Способ и устройство для исследования свободных гидравлических струй

Название	Способ и устройство для исследования свободных гидравлических струй
Разработчик (Авторы)	Арсибеков Дмитрий Витальевич, Болтовский Андрей Витальевич, Карманчиков Александр Иванович, Кузьмин Григорий Геннадьевич, Кузнецов Николай Павлович, Юртиков Роман Алексеевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2796762
Дата регистрации	29.05.2023
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет"
Область применения (класс МПК)	G01N 33/18 (2006.01) G03B 41/00 (2006.01) B05B 1/02 (2006.01) G06T 7/00 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к экспериментальной технике и может быть использовано для оптимизации генерируемых водяных потоков, в том числе для струй, используемых при проведении пожарных или аварийных спасательных работ.

Эффективность тушения пожаров при использовании лафетных стволов определяется дальностью боя отдельной струи, что определяется гидродинамическими параметрами струи, характеристиками ее движения и распада. Принято считать, что характеристики ее движения и распада зависят от условий и факторов, при которых происходит формирование потока жидкости и подводящих каналах силового устройства (генератора), в струеформирующем устройстве (лафетном стволе) [1-2].

Рациональная конструкция струеформирующего устройства обеспечивает эффективное использование подводимой потенциальной гидравлической энергии (давление жидкости на входе в струеформирующее устройство), которая создается генератором и передается через струеформирующую насадку (лафетный ствол) струе, преобразуясь в кинетическую энергию жидкости [3].

Системы пожаротушения, использующие лафетные стволы, имеют насосные установки, цистерны и баки для огнетушащих веществ, трубопроводную арматуру, систему забора воды и систему ее подачи. Все эти элементы объединены трубопроводами. В работе [4] дается описание экспериментального стенда по исследованию свободных гидравлических струй, который может быть взят за аналог.

Первая исследовательская задача с использованием стенда – аналога состояла в экспериментальном определении длины водяной струи в зависимости от целого ряда факторов. Прежде всего, исследовалось влияние геометрических особенностей пожарных стволов, насадок давления, расхода и угла подачи жидкости, иных внешних факторов.

Одной из важнейших задач при оптимизации свободной гидравлической струи является увеличение длины начального участка струи, так называемого участка сплошности струи. Для этого необходимо определить механизм разрушения этой части струи, определить условия при которых происходит отрыв капли от водяной струи во время переноса пламегасящей жидкости от пожарного ствола до очага возгорания. Решение этой задачи позволило бы управлять водяной струей. Такое управление позволит перенести пламегасящую жидкость в нужном количестве и в нужном состоянии (определенной дисперсностью) и на нужное в каждом конкретном случае расстояние. Авторы статьи [4] утверждают, что разработанный ими стенд позволяет это сделать. Однако исключить из перечня факторов, влияющих на устойчивость сплошного (компактного) участка струи такого фактора (параметра) как коэффициент поверхностного натяжения говорит о том, что авторы разработанного стенда не совсем представляют себе физику разрушения струи [4]. Именно коэффициент динамической вязкости и коэффициент поверхностного натяжения являются основными факторами, влияющими на дальность боя струи [5].

Для исследования свободной гидравлической струи в первую очередь необходимо изучить ее структуру, процесс ее разрушения. Описанный [4] стенд это сделать не позволяет. Для решения этой задачи необходимо не только устройство, создающее свободную гидравлическую струю, но и систему фиксации геометрии струи, например, с помощью фотокиносъемки. Полученные в результате этого фотографии могут быть обработаны, используя RGB технологии, для выявления особенностей границы свободной гидравлической струи, как эти технологии были использованы для исследования структуры сверхзвуковой струи [6-8]. Однако струя является прозрачной и для изучения ее структуры необходимо использовать специальные оптические системы подсветки струи, или специальные методы фотографирования, так называемые теневые фотографии, получаемые с применением теплеров [9]. Использовать технологию теневых фотографий для изучения структуры гидравлической струи на всем ее протяжении является технически трудновыполнимым. Поэтому более приемлемым является способ подсветки тела струи: свет, попав в струю в ее начале далее распространяется по струе, как по световоду, поскольку свет частично отражается от границы - поверхности струи. Подсвеченная струя имеет более высокую контрастность и может быть более качественно сфотографирована, а, соответственно, и сами фотографии участков свободной гидравлической струи могут быть более качественно обработаны с использованием RGB технологий.

С другой стороны, в ряде работ, например, в монографии [2] отмечается, что устойчивость гидравлической струи характеризуется качеством поверхности тракта генератора струи (сопла, лафетного ствола), а также характером динамических процессов, протекающих в самой струе [1]. Такие процессы в первую очередь определяются характером «движущей силы», создающей струю, природой давления на выходе из лафетного ствола, механизмом создания самой струи. Струя может создаваться как за счет гидравлического напора, создаваемого насосом, так и за счет вытеснительной системы подачи жидкости. Различные механизмы подачи жидкости в лафетный ствол, возможно, по-разному влияют на динамические процессы внутри струи, в том числе на устойчивость струи. Поэтому эти особенности также подлежат исследованию. Стенд-аналог также не позволяет проводить такие исследования.

Тем самым, для изучения устойчивости свободной гидравлической струи необходимо не только изучать поведение поверхности струи, но и моделировать динамические воздействия на тело струи, обусловленные тем или иным способом подачи жидкости в лафетный ствол. Это достигается тем, что напор в свободной гидравлической струе создается либо поршневым насосом или шестеренчатым насосом с варьируемыми параметрами напора (величина номинального давления), амплитуды и частоты пульсаций давления. Сама струя подсвечивается, причем источник света находится в тракте подвода жидкости в насадок (лафетный ствол), из которого и истекает свободная гидравлическая струя. При этом, ограничивающая тело струи поверхность выполняет функции оптического волокна. Подсвеченная таким образом струя может быть сфотографирована, что позволяет зафиксировать состояние поверхности струи. Полученные таким образом фотографии обрабатываются с использованием RGB технологий.

Сказанное выше было реализовано в заявке на изобретение № 2015155184 от 22.12.2015 материалы которой могут быть приняты за прототип [10].

Способ исследования свободной гидравлической струи по [10] основан на фотографировании отдельных участков струи цифровым фотоаппаратом и обработкой полученных фотографий, используя для этого программное обеспечение RGB технологий, причем для повышения контрастности фотографий струя жидкости подсвечивается, а в саму струю могут добавляться добавки, изменяющие физические параметры жидкости, а также оказываться управление такими параметрами в струе, как амплитуда и частота пульсаций давления напора, с которым струя подается в насадок.

Устройство, реализующее способ, содержит генератор свободной гидравлической струи, состоящей из насадка, устанавливаемого под углом к плоскости горизонта и системы подачи воды под напором в насадок, причем участок трубопровода подачи воды в насадок выполнен прозрачным для подсветки, текущей по трубопроводу жидкости. С этой целью источник света в виде удлиненной лампы и участок трубопровода с прозрачной стенки располагают внутри эллиптического цилиндра с зеркальной внутренней поверхностью таким образом, что ось оптического участка трубы, и продольная ось источника света проходят через фокусы поперечного сечения эллиптического цилиндра. При этом, для варьирования физическими параметрами жидкости устройство имеет дозатор подачи добавок.

В качестве недостатков прототипа предлагаемого изобретения можно указать следующие:

1) способ и устройство его реализующее не позволяют управлять процессом формирования струи, управлять ее физическими параметрами, кроме цвета формируемой струи;

2) устройство—прототип позволяет исследовать струю жидкости, истекающей из модельного насадка, а результаты таких исследований должны быть использованы для натурных лафетных стволов, поэтому в качестве насадка необходимо предусмотреть возможность использования штатного лафетного ствола.

3) устройство-прототип в виду масштабного фактора не позволяет изучать (фотографировать) состояние струи по всей траектории ее движения;

4) устройство-прототип не позволяет исследовать влияние различных конструктивно – компоновочных схем лафетных стволов на характеристики свободной струи;

5) устройство-прототип имеет сложную конструктивно-компоновочную схему узла подсветки струи.

От этих недостатков свободен способ исследования свободной гидравлической струи, состоящий в изучении структуры гидравлической струи, истекающей из насадка, в качестве которого возможно использование типичного (штатного) лафетного ствола, путем обработки фотографий участков струи по всей ее траектории, для чего фотографирование производится из корзины, перемещаемой по вертикали и горизонтали в плоскости, параллельной плоскости струи, а оптическая ось фотоаппарата пересекает под прямым углом центральную ось струи, причем подсветка струи осуществляется световым пучком, подаваемым перпендикулярно плоскости струи вблизи ее выхода из лафетного ствола. Параллельно плоскости струи и оппозитно плоскости перемещения корзины с фотоаппаратом расположена плоскость с координатной сеткой, причем световой поток от источника подсветки исследуемой свободной струи не засвечивает координатную сетку для чего в этой плоскости выполнено отверстие. Такое техническое решение позволит не только сфотографировать с помощью фотоаппарата отдельные участки струи, но и зафиксировать на каждой фотографии координатную сетку, что позволяет легко позиционировать этот участок струи относительно всей траектории струи и определить геометрические параметры конкретного сфотографированного ее участка. Тем самым, в процессе исследования свободной гидравлической струи будет проводиться фотографическая фиксация отдельных участков струи с целью дальнейшей обработки фотографических изображений. При этом, формирование исследуемой струи осуществляется в два этапа: в узле изменения физико-механических свойств жидкости на первом этапе, и непосредственно в насадке (лафетном стволе), реализующем второй этап подготовки (формирования) струи жидкости. Поскольку известно, что коэффициент динамической вязкости и поверхностного натяжения являются основными факторами, влияющими на дальность боя струи [5], поэтому целесообразным является добавлять в жидкость струи при изучении ее свойств добавки, меняющие указанные выше характеристики, как это предлагается в патенте РФ на изобретение № 2530424 [11], в соответствии с которым эти добавки названы ингибиторами. Для повышения контрастности границы струи возможно изменять и цвет жидкости с помощью введения в ее состав тех или иных красителей, не меняющих физико-механических характеристик струи, влияющих на дальность ее боя. С другой стороны, из баллистики известно, что вращение твердого тела (снаряда, пули, ракеты и т.д.) в атмосфере придает более устойчивый характер движения тела по траектории. Струю жидкости можно считать псевдотвердым телом, поэтому можно предположить, что придание струе жидкости вращательного движения ее тела позволит повысить ее устойчивость движения, о чем говорит устойчивость существовании «хобота» смерча в природе.

Исходя из сказанного, следует, что перспективным является закрутка потока жидкости в рамках первого этапа формирования исследуемой струи в узле изменения физико – механических свойств жидкости. Поэтому целесообразно оценить влияние вращательно-поступательного движения струи, на ее устойчивость.

Способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из источника гидравлической свободной струи, насадка (лафетного ствола) 1, устанавливаемого под углом А к горизонту, соединенного гидравлическим трактом с узлом формирования физико-механических свойств жидкости 2, в который жидкость подается с помощью привода 3. Фиксация положения истекающей из источника 1 свободной гидравлической струи 4 производится с помощью цифрового фотоаппарата или видеокамеры 5. Для повышения контрастности выявления границы струи и самого тела струи на выходном срезе насадка 1 производится подсветка струи световым потоком в направлении перпендикулярном плоскости траектории струи от прожектора или иного активного источника света 6. Полученные фотографии обрабатываются в процессоре 7 с использованием соответствующего программного обеспечения, реализующего RGB технологии обработки фотографических изображений.

Для определения геометрических параметров струи в устройство входит плоскость 8, параллельная плоскости траектории струи и оппозитно ей установленная с координатной сеткой 9. Схема исполнения узла формирования струи приведена на фиг.2. Узел формирования струи (узел формирования физико – механических свойств жидкости) является устройством, которое закручивает поток жидкости и придает вращательное движение в теле свободной гидравлической струи. Узел состоит из корпуса 10, в который жидкость поступает по патрубку 11. В корпусе 10 закреплены элементы, обеспечивающие закрутку потока, обозначенные на фиг. 2 позицией 12. На корпусе 10 установлен узел – дозатор 13 подачи в жидкость ингибиторов, изменяющих ее вязкость и коэффициент поверхностного натяжения, а также узел - дозатор изменения цвета жидкости в струе 14. Из узла формирования струи по патрубку 15 жидкость подается в насадок устройства (позиция 1 фиг.1).

Подача жидкости в патрубок 11 может быть произведена двумя способами – либо насосами, либо за счет вытеснительной системы подачи. Схема подачи жидкости в узел формирования струи приведена на фиг. 3.

В зависимости от выбранного способа подачи жидкости в выходной патрубок 16 узла подачи жидкости осуществляется путем открытия одного из запорных вентилей 17 или 18. В соответствии с фиг.3 вентиль 17 открывает подачу жидкости либо от поршневого насоса 19, либо от центробежного насоса 20 из магистрали 21. Система вытеснительной подачи жидкости состоит из резервуара 22, в котором залита жидкость 23. На резервуаре установлен газогенератор 24 с регулятором давления 25. Для подачи жидкости из резервуара 12 в патрубок 16 служит трубопровод 26. Для регулирования параметрами подаваемой в генератор свободной гидравлической струи жидкости с помощью насосов, каждый из них снабжен системой управления его параметрами, соответственно обозначенными на фиг.3 позициями 27 и 28. Система управления работой насосов позволяет управлять величиной давления жидкости, амплитудой и частотой пульсаций давления используемой жидкости.

Работает устройство следующим образом.

Для работы устройства необходимо провести предварительные операции:

1. Выбрать способ подачи исследуемой жидкости в насадок (лафетный ствол): насос поршневой или шестеренчатый; либо вытеснительную систему подачи.

2. Определить параметры подачи жидкости в насадок - генератор свободной гидравлической струи: величину давления подачи жидкости или программа его изменения; амплитуду пульсаций давления жидкости; частоту пульсаций давления.

3. Установить угол возвышения оси насадка (лафетный ствол) над плоскостью горизонта.

4. Выбирается тот или иной ингибитор, изменяющий коэффициенты вязкости и поверхностного натяжения жидкости, которым заполняется резервуар узла подачи – ингибитора. В случае необходимости в узел –дозатор красителя заливается соответствующий краситель жидкости.

5. В зависимости от программы испытаний, от выбранного способа подачи жидкости в генератор свободной гидравлической струи открываются те или иные запорные вентили устройства.

После выполнения этих операций устройство готово к работе. Рабочая жидкость подается системой подачи жидкости в узел формирования струи 10. где она закручивается и смешивается с ингибитором изменения коэффициентов вязкости и поверхностного натяжения и красителем. Из узла 10 по тракту 15 жидкость поступает в насадок (лафетный ствол) 1, из которого жидкость выходит в виде свободной гидравлической струи 4. В перпендикулярном плоскости струи направлении вблизи выходного сечения насадка 1 производится подсветка струи жидкости световым потоком от источника (прожектора) 6. С помощью фотоаппарата (позиция 5 на фиг.1) производится фотографирование отдельных участков свободной гидравлической струи за счет перемещения фотоаппарата 5 вдоль траектории струи 4. Для определения геометрических характеристик участков струи фотографирование производится на фоне координатной сетки 9, нанесенной на плоскость 8, которая параллельна плоскости траектории струи 4. После выполнения всей программы фотографирования участков гидравлической струи весь пакет полученных фотографий обрабатывается процессором 7 (фиг.1), используя программное обеспечение RGB технологий. В ходе обработки фотографий выявляется структура свободной гидравлической струи, в том числе динамики изменения поверхности свободной гидравлической струи, процесс разрушения струи путем дробления струи на отдельные жгуты и капли.

В ходе исследования механизма распада свободной гидравлической струи необходимо выработать метод управления геометрией свободной гидравлической струи, в том числе, как отмечалось выше, за счет использования различных добавок, которые могут изменить прозрачность струи, ее цвет. Поэтому для повышения контрастности фотографий, цветовой фон плоскости, на которой нанесена координатная сетка, нужно подбирать, исходя из максимальной контрастности изучаемой струи на цветовом фоне плоскости, на котором нанесена координатная сетка. Более того, в качестве изучаемых жидкостей могут быть использованы и такие жидкости, как молоко. Однако, подсветку молока, например, провести затруднительно, но, выбрав темный фон для координатной сетки, можно провести качественное фотографирование струи молока.

Тем самым, предлагаемый способ исследования свободной гидравлической струи и устройство для его реализации позволяет выявить механизм разрушения свободной гидравлической струи, экспериментально определять параметры и факторы, влияющие на устойчивость гидравлической струи.

Список используемых источников

1. Гарпинченко А.М. Пожарная тактика. Часть II. Тушение пожаров на объектах народного хозяйства. Под ред. И.Ф. Кимстача / А.М. Гарпинченко, Н.М. Евтюшкин, И.Ф. Кимстач – М.: Издательство литературы по строительству, 1971. – 287 с.

2. Иванов Е.Н. Противопожарное водоснабжение / Е.Н. Иванов // М.: Стройиздат, 1986. – 316 с.

3. Савченко Н.В. Влияние параметров струеформирующих устройств на компактность струи / Н.В. Савченко, О.М. Яхно, Н.Г. Шкарабура // Процессы механiчной обробки в машинобудуваннi, выпуск 3, 2006. – С.232-244.

4. Стась С.В. Создание экспериментального стенда по исследованию свободных гидравлических струй / С.В. Стась // Сб. трудов Черкасского института пожарной безопасности имени героев Чернобыля, г. Черкассы. – С. 82-87.

5. Абросимов Ю.Г., Гидравлика и противопожарное водоснабжение: Учебник /Ю.Г. Абросимов, А.И. Иванов, А.А. Качалов и др. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. – 392 с.

6. Кузнецов Н.П. Определение по результатам анализа фотографии начального участка сверхзвуковой газовой струи ее геометрических и газодинамических параметров / Н.П. Кузнецов, Р.А. Юртиков // Вестник ИжГТУ, № 4(44), 2009. – С. 8-11.

7. Кузнецов Н.П. Использование цифровых технологий для анализа структуры начального участка сверхзвуковой газовой струи / Н.П. Кузнецов, Р.А. Юртиков // Вестник ИжГТУ, № 3(44), 2009. – С. 8-11.

8. Кузнецов Н.П. Испытание ракетных двигателей твердого топлива. В двух частях: Часть вторая. – Стендовые огневые и летные испытания / Н.П. Кузнецов, В.И. Черепов, А.Е. Калинников, А.Л. Ахтулов, В.А. Николаев, С.Н. Храмов, В.Г. Исаков, М.Г. Смирнов. Под общей редакцией Н.П. Кузнецова. – М.: - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011. – 668 с.

9. Васильев Ю.Н. Теневые методы / Ю.Н. Васильев // - М.: Наука, 1968. – 400с.

10. Заявка на предполагаемое изобретение № 2015155184 от 22.12.2015. Способ и устройство для исследования свободных гидравлических струй / Р.В. Дегтярев, Н.П. Кузнецов, Р.А. Юртиков, П.М. Фомин. МПК 6 В 05 В 1/02.

11. Патент РФ на изобретение № 2530424. МПК А 62 С 37/00. Способ тушения пожаров и устройство для его осуществления / Н.П. Кузнецов, А.Н. Буравов, И.Б. Ахмадуллин, Е.Б. Бухтулова.

Формула изобретения

1. Способ исследования свободной гидравлической струи, истекающей из насадка при различных углах его установки относительно плоскости горизонта, в том числе с целью выявления механизма распада сплошной струи на капли, основанный на фотографической фиксации фотографического изображения отдельных участков струи, для чего осуществляется ее подсветка на начальном ее участке у среза насадка струи световым пучком в направлении, перпендикулярном плоскости траектории струи, причем на входе в насадок потоку жидкости придается вращательное движение, а полученные таким образом контрастные фотографии обрабатываются, используя программное обеспечение RGB технологий, для выявления структуры струи и состояния ее граничной поверхности, при этом, для выявления влияния физических параметров жидкости на механизм распада струи, в жидкость, формирующую струю, могут быть введены добавки, изменяющие параметры жидкости и такие динамические характеристики жидкости, как пульсации давления в струе, характеризуемые амплитудой и частотой пульсаций.

2. Устройство для исследования свободных гидравлических струй, истекающих под напором из насадка, расположенного под углом к плоскости горизонта, содержащий систему управления такими физическими параметрами струи, как давление напора и расход жидкости, отличающееся тем, что насадок соединен гидравлическим трактом с узлом формирования физико–механических свойств жидкости, в корпусе которого закреплены элементы, придающие вращательное движение свободной гидравлической струе, а для подсветки свободной струи в состав устройства входит источник светового потока, располагаемый вблизи среза насадка таким образом, чтобы создаваемый им световой поток был бы перпендикулярен плоскости траектории свободной гидравлической струи, причем для изменения физических параметров жидкости устройство содержит дозатор для подачи в жидкость добавок, изменяющих ее физические параметры, а устройство выполнено с возможностью фиксации состояния поверхности струи и ее структуры цифровым фотоаппаратом, путем перемещения фотоаппарата вдоль струи в плоскости, параллельной плоскости траектории струи, при этом, в устройство входит плоскость, оппозитно установленная плоскости перемещения фотоаппарата, на которую нанесена координатная сетка для пространственного позиционирования участков свободной гидравлической струи, а для обработки фотографий в устройство входит процессор, который обрабатывает фотографии, используя программное обеспечение RGB технологий.

Изобретение " Способ и устройство для исследования свободных гидравлических струй" (Арсибеков Дмитрий Витальевич, Болтовский Андрей Витальевич, Карманчиков Александр Иванович, Кузьмин Григорий Геннадьевич, Кузнецов Николай Павлович, Юртиков Роман Алексеевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога