Determining the mechanism for generating cavitation pressure fluctuations in throttle devices at high-head throttling of liquid

Abstract

The object of this study is the process of generating cavitation pressure fluctuations behind the throttle device at high-head throttling of liquid. This paper addressed the problem of calculating the amplitude of cavitation pressure fluctuations at high-pressure liquid throttling. It was established that cavitation pressure fluctuations are a consequence of collisions of discrete masses of a transiting liquid jet in the region of pressure recovery. The range of cavitation pressure fluctuations reaches the pressure values at the inlet to the throttle device. The frequency band of cavitation pressure fluctuations is in the range from 1.5 to 20 kHz and higher. At high-head throttling of the liquid, caverns attached to the surface of the throttle channel, moving caverns and small bubbles in the transit flow are formed. Moving caverns compress the transit flow and divide it into separate fluid blocks. In the region of pressure restoration, the moving caverns are slammed shut and discrete fluid blocks collide. This causes high-frequency pressure fluctuations. Special feature of the results is the possibility of estimating the range of cavitation pressure fluctuations depending on the pressure drop on the throttle device. When the back pressure on the throttle device increases, the amplitude of cavitation pressure fluctuations decreases, and the frequency band shifts to the high-frequency region. The results make it possible to calculate the range of cavitation oscillations, to predict the development of cavitation erosion of materials depending on the parameters of throttling of the working fluid. The results of the work are used to design devices for cleaning products from contamination, for determining the volume content of water in aviation fuel, for intensification of technological processes in the chemical and food industries.

Об’єктом дослідження є процес формування кавітаційних коливань тиску за дросельним пристроєм при високонапірному дроселюванні рідини. У даній роботі розглянуто задачу розрахунку амплітуди кавітаційних коливань тиску при дроселюванні рідини під високим тиском. Встановлено, що кавітаційні коливання тиску є наслідком зіткнень дискретних мас пролітного струменя рідини в області відновлення тиску. Діапазон кавітаційних коливань тиску досягає значень тиску на вході в дросельний пристрій. Смуга частот кавітаційних коливань тиску знаходиться в діапазоні від 1,5 до 20 кГц і вище. При високонапірному дроселюванні рідини утворюються каверни, прикріплені до поверхні дросельного каналу, рухомі каверни і дрібні бульбашки в транзитному потоці. Рухомі каверни стискають транзитний потік і ділять його на окремі блоки рідини. У зоні відновлення тиску рухомі каверни закриваються, і дискретні блоки рідини стикаються. Це викликає високочастотні коливання тиску. Особливістю результатів є можливість оцінки діапазону кавітаційних коливань тиску в залежності від перепаду тиску на дросельному пристрої. При збільшенні протитиску на дросельному пристрої амплітуда кавітаційних коливань тиску зменшується, і смуга частот зміщується у високочастотну область. Отримані результати дають змогу розрахувати діапазон кавітаційних коливань, прогнозувати розвиток кавітаційної ерозії матеріалів залежно від параметрів дроселювання робочої рідини. Результати роботи використані для розробки пристроїв для очищення продуктів від забруднень, для визначення об'ємного вмісту води в авіаційному паливі, для інтенсифікації технологічних процесів у хімічній та харчовій промисловості.