Закономерности движения и распада струй в спутном воздушном потоке
Закономерности движения и распада струй с различными скоростями истечения могут различаться как количественно, так и качественно. При более низких скоростях, когда струя в начальном участке имеет нераспавшееся ядро, в ней действуют силы вязкости, вызывающие турбулентные завихрения и пульсации. Здесь можно говорить о турбулентном распаде струи, который в дальнейшем усиливается благодаря взаимодействию распавшихся водных образований с воздушным потоком. При движении свободной незатопленной струи, вследствие большой разности скоростей между жидкой струей и окружающей средой, такое взаимодействие весьма интенсивно. При наличии спутного воздушного потока интенсивность взаимодействия жидкой и воздушной сред зависит от разности скоростей струи и воздушного потока.
При движении сверхскоростных струй (струй сверхвысокого давлении) распад струи определяется в основном силами взаимодействия с воздушным потоком, а роль вязких сил здесь соответственно меньше. Однако говорим, здесь об «автомодельности» движения по отношению к вязким силам нет достаточных оснований. Степень влияния вязких сил определяется критерием Рейнольдса Re.
(3.22)
где v - средняя скорость потока, м/с; d - поперечный размер потока, м; V - кинематическая вязкость жидкости, см2 /с.
При создании струйной геотехнологии исходили из предположения, эффективность струйного размыва грунта будет тем выше, чем выше скорость размывающей струи. Это предположение принималось без учета того обстоятельства, что интенсивность струйного размыва грунта определяется не только скоростью струи, но и расходом размывающей жидкости. Вместе с тем, характеристики насосного оборудования во всем мире имеют, как правило, обратную зависимость между максимальным давлением и производительностью, то есть, чем больше давление (и, соответственно, скорость жидкости), тем меньше производительность (расход) этой жидкости, и наоборот. В виду ограниченного объема исследований в этой области, оптимального соотношения между указанными характеристиками до настоящего времени не установлено. Здесь необходимо учитывать также, что для разных видов грунтов, с различными механическими характеристиками такие оптимальные соотношения должны быть различными. Поэтому в индустриально развитых странах при использовании струйной геотехнологии повсеместно применяются сверхскоростные струи, с целью заведомо обеспечить возможность размыва грунтов с любыми механическими характеристиками. Для этого необходимо использование дорогостоящего насосного оборудования с уникальными характеристиками.
В России имеется серийное насосное оборудование, развивающее сверхвысокие давления. Однако серийно производимые гибкие рукава, применяемые в специальных строительных работ для транспортирования жидкостей, рассчитаны на максимальное рабочее давление до 10 МПа. Поэтому в российских условиях для струйной геотехнологии изначально применялись в основном рабочие давления 6... 10 Для определения оптимальных характеристик процесса струйного размыва грунта в струйной геотехнологии Московскими институтами «Гидроспецпроект» и «НИОСП» в 1981-82 гг. были выполнены совместные теоретико-экспериментальные исследования.
Масштабное моделирование водяных струй в спутном воздушном потоке связано с необходимостью учета многих факторов, имеющих неодинаковые масштабы в моделируемом процессе. Поэтому моделирование процесса струиного размыва производилось в масштабе 1:1.
Экспериментальная установка включала гидравлический лоток длиной 6м с прозрачной стенкой. С определенным допущением была выполнена модель прорези в грунте из прозрачного материала в виде параллельных стенок, отстоящих друг от друга на 15 см и соединенных между собой полукруглым сводом. Водяная струя и спутный поток воздуха образовывались сменными насадками различного диаметра. Напор воды обеспечивался и плунжерным насосом НГР-250/50 с давлением до 5 МПа и производительностью 15 м3/час. Сжатый воздух подавался от компрессора ДК-9.
Модель прорези была погружена относительно уровня воды в лотке. Измерения производились, преимущественно, на концевом участке струи, то есть в зоне малых скоростей потока. Это определялось тем, что именно эта часть струи непосредственно работает при размыве грунта.
Измерялись локальные осредненные динамические давления и осреднённые плотности водовоздушного потока по сечению струи.
Следует отметить, что достаточно точное измерение осредненных по времени динамических давлений в области их низких значений, в условиях заметных пульсаций значений измеряемой величины представляет практически трудную задачу. Для этой цели использовалась специально разработанная методика. Осредненные плотности водовоздушного потока измеряюсь специальным проволочным датчиком с электронным вторичным прибором, позволяющим осреднять измеряемые значения за период до 1200 с.
Достоверные измерения динамического давления в струе могут быть только точечными. Такие экспериментальные характеристики, как, например, динамическое давление струи на плоскую преграду, показывают результаты, привязанные к форме и размерам конкретного измерительного устройства. Это связано с тем, что при струйном размыве грунта конфигурация торцовой части забоя струи представляет собой отнюдь не плоскую фигуру.
На рис. 3.4 показан характерный измеренный профиль осредненного динамического давления водяной струи в спутном воздушном потоке, в узкой размываемой прорези. В отличие от результатов работы, выполнявшейся и неограниченной жидкой среде, он представляет собой не классическую Гауссову кривую. Верхняя ветка этой кривой «срезается» сводом прорези. Ось профиля незначительно (на 2-3 мм) выше оси горизонтальной насадки благодаря наличию в потоке воздуха, создающего выталкивающую силу. Напомним, что в работе водовоздушная струя в неограниченной водной среде весьма существенно искривлялась кверху.
Рис. 3.4. Характерный профиль динамического давления P водяной струи в искусственном воздушном потоке на концевом участке грунтовой прорези
На рис. 3.5 показан обобщенный безразмерный профиль динамически давления, который получен на основе аффинной обработки всех измеренных профилей.
Рис. 3.5. Обобщенный безразмерный профиль динамического давления Р водяной струи в искусственном воздушном потоке на концевом участке грунтовой прорези
Указанный обобщенный график позволяет построить конкретный профиль динамического давления для любых исходных значений определяющих параметров струйного размыва. Напомним, что в работе константы в зависимости (3.18) определялись экспериментально для каждого конкретного профиля.
На рис. 3.6 показан типовой поперечный профиль относительной осредненной плотности водяной струи в спутном воздушном потоке на концевом участке размываемой грунтовой прорези.
Рис. 3.6. Характерный профиль втносительной плотности ρ/ρw в водяной струе, движущейся исственном воздушном потоке, на концевом участке грунтовой прорези.
Как видим, ниже оси струи осредненная плотность имеет постоянное значение и равна плотности воды. Выше оси струи график показывает плавное изменение осредненной плотности потока от значения плотности воды до плотности воздуха. Этот график отражает физический процесс гравитационного перераспределения концентрации воздуха в водовоздушном потоке, движущемся в размываемой грунтовой прорези. Таким образом, можно убедиться, что спутный воздушный поток экранирует струю от окружающей жидкой среды только в верхней части порези. Тем не менее, использование спутного воздушного потока позволяет существенно увеличить дальность размывающего действия струи.
Здесь наличие в струе воздуха, скорее всего, позволяет уменьшить сопротивление движению струи на стенках и своде грунтовой прорези. Необходимо учесть, однако, что на данной модели измерения производились на модели прорези, открытой с концевого торца, то есть применительно к «сквозной» схеме струйного размыва.
При наличии «тупиковой» прорези (рис. 3.7) размывающая струя, отражаясь от забоя, движется далее в обратном направлении.
Рис. 3.7. Движение водяной струи в искусственном воздушном потоке по тупиковой схеме в модели грунтовой прорези 1 - монитор; 2 - лоток; 3 - свод прорези; 4 - водяная струя в искусственном воздушном потоке; 5- вода; 6- воздух
При этом возможны две схемы: обратная струя раздваивается и обтекает с двух сторон встречную струю в плане, на том же уровне, расширяя прорезь, или же обратная струя движется ниже размывающей струи. В первом случае воздух в конце прорези всплывает вверх, но обратная струя испытывает большое сопротивление движению от боковых стенок и свода прорези, создавая также сопротивление встречному движению размывающей струи. Во второй возможной схеме возвратная струя испытывает меньшее сопротивление, так как может менять свое сечение в размытой прорези; при этом она также уширяет ранее размытую прорезь. Воздух в тупиковой прорези также вынужденно движется в обратном направлении, заполняя нижнюю часть прорези. Поскольку всякое свободное движение происходит по пути наименьшего сопротивления, то, по-видимому, реально осуществляется именно вторая схема. В этом случае воздушный поток действительно экранируй размывающую струю от окружающей жидкой среды в прорези, уменьшая сопротивление движению струи. Таким образом, в случае «тупиковой» грунтовой прорези имеют место закономерности движения струи в закрытой камере. При этом требуются определенные энергетические затраты на движение возвратных потоков воды и воздуха.
Закономерности движения водяной струи в спутном воздушном потоке, и размываемой грунтовой полости можно по результатам обработки измерении пыразить рядом зависимостей.
Анализ таких зависимостей показывает, что интенсивность падения знамений импульса I и интегральной характеристики осредненной плотности М по длине струи чрезвычайно высока.
Следует отметить, что для водовоздушных струй, описанных выше, физическая модель иная, чем для водяных струй в спутном воздушном потоке, так как для последнего случая разрушение грунтов на начальном участке и н начале основного участка струи производится относительно компактным потоком, а разрушение плотных грунтов изначально водовоздушной струей требует сверхвысоких скоростей истечения. В этом заключается разница между водовоздушными струями и водяными (в общем случае - жидкостными) струями в спутном воздушном потоке. Хотя водяная (жидкостная) струя в смутном воздушном потоке на определенном расстоянии от насадки превращается в водовоздушную - вследствие дробления ее на отдельные капли, тем не менее качественные и количественные закономерности движения этих струй различны. Однако в легко размываемых грунтах водовоздушная струя может быть более эффективной.
