О локальных взаимодействиях и решении деформируемых сред в потоке кавитирующей жидкости


ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

МЕХАНИКА



2009. Вып. 4

УДК 532.529 + 539.4

© А. Н. Мельситов, В. А. Петушков

О ЛОКАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ И РАЗРУШЕНИИ


            ДЕФОРМИРУЕМЫХ СРЕД В ПОТОКЕ КАВИТИРУЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ ¹


Сформулирована и решена в общей постановке сопряженная задача об ударном локальном взаимодействии жидкости с нелинейной деформируемой, повреждаемой средой при наличии конечных деформаций. Воздействие жидкости рассмотрено в виде ударной волны или высокоскоростной струи, образующихся при разрушении кавитационных пузырьков вследствие осесимметричного или кумулятивного их обжатия на фронте распространяющейся ударной волны. Особое внимание при этом уделено влиянию смачиваемости деформируемой поверхности.

Ключевые слова: кавитация, двухфазная жидкость, смачиваемость, повреждаемость деформируемой среды, эрозионное разрушение.


            Введение


   Нестационарные течения многофазных сред и, особенно, во взаимодействии с инженерными конструкциями представляют собой одну из наиболее сложных и актуальных проблем современной механики. В качестве многофазных рассматриваются жидкие среды, содержащие газовые, парогазовые и паровые пузырьки малой концентрации. Среди них кипящие жидкости с парогазовыми пузырьками, перегретые жидкости, закипающие при падении давления, жидкости, в процессе распространения ударных волн в которых образуются вакуумные полости, последующее испарение в которые приводит к появлению паровых пузырьков. При взаимодействии с деформируемыми средами под действием импульсного давления сжатия парогазовые пузырьки разрушаются. Возникающие в связи с этим локальные гидродинамические нагрузки на фоне высоких давлений, температур и скоростей течения жидкости приводят к разрушению погруженных в нее тел с образованием на их поверхности эрозионных канавок.
   Подобным воздействиям подвергаются элементы авиационно-космической техники при полетах в дождевой зоне и приводнениях, корпуса надводных и подводных судов и их гребные винты, элементы гидравлических систем, конструкции ядерных энергетических установок в переходных режимах эксплуатации и кризисных условиях теплообмена и др.
   Явления, сопровождающие эволюцию парогазовых пузырьков в жидкости при распространении в ней ударных волн и эрозионное разрушение материалов, оказываются весьма сложными для изучения, поскольку характеризуются различными, в том числе чрезвычайно малыми пространственными и временными масштабами, сопровождаются нелинейными волновыми процессами как в жидкости вокруг отдельного пузырька, так и в материале взаимодействующей с нею конструкции.
   Сложность проблемы усугубляется еще и тем, что материал самой деформируемой среды также неоднороден, включает в себя как исходные рассеянные микродефекты технологического происхождения (микропоры, микротрещины, жесткие включения и т.п.), так и возникающие в процессе ее нагружения. По этой причине до сих пор нет убедительных данных о природе и процессах кавитационно-эрозионного разрушения материалов конструкций в двухфазных средах, несмотря на большую историю проблемы и многочисленные работы, выполненные в этом направлении.
   Целью данной работы является попытка расширить представления об указанных процессах, используя для этой цели аппарат и возможности математического моделирования в механике гетерогенных сред. В работе выполнен подробный анализ локальных процессов ударного
  При поддержке автора РФФИ (тема: 09-01-00088-а);