Свободная незатопленная водяная струя

Свободные незатопленные водяные струи издавна используются для oткрытой разработки грунта гидромониторами, а также для добычи полезных ископаемых.
Так, например, свободные незатопленные струи используются при подземной добыче угля в шахтах, с помощью специальных гидромониторов, перемещаемых по штрекам.
Разработана также технология скважинной гидродобычи угля. Здесь, для создания условий использования незатопленных водяных струй, под землей искусственно создаются камеры, заполняемые подаваемым сжатым воздухом.

В последние десятилетия получила интенсивное распространение «Техноногия струйного резания». В настоящее время известно использование свободных незатопленных водяных струй для резания металлов, минеральных пород, угля, кожи, картона и пр.

Движение водяной струи в воздушной среде определяется скоростью истечения, диаметром насадки и степенью турбулентности потока перед насадкой. В зависимости от этих характеристик меняется характер взаимодействия струи с окружающей воздушной средой.

Существует условное разделение свободных незатопленных водяных струй в зависимости от давления перед насадкой:

• струи низкого давления - при давлении до 1 Мпа,
• струи среднего давления - 1-5 МПа,
• струи высокого давления - 5-60 МПа,
• струи сверхвысокого давления - более 60 Мпа.

Для струй низкого давления характерны гладкая поверхность и прозрачность на начальном участке. На определенном расстоянии от насадки на поверхности струи образуются волны, амплитуды которых нарастают по длине струи, в результате происходит отрыв отдельных капель, а затем дробление на капли всего объема воды и далее - факельное распыление раздробленной струи. Поэтому в свободной незатопленной струе выделяют участки компактного движения, дробления и распыления.

Характер распада струи, описанный выше, называют волновым. При увеличении начальной скорости струи длина компактного участка уменьшается.

В струях высокого давления компактный участок практически отсутстствует. В этом случае характер распада струи определяется как турбулентный распыл.

В монографии С. С. Шавловского приводятся экспериментальные зависимости для расчетного определения применительно ко всем указанным выше видам струй их характеристик, таких как длина начального участка, осевое динамическое давление, среднее и суммарное по сечению динамическое давление, средняя плотность жидкой струи и сила действия струи на плоскую преграду.

Следует отметить, что экспериментальные зависимости для определения характеристик свободной незатопленной струи существенным образом связаны с методикой измерений отдельных величин, таких как динамическое давление и средняя плотность раздробленной струи. Это определяется тем, что раздробленная жидкая струя вовлекает в свое движение окружающие её массы воздуха, и фактически имеет место движение двухкомпонентного потока. Поэтому необходимо, чтобы конструкция измерительных устройств адекватно учитывала это обстоятельство.

На интенсивность турбулентного распада струи влияют форма и размеры насадки, а также участка движения потока перед насадкой. Для уменьшения турбулизации потока перед насадкой в гидромониторах обычно устанавливают успокоители различной конструкции. Это делается с целью уменьшения им тенсивности расширения струи и соответствующего падения ее динамический, давления. Турбулентность струи характеризуется числом Фруда Fr.

В работе К. Янайда показано, что диаметр раздробленной незатопленной водяной струи пропорционален квадратному корню из расстояния от насадки. Там же приводятся аппроксимации поперечных профилей динами ческих параметров струи по формуле Шлихтинга.

В 50-х гг. в Ленинградском Горном институте была испытана струйная насадка, имевшая кольцеобразный зазор, через который подавался сжатый воздух, причем скорости истечения водяной и воздушной струи были одинаковыми. В результате эксперимента было установлено увеличение длины начального участка на 10... 15%.

Во многих исследованиях характеристики свободных незатопленных струй, используемых для разрушения различных материалов, рассматривав и в связи со свойствами указанных материалов.

Существует большое количество работ, посвященных очистке поверхностей с помощью высокоскоростных струй жидкости. Так, в работе X. Луш и и В. Шикорра  делается попытка вывести гидродинамическую теорию очистки поверхностей с помощью водяных струй.

Имеется большое количество работ, посвященных струйной очистке поверхностей с использованием абразивных материалов, транспортируемы водяными струями.

В технологии струйного резания выделено также направление: использование  высокоскоростных водяных струй с абразивными частицами для резания различных материалов. Как указано выше, движение водяной (в общем случае - жидкостной) струи в воздушной среде представляет собой сложное явление, связанное с распадом струи, вовлечением воздуха, дроблением водных образований на все более мелкие объемы, пульсациями локальных значений средней плотности пока. При фотографировании с очень маленькими экспозициями низкоскоростных струй, которые визуально выглядят как сплошной поток, отчетливо наблюдается поток дискретных шарообразных образований, а гидромониторные струи на фотографиях окружены широким ореолом оторванных от основного потока капель. Теоретически учесть все эти процессы сложно. Однако с учетом того, что все они взаимно связаны и взаимно обусловлены, можно принять упрощенную модель явления с целью его формализации. Для этого необходимы некоторые допущения.

В первую очередь, принимается обычное в теории струй допущение о квазистационарности течения, то есть предполагается постоянство во врени локальных значений определяющих характеристик в каждой точке, а также непрерывное изменение их по длине и сечениям струи. Здесь важно отметить, что осреднение по времени локальных характеристик должно опираться на четкие физические представления. Так, например, осреднение по времени скоростей в какой-то точке объема раздробленной струи означало бы, что осредняются скорости дискретных водных образований и увлекаемого ими воздушного потока, то есть скорости разных сред с существенно с различными плотностями. Однако динамическое давление, создаваемое потоком в конкретной точке пространства, может быть осреднено по времени, так же как и плотность потока в данной точке, ибо эти величины могут быть достоверно измерены приборами, и потому имеют физический смысл.

Осредненную по времени плотность водовоздушного потока ρ в некоторой  точке пространства можно представить следующим выражением:

                  (3.10)

ρ_w - плотность воды, кг/м3; ρ_a - плотность воздуха, кг/м3; C - концентрация воды в единице объема потока.

Как известно, удельную кинетическую энергию Е в произвольном сечении сплошного потока можно выразить следующим образом:

                  (3.11)

Для водовоздушного раздробленного потока, где, как мы установ выше, значение средней по сечению скорости v трудно увязать с прин физической моделью, удельную кинетическую энергию Е целесообразно выражать через интегральные характеристики:

               (3.12)

где I - интегральная по сечению характеристика динамического давлении потока Р;

                       (3.13)

М - интегральная по сечению характеристика осредненной плотности потока ρ;

                  (3.14)

Р - осредненное по времени гидродинамическое давление потока в точке, Па.

Выражения (3.13) и (3.14) позволяют получить интегральные характеристики раздробленной струи I и М на основе результатов экспериментальных измерений значений динамического давления Р и осредненной плотности ρ в различных точках сечения.

Тогда можно экспериментально получить потери энергии h_w в конкретном сечении струи на любом расстоянии от насадки:

                (3.15)

где I₀ и М₀ - значения I и М в начальном сечении струи на срезе насадки;

                     (3.16)

                     (3.17)

Таким образом, для любых водяных струй в воздушной среде можно но лучить расчетные зависимости, пользуясь выражениями (3.12) - (3.17).