Струи сверхвысокого давления в спутном воздушном потоке

В начале 70-х гг. в Японском институте строительной технологии фирмы «Каджима» были выполнены лабораторные и натурные исследования по новой технологии строительства, получившей название «Метод струйного укрепления» (Jet grouting method). Экспериментально исследовались жидкие струи, вытекающие в жидкую среду в спутном воздушном потоке, при этом использовались следующие значения параметров:

• давления перед насадкой жидкой струи до 70 МПа,
• расходы жидкости до 56 л/мин,
• диаметр жидкостной насадки 2 мм,
• расход воздуха до 7 м3/мин,
• зазор концентричной воздушной насадки 1 мм.

Измерялись динамические давления в струе, а также их распределение по оси струи и по ее сечению. Для сопоставления исследовались, помимо водяных струй в спутном воздушном потоке, также струи воды без спутного (нидушного потока и струи бентонитового раствора (в спутном воздушном потоке и без него). В качестве среды, заполняющей бак, куда подавались струи, использовались вода и бентонитовый раствор.

В результате исследований было установлено, что для свободной затопленной водяной струи динамическое давление по оси струи на расстоянии 20-30 см от насадки падает до 1% его значения перед насадкой. При наличии гидростатического давления в среде интенсивность падения динамического давления в струе увеличивается весьма существенно. При наличии спутного потока воздуха падение динамического давления по оси струи до 1% его первоначального значения происходило на расстоянии 80... 100 см от насадки. Распределение динамических давлений по всем сечениям основного участка струи представляло собой Гауссову кривую.

Для изменения динамического давления по длине оси струи предложена зависимость:

            (3.18)

где X - расстояние от насадки, см; L - длина начального участка, см; P_m - динамическое давление по оси струи, бар; Р₀ - давление перед насадкой, бар; С₁ и С₂ - экспериментальные коэффициенты, значения которых получены для каждого отдельного эксперимента.

На графике (рис. 3.3) показано изменение динамического давления ни оси струи по ее длине для свободной незатопленной водяной струи в водушной среде, водяной струи в спутном воздушном потоке в водной среде, затопленной водяной струи в водной среде.

Рис. 3.3. Изменение относительного динамического давления на оси водяной струи 1 -в воздушной среде; 2 -в водной среде, в спутном воздушном потоке; 3 - в водной среде

Для распределения динамического давления Р по сечению струи авторы предлагают зависимость:

                 (3.19)

где r - расстояние от оси струи по нормали, см; σ- стандартное отклонение распределения динамического давления.

Было установлено, что характеристики движения водяной струи и cтруи бентонитового раствора в данном случае мало отличаются.

Следует отметить, что в данной работе исследовалось движение жидкостной струи в спутном воздушном потоке в практически неограниченной среде и жидкости; при этом происходило расслоение жидкостного и воздушного потоков. Воздушная струя на небольшом расстоянии от насадки начинала искривляться вследствие всплытия воздуха.

Жидкостная струя не была изолирована от окружающей жидкой среды. Таким образом, в данной работе не соблюдались условие однозначности, что совершенно необходимо при моделировании гидравлических явлений. Экспериментальная зависимость (3.18) не обобщена, коэффициенты С₁ и С₂ для каждого эксперимента имеют различные значения. Динамические давления измерялись с точностью до 0,1 МПа. Здесь надо отметить также, что при струйном размыве грунта предельные, пороговые значения динамического давления (при которых прекращается размыв грунта) могут быть значительно ниже. Поэтому, применительно к задачам струйного размыва грунта, наибольший интерес представляют закономерности движения струи в зоне размыва.

В работе с участием тех же авторов приводится зависимость для скорости движения спутного воздушного потока:

                      (3.20)

где u_а - скорость воздуха, м/с; Ма- число Маха.

                  (3.21)

где с - скорость звука.

В дальнейшем в Японии было запатентовано ограничение скорости спутного потока воздуха: Ма ≤0,5. При превышении этого значения эффективность струйного размыва падает.