 — вторая; 4 — третья; 5 — четвертая); |
б —-завихрения |
струіі потока жидкости внутри капли; в — завихрения, па поверхности капли
сти медленны и малозаметны, а на капле бензина — очень быстрые, и скорость их так велика, что визуально невозможно определить ее. Во всяком случае она боль ше 5—6 об/с.
Движения на поверхности капель воды и масла зави сят от температуры. Подогрев капли, осуществляемый снизу электрогрелкой, увеличивает скорость перемеще ния на поверхности капли тем больше, чем выше темпе ратура подогрева. При температурах, близких к кипе нию, скорость перемещения на поверхности капель воды была такой же, как и на поверхности капель бензина при нормальной температуре. При этом несколько уве личивается и скорость хаотического движения взвешен ных частиц внутри капли. Такое влияние нагрева указы вает, что движение на поверхности жидкости связано с испарением. Так как бензин заметно испаряется и при нормальной температуре, то и без дополнительного на грева движения на поверхности капли очень велики.
22
Электродная капля металла находится под воздействием очень высоких температур. Поэтому можно предполо жить, что внутри капли происходят подобные перемеще ния жидкости, способствующие перемешиванию всего объема металла капли. Поверхностные перемещения на электродной капле происходят также и в сварочном пла
мени. Их можно наблюдать при малой |
скорости роста |
|
капли, особенно при косвенном нагреве |
прутка, |
когда |
можно увеличить время существования |
капли |
на его |
конце.
Для наблюдения за поведением капли, когда внутри нее появляется газ, по центру основной трубки, на торце которой образовывалась капля, вводилась другая топ кая трубка диаметром около 0,5 мм. Через эту тонкую трубку подавался газ регулируемого давления внутрь образующейся капли. Наблюдения показали, что подво димый газ давлением 200—300 Н/м2 раздувает каплю воды диаметром 5 мм в пузырь диаметром до 10—15 мм. Такой пузырь может долго сохраняться, если давление газа повышать медленно и подавать его с небольшой скоростью. При этом в нижней части пузыря образуется отверстие, через которое выходит избыточный газ. Если же воду подавать по основной трубке, то она сте кает по стенкам этого пузыря. Скапливаясь внизу пузы ря, вода образовывала обычную сплошную каплю, кото рая отрывалась, достигая в диаметре 3—4 мм. При по вышении давления газа до 400—600 #/лг2 происходит разрыв пузыря, а при большем давлении газа капля во ды разрывается на мелкие и совсем мелкие капельки, разбрызгиваемые в разные стороны.
Капли, образующиеся на конце трубки, имеют раз ные размеры и форму, что определяется физическими свойствами жидкости. Во всяком случае образующиеся капли не имеют форму шара, а при отрыве капля также ие успевает ее примять, хотя силы поверхностного натя жения стремятся придать капле шарообразную форму. Исследования показали [18], что отрыв капли сопрово ждается удлинением шейки с уменьшением ее диаметра до полного разрыва. Отрыв вызывает колебание жидко сти капли, что искажает ее форму. Вначале капля не сколько эллипсоидальна, как бы сжата вертикальными силами, в последующем полете осевые и радиальные раз меры капли периодически меняются с частотой около
20—30 периодов в секунду. При анализе кадров уско ренной киносъемки капельного перехода А. В. Петров [7] обнаружил подобные явления деформации электрод ных капель в сварочной дуге. Несмотря на такую дефор мацию капель в полете, капли, собираемые в воду, име ли форму, близкую к шарообразной. Более правильную
форму шара имели капли меньшего |
диаметра — около |
2 мм и меньше. |
образующая шейку, |
После отрыва капли жидкость, |
верхним концом отделяется от маточной жидкости и в зависимости от свойств жидкости образует одну каплю меньшего размера, падающую вслед за основной каплей (вода), или несколько более мелких капель (бензин). Иногда одна из последующих капелек с силой отбрасы вается вверх и объединяется с маточной жидкостью. Для вязких жидкостей (глицерин) шейка перед обрывом кап ли образуют очень длинную пить, которая, отделившись, перемещается вертикально вниз. При этом длина нити уменьшается вследствие образования утолщений (шари ков) по концам ее. Подобные явления наблюдаются и в сварочной дуге [19].
Для наблюдения за образованием капли на моделях применялись трубки разного диаметра. Скорость обра зования капли регулировали подачей воды, а размер ка пель определяли путем сбора их в мензурку. Зная объем упавших капель и их число, вычисляли объем, вес и диа метр каждой капли, принимая шарообразную форму их. Образующаяся капля по форме заметно отличается от шарообразной, при этом диаметр трубки оказывает за метное влияние (рис. 5, а). Это объясняется тем, что основанием капли служит весь смоченный торец трубки независимо от ее диаметра. Диаметр же оторвавшейся капли в известной мере зависит от диаметра трубки. Масса G падающих капель определяется как поверхно
стным |
натяжением о, так и размером |
трубки — ради |
усом ее |
лт: |
|
|
G = |
(20) |
где Е — величина, являющаяся функцией отношения объема капли к кубу радиуса трубки, значение которого берется из таблиц (см., например, [20]). В довольно широких пределах этого отношения (от 0,4 до 20)
24
£ = 0,25, уменьшаясь до 0,17 при увеличении отношения до 5000.
Размер падающих капель воды для трубок разного
диаметра, определяемый экспериментально и |
по урав |
|
нению (20), |
совпадает для трубок диаметром |
до 10— |
12 мм (рпс. |
6). Для трубок большего диаметра акспери- |
|
Рис. 5. Форма образующихся капель: а — на трубках разного диа метра; 6 — при разных условиях образования (1 — нормальная; 2 — подогретая снизу; 3 — в парах)
Рис. 6. Зависимость массы (/) и диаметра (2) капли воды от диа метра трубки (/ — экспериментальная; 11 — расчетная)
25
ментальные размеры капель меньше расчетных. По-вн- днмому, можно принять, что для данной жидкости раз мер образующихся капель стремится к некоторому пре дельному значению н дальнейшее увеличение диаметра трубки не увеличивает размер капли.
Для воды предельный радиус капли составляет око ло 0,4 см. Очевидно, такой предельный размер капель существует и для других жидкостей, в частности для стали. Пользуясь уравнением (20), можно определить предельный радиус капли стали сравнением с каплей воды, приняв, что обе жидкости вытекают из трубок оди накового диаметра. Заменяя вес капли через ее объем, получаем радиус трубки
|
г т |
а |
(21) |
|
|
|
|
Это уравнение справедливо для стали п воды. Тогда |
|||
|
°с |
|
Та |
Взяв отношение радиусов капель, получим |
|||
|
3 |
РсТв |
( |
|
Гс |
||
|
|
°вУс |
|
откуда |
3/ |
3 |
ПсѴа |
|
|||
|
\ / |
'" |
CTuYc |
|
|
|
|
а после подстановки числовых величин получим |
|||
г с |
|
12-1 |
=^0,53 см. |
|
|
||
|
0,024-7,1 |
||
В этих уравнениях га и гс — радиус капель соответствен но воды и стали; ав, ас и ‘ув, ус — их поверхностные на тяжения и удельные веса.
Из экспериментальных данных видно, что при соот ветствующем диаметре прутка диаметр стальной капли может достигать 10 мм. Такую возможность проверяли экспериментально, 'применяя прутки малоуглеродистой стали марки Ст. 3 разного диаметра. В начале эксперн-
26