Условия формирования нестационарных вихревых воронок

Павельев А.А.(1),. Штарёв A.A.(al@3ka.mipt.ru)(2)

(1) Институт Механики МГУ, (2) МФТИ

Выполнено экспериментальное исследование влияния положения сливных отверстий на формирование нестационарных вихревых воронок при истечении жидкости из емкости, диаметр которой был значительно больше диаметра сливного отверстия. Устройства для заполнения ёмкости и открытия сливных отверстий были выполнены таким образом, чтобы открытие сливного отверстия на оси цилиндрической ёмкости непосредственно после её заполнения не приводило к формированию вихревой воронки при истечении жидкости. Было показано, что изменение симметрии течения в емкости при неизменном устройстве для заполнения емкости не приводило к возникновению вихревой воронки при истечении. Исследовалось также формирование вихревых воронок, когда перед открытием сливного отверстия в жидкости вращался погружённый в жидкость диск. В этом случае над сливным отверстием через некоторое время после начала истечения, формировалась вихревая воронка. Это время определялось с помощью цифровой киносъемки, зависело от положения сливного отверстия и возрастало по мере удаления сливного отверстия от оси. Полученные результаты позволяют сделать заключение о сильном влиянии симметрии на формирование вихревых воронок.

Нестационарное истечение из предварительно заполненных жидкостью емкостей через сливные отверстия небольшого диаметра реализуется во многих бытовых и технических устройствах. В некоторых случаях истечение сопровождается образованием у сливных отверстий вихревых воронок. Однако систематических экспериментальных исследований, позволяющих определить причины образования нестационарных вихревых воронок в каждом конкретном случае, выполнено недостаточно. Кроме того, данный вопрос является частью более общей проблемы, которая может быть охарактеризована как определение условий формирования интенсивного вихревого течения в системах, изначально не содержащих таких вихревых течений. Здесь можно отметить вопрос об условиях возникновения таких атмосферных явлений, как тайфуны, торнадо и т.д.

В [1] выделены возможные причины формирования вихревых воронок: действие сил Кориолиса, неустойчивость течения, асимметрия граничных условий и существование вращения в жидкости перед истечением. В [2] особое внимание при образовании вихревых воронок обращено на возмущения в жидкости перед открытием сливного отверстия. Из этих причин экспериментально изученным можно считать действие сил Кориолиса [3,4]. Исследование влияния сил Кориолиса требует, чтобы возмущения, возникшие в жидкости при заполнении ёмкости и открытии сливного отверстия, угасли до уровня меньшего, чем скорость вращения Земли в том месте, где проводится эксперимент. В [3,4] для этого приходилось выдерживать жидкость после заполнения не менее 24 часов.

В [5] исследовалось истечение жидкости из емкости без формирования вихревой воронки, предварительно приняв меры по предотвращению возможного вращения жидкости и образования воронки-вихря [6].

В [1] истечение жидкости происходило через смещенное на 110 см сливное отверстие, над которым устанавливался асимметрично расположенный диск. В данных опытах образование вихревой воронки не происходило при любом расположении диска относительно сливного отверстия. Следовательно, несимметричность геометрии необязательно приводит к возникновению вращения. Поэтому остается открытым вопрос при каких именно несимметричных условиях происходит формирование вихревой воронки.

В [1] была разработана такая конструкция подачи жидкости в цилиндрическую ёмкость, что открытие сливного отверстия непосредственно после заполнения ёмкости не приводило при истечении к образованию вихревой воронки. Это позволило изучить влияние положения сливного отверстия [1] и интенсивности вихревого движения в жидкости перед открытием расположенного на оси сливного отверстия на формирование вихревой воронки [7]. Было показано, что смещение сливного отверстия от оси ёмкости приводит к увеличению времени истечения, после которого образуется вихревая воронка. Целью данной работы является получение экспериментальной зависимости времени образования воронки от положения сливного отверстия и интенсивности вихревого движения перед открытием сливного отверстия.

Исследование влияния положения сливного отверстия и интенсивности вихревого движения перед открытием сливного отверстия на время образования воронки проводилось на установке, основные элементы которой описаны в [1]. Установка, схема которой приведена на фиг.1, состоит из: прозрачного цилиндра диаметром 0.306м и высотой 0.7м,

сливного отверстия, диаметр и форму которого можно изменять в широких пределах, и узлов подвода жидкости. Жидкость могла приводиться во вращение с помощью прозрачного диска, устанавливаемого в центральную часть цилиндра.

Фиг. 1. Схема установки: 1 - прозрачный бак, 2 - прозрачный диск, 3 - центральное

отверстие, 4 - отверстия для визуализации течения жидкости, 5 - узел подвода жидкости, 6 - электродвигатель, 7 - сливное отверстие дополнительного дна, 8 -

При раскручивании жидкости диск опускался на ~ 5см в жидкость и включался электродвигатель, скорость вращения которого можно было изменять в широких пределах.

После того, как вращение жидкости стабилизировалось, вращающийся диск поднимался над

уровнем жидкости и затем открывалось сливное отверстие. В работе [1] использовались сливные отверстия диаметром 10 мм. Дно бака, кроме центрального сливного отверстия

имело два боковых отверстия, расположенных на расстоянии 110 мм от оси фиг.1 а. Кроме того, с целью получения экспериментальной зависимости времени образования воронки от положения сливного отверстия в данной работе была изменена фиг.1.б конструкция дна бака по сравнению с [1]. Внесенные в конструкцию изменения позволили непрерывным образом изменять положение сливного отверстия, диаметром 8 мм, в диапазоне значений от 0 до 120

подвижный диск, 9 - боковые отверстия

мм.