Строение и основные размеры струи для размыва пород

16.06.2018
Струя воды при выходе из насадки переходит в совершенно иные условия, так как ее окружает воздушная среда с малой плотностью и движется подобно свободным незатопленным струям. Струя начинает расширяться, а на ее поверхности от трения о воздух возникают волны и вихревые потоки, которые отделяют от струи водяные капли и струйки, способствуя проникновению в струю воздуха, в результате она постепенно рассеивается. По мере удаления от насадки диаметр струи увеличивается, а плотность, скорость, напор и оказываемое струей динамическое давление уменьшаются. По длине струи можно выделить три основных участка (рис. 85). В первом, начальном участке в середине струи сохраняется плотный, постепенно сужающийся водяной поток, который в осевой части имеет наибольшую скорость и наибольшее осевое динамическое давление. К внешней поверхности струи плотность ее, скорость и давление уменьшаются.

Длина начального участка струи (ядра), по наблюдениям, определяется по уравнению

где d — диаметр насадки, см;

A и B — опытные коэффициенты, зависящие от конструкции и размеров ствола и насадки.

Re = vd/v — число Рейнольдса для сечения струи около насадки;

v — скорость вылета струи из насадки, см/сек;

v — кинематический коэффициент вязкости, см2/сек.

Осевое динамическое давление р и общее давление струи на всем

начальном участке P относительно постоянны, равны давлению при выходе из насадки и определяются уравнениями:

где у — масса 1 м3 воды, кг;

v — скорость вылета струи, м/сек;

S — площадь сечения насадки, см2.

Исследованиями установлено, что наибольшую длину начального участка струя имеет при диаметре насадки

На втором, основном участке водный поток, насыщаясь воздухом, постепенно распадается на отдельные струи, ядро исчезает, а у поверхности струи наблюдается выделение капель. Строение струи на основном участке взаимосвязано со строением начального участка. Изменение осевого динамического давления по длине струи определяется коэффициентом снижения осевого давления ф, который определяется по уравнению

где р, pl — соответственно осевое динамическое давление у насадки и на расстоянии l от насадки, кгс/см2;

l — расстояние от насадки до сечения, для которого определяется осевое давление, м;

k = 0,5—0,85 — показатель быстроты распада струи; при улучшенных успокоителях и плавных переходах значения его ближе к меньшему пределу.

На рис. 86 гиперболическая кривая 1 характеризует изменение осевого давления при построении в безразмерных координатах, т. е. в функции pl/p и l/lн. Кривая 2 построена в логарифмических координатах, поэтому эта закономерность представлена прямой.

На третьем, последнем участке распада струи происходит большое насыщение воздухом ее осевой части, струйчатая часть исчезает, и вся струя переходит в каплеобразное состояние, поэтому цвет ее приобретает беловатый оттенок.

Общее динамическое давление всей струи на стенку динамометра, перпендикулярную направлению полета, изменяется по данным наблюдений согласно кривым, изображенным на рис. 85. Если принять давление струи на стенку вблизи насадки за 100%, то при удалении динамометра на 3—5 м общее давление увеличилось до 105—112%, что объясняется понижением воздушного давления у стенки. Это наибольшее давление было на 2—4% меньше теоретического. При дальнейшем удалении динамометра общее давление струи постепенно уменьшается и на расстоянии 20 м составляет 54—84% наибольшего. Уменьшение общего давления связано с рассеиванием энергии струи, которая расходуется на преодоление трения о воздух и на преодоление сопротивления внутри струи от вязкости при движении слоев, при этом в струях меньшего диаметра снижение давления происходит в большей степени (см. рис. 85).

Коэффициент изменения общего давления на основном участке струи ф.

где Р, Pl — соответственно общее теоретическое давление струи около насадки и общее давление струи на стенку на расстоянии l от насадки, кгс/см2;

l — расстояние от насадки до стенки, м.

На рис. 85, в приведены кривые изменения среднего диаметра струи в зависимости от расстояния от насадки. Струя большего диаметра рассеивается относительно более медленно, вследствие чего на большей протяженности сохраняется более высокая ее плотность и возрастает дальность полета. Явление рассеивания наиболее удобно характеризовать коэффициентом рассеивания рп = D2/d2, который равен отношению площадей сечения струи к сечению насадки и коэффициентом удельного рассеивания рy = D/d2l, равным отношению коэффициента рассеивания к длине струи. Рассеивание струи определяется также углом конусности струи е (рис. 85).

С уменьшением рассеивания струи плотность ее сохраняется в большей степени, поэтому возрастает ее работоспособность.

Отдельные авторы явление рассеивания струи характеризуют понятием компактности струи. Величина компактности струи обратно пропорциональна коэффициенту удельного рассеивания.

Замерить диаметр струи сложно, поскольку между струей и окружающими ее брызгами и водяным туманом нет четкой границы. Поэтому показатели струи, связанные с определением диаметра, например среднее удельное давление, обладают значительно меньшей точностью по сравнению с показателями осевого удельного давления. По этим причинам в основу расчета размеров струи следует принимать осевые давления.

Диаметр струи, образующийся во время ее полета, приближенно определяется по уравнению

где D — диаметр струи на расстоянии l от насадки, м;

d — диаметр насадки, м;

v — скорость истечения из насадки, м/сек;

l — расстояние от насадки до расчетного сечения, м.

В поперечном сечении струи скорость потока изменяется по схеме рис. 85. На осевой части выдерживается наибольшая скорость, которой и соответствует наибольшее осевое удельное давление, а к поверхности удельное давление уменьшается и у самой поверхности мало.

Общее давление струи на стенку зависит не только от диаметра насадки и величины напора, но и от расстояния до стенки и от угла встречи, образуемого струей со стенкой, и неровности — ее поверхности, влияющей на направление отражения струи. Это общее давление определяется уравнением

где р — удельное (осевое) давление у насадки, кгс/см2;

S — площадь сечения струи у насадки, см2;

ф — коэффициент снижения общего давления в зависимости от расстояния до стенки; а — угол встречи струи с поверхностью забоя, град (рис. 87, б);

а1 — угол отражения струи, град (рис. 87, в).

С уменьшением угла встречи а общее давление на стенку уменьшается (рис. 87, б). При ударе о неровную поверхность, имеющую углубления (рис. 87, в и г), водный поток отражается от стенки, отчего общее давление увеличивается в зависимости от величины угла отражения а1 (см. рис. 87, в); наибольших значений давление достигает при угле а1 = 90° (рис. 87, г).

Во время полета на струю действует сила тяжести и струя описывает в воздухе криволинейную дугу, приближающуюся к параболе. Теоретическая дальность полета струи в безвоздушном пространстве lт определяется уравнением

где v — скорость вылета струи из насадки, м/сек;

o — угол наклона вылета струи к горизонту, град.

Вследствие сопротивления воздуха действительная дальность полета струи меньше теоретической, а наибольшая длина полета достигается при наклоне ствола 30°. В зависимости от направления и силы ветра, а также диаметра насадки эта длина не превышает 85—95% теоретической. При укрупненных расчетах действительную дальность полета струи принимают равной величине напора.

С увеличением диаметра струи уменьшается ее рассеивание, поэтому при одном и том же напоре у насадки струи большего диаметра имеют большую дальность полета и на одних и тех же расстояниях повышается общее осевое и среднее удельное давление на стенку забоя. Так, по наблюдениям, при диаметрах струи 30 и 50 мм и при одном и том же напоре у насадки, равном 50 м, дальность полета струи соответственно составляет 55 и 65 м.

Наличие в струе повышенного осевого давления имеет существенное значение для разрушения пород. На производстве считают, что размывать породу в целике целесообразно на расстоянии от насадки, не превышающем 0,25—0,3 величины напора, поскольку на конечных расстояниях основного участка струи осевое давление мало, размыв пород замедляется, и удельный расход воды увеличивается.