Determination of the Water Jet Geometric Parameters Depending on the Type of Nozzle and Jet Operation Mode

Full Text

Введение

В рамках исследования гидрообработки почвы от сорной растительности в приствольных зонах возникла необходимость рассмотреть параметры струи воды при различных видах насадок [1‒4]. Данный метод обработки можно рассматривать как одну из альтернатив гербицидам или механической обработке почвы [5]. Сложностью реализации этого метода является необходимость создания струи воды, способной надежно разрушать задернелый почвенный покров глубиной до трех сантиметров [6], угнетая сорную растительность и обеспечивая ширину захвата рабочего органа порядка 300‒450 мм. Особенностью гидрообработки является сосредоточенное воздействие на узкий участок поверхности почвы [7], вызывающее деформации сжатия, сдвига и местного растяжения пласта почвы, которые по форме сильно отличаются от воздействий, оказываемых механическими орудиями. Немаловажными факторами являются и режимы работы струи воды [8]. Так, наклон водной струи к поверхности почвы изменяет не только силу действия самой струи, но и площадь ее воздействия на почву. Также изменяется направление деформации почвы с сжатия на сдвиг или даже растяжение¹. Изменение вида воздействия струи значительно влияет на способность почвы сопротивляться разрушению [9].

Обозначим основные геометрические параметры струи, необходимые для определения площади сечения и структурных особенностей формирования струи воды при различных видах форсунок: ширина и толщина ‒ для прямоугольного сечения, диаметр ‒ для круглого [10]. Данные параметры важны для корректного описания, исследования и расчета действия струи воды при гидрообработке почвы. Они позволяют изучить реальную форму и структуру струи при различных видах форсунки, в том числе при турбо фрезах и их движении в составе агрегата.

Геометрические характеристики струи определяют площадь ее сечения, что является одним из ключевых параметров, устанавливающих давление струи воды на поверхность почвы, что значительно влияет на эффективность гидрообработки. Однако значение данного параметра достаточно сложно измерить, так как обычные средства измерения линейных размеров не применимы для струи воды. Задача усложняется также использованием турбо форсунок, в которых конус распыливания создается вращающейся струей воды, что полностью исключает стандартные методы измерения размеров. При этом необходимо обосновать и изучить форму воздействия струи на поверхность почвы при использовании турбо форсунок, так как форма струи при контакте с обрабатываемой почвой неизвестна.

Обзор литературы

В настоящее время разрушение и обработка материала струей жидкости применяется в различных отраслях экономики. Так, в работе И. Д. Мурашова исследуется применение высокоэнергетических струй воды для подготовки и резки мясной продукции [7]. В работе Д. А. Иванова описывается применение струи воды для разрушения керамических материалов локальным термоударом [11]. Широкое применение данный метод получил при гидрообразивной резке металлов [12]. Гидроабразивная резка применяется и в горной промышленности. Математические модели процесса и его параметры описаны в одной из изученных нами работ [13]. В статье [14] описываются технологии совмещения лазера и гидроабразивной резки для создания обрабатывающих машин.

Применимость технологии гидрообработки приствольных зон садовых насаждений подтверждается в исследовании [15], где использование агрегата гидрообработки Caffini Gras Killer показало схожую эффективность с механическими методами обработки. Также гидрообработка рассматривается как одна из экологичных альтернатив применения химических средств борьбы с сорной растительностью в промышленных садах [16; 17]. Она может рассматриваться и как действенный способ борьбы с сорной растительностью [18]. В работах ряда зарубежных авторов обосновывается перспективность технологии угнетения сорной растительности гидрообработкой, описывается использование гидроабразивного метода для среза соломы пшеницы. А также разработка, расчет и результаты испытания устройства гидрообработки междурядий рисовых культур, описание способности струи воды и гидроабразивной обработки к резке различных сельскохозяйственных материалов и методы повышения их эффективности [19‒22].

Обзор литературы показывает важность изучения структуры струи воды и процесса ее формирования при различных видах форсунок. Например, в работе [23] показано влияние формы штуцера на формирование структуры струи воды и последующую силу воздействия. Также наукой активно изучается влияние формы насадки и отверстия на струю воды при различной температуре [24; 25].

Материалы и методы

Для решения данной задачи был разработан стенд (рис. 1), представляющий собой подставку на четырех опорах, к которой закреплен адаптер подающей магистрали аппарата высокого давления со сменными насадками. Крепление адаптера позволяет менять высоту расположения форсунки. На подставке размещена рейка, позволяющая закреплять стальную линейку в плоскость действия струи воды из форсунки.

 

Рис. 1. Устройство стенда для измерения геометрических параметров струи воды: 1 – подставка; 2 – подающая магистраль аппарата высокого давления со сменными форсунками; 3 – стальная линейка; 4 – камера

Fig.1. Test bench design for measuring geometric parameters of water jet: 1 – stand; 2 – supply line of the high-pressure device with replaceable nozzles; 3 – steel ruler; 4 – camera

 

Для фиксации положения и формы струи воды с заданной частотой используется камера Basler ace acA1920. Она позволяет получать высококачественное видео с частой до 1000 кадров в секунду, данный режим съемки и был использован в нашем исследовании. Камера располагалась перпендикулярно оси симметрии струи воды и перпендикулярно измерительной поверхности линейки на расстоянии, необходимом для получения полноценной картинки и качественной фокусировки камеры.

 

Рис. 2. Виды исследуемых форсунок

Fig.2. Types of nozzles investigated

 

Для исследований использовался аппарат высокого давления с максимальным давлением P = 140 МPa, максимальный расход Q = 360 л/ч.

В качестве насадок использовались стандартная с плоской струей, стандартная турбо насадка (рис. 2) и турбо насадка разработанной конструкции (рис. 3).

 

Рис. 3. Сечение форсунки турбо насадки разработанной конструкции (a), сечение форсунки стандартной турбо насадки (b)

Fig.3. Section of the turbo nozzle of its own design (a), section of the standard turbo nozzle (b)

 

Исследование проводится следующим образом. Подключенная к аппарату высокого давления форсунка закрепляется на стенд, линейка выставляется на заданную длину от среза сопла.

Далее запускается подача воды и съемка камеры. Благодаря проецированию изображения перпендикулярно линейке получается измерить геометрические параметры сечения струи в каждый момент ее работы. Также данный метод позволяет зафиксировать работу форсунки в динамике.

Результаты исследования

Площадь сечения струи воды разработанной турбо форсунки больше стандартной. При высоте 3 см – на 47 %, при высоте 5 – см на 53 %, при высоте 7 см – на 16 %, при высоте 9 см – на 5 %, при высоте 11 см у стандартной турбо форсунки площадь сечения струи больше на 5 %.

После проведения исследования по описанной выше методике полученный видеоматериал с помощью программы Free Video to JPG Converter кадрировался с сохранением отдельных изображений. По полученным изображениям измерялись геометрические параметры сечения струи воды, например, ширина струи (рис. 4).

 

Рис. 4. Измерение ширины сечения струи воды для плоской форсунки на высоте 9 см от среза насадки

Fig.4. Measuring the cross-section width of a water jet for a flat nozzle at a height of 9 cm from the nozzle cut

 

Значение ширины струи воды (диаметра конуса в измеряемом сечении для струй, имеющих круглое сечение) получается нахождением среднего из пяти значений. Также нами был проведен анализ структуры струи на разных режимах работы. Важным элементом обработки результатов было определение эффективной ширины струи без учета ее краевых участков, которые не имеют эффективного воздействия на обрабатываемую поверхность. Данные области отбрасывались согласно конусу распыления, который оставляет след на опорной поверхности. Для потока воды с сечением в виде круга измерялся диаметр данного сечения.

В результате исследования были получены данные, указанные в таблице 1.

 

Таблица 1. Результаты измерения ширины струи

Table1. Results of measuring the jet width

Высота от среза сопла форсунки, см /  Height from the nozzle section, cm	Ширина, мм /  Width, mm	Высота от среза сопла  форсунки, см / Height from  the nozzle  section, cm	Ширина, мм / Width, mm	Высота от среза сопла  форсунки, см / Height from the nozzle section, cm	Ширина, мм / Width, mm
Форсунка плоская / Flat nozzle		Стандартная турбо форсунка / Standard turbo nozzle		Разработанная турбо форсунка / Developed turbo nozzle
11	56	11	48	11	41
9	44	9	41	9	38
7	32	7	26	7	32
5	30	5	19	5	28
3	22	3	16,8	3	22

Для лучшей визуализации они оформлены в виде графика зависимости ширины захвата форсунки от высоты замера (рис. 5).

 

Рис. 5. Графическое представление результатов измерения ширины струи на разной высоте

Fig.5. Graphical representation of the results of measuring the width of the jet at different heights

 

Как видно из графика (рис. 5), разработанная турбо форсунка имеет аналогичный с турбофрезой размер при высоте обработки 11 см. Однако значительно выигрывает в ширине при уменьшении высоты измерения до 3 см, приближаясь по ширине к форсунке с плоской струей. Полученный результат позволяет утверждать, что при наиболее эффективных значениях высоты обработки разработанная турбо форсунка будет иметь большую ширину захвата и повышенную производительность [26].

Исходя из представленных выше данных, вычислим площадь воздействия струи воды на поверхность почвы (рис. 6).

 

Рис. 6. Структура струи у разработанной турбо форсунки (a) и стандартной турбо форсунки (b)

Fig.6. Jet structure of a developed turbo nozzle (a) and a standard turbo nozzle (b)

 

На основании полученных фотографий (рис. 6) видно, что вращающийся поток воды в разработанной турбо форсунке и стандартной турбо форсунке разбивается от быстрого вращения, образуя конус, площадь сечения которого составляет круг, и воздействует на поверхность почвы, поэтому для данных форсунок будем использовать формулу [27]:

$S = {\mathrm{\pi r}}^2$                                                                                                    (1)

где S – площадь воздействия струи воды на поверхность, мм², а r – радиус основания конуса распыления струи, мм.

Для плоской струи характерна прямоугольная форма сечения (рис. 6), поэтому расчет будет вестись по следующей формуле (2):

$S = a · b,$                                                                                               (2)

где S – площадь воздействия струи воды на поверхность, мм²; a – ширина струи, мм; b – толщина струи, мм. В результате вычислений получены следующие результаты (табл. 2).

 

Таблица 2. Полученная площадь сечения струи

Table2. The resulting cross-sectional area of the jet

Высота от среза сопла форсунки, см/  Height from the   nozzle section, cm	Форсунка плоская / Flat nozzle
	Площадь, мм2 /  Area, mm2	Ширина, мм /  Width, mm
3 см	182	22
5 см	270	30
7 см	328	32
9 см	492	44
11 см	840	56
Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm	Стандартная турбо форсунка / Standard turbo nozzle
	Площадь, мм2 / Area, mm2	Ширина, мм / Width, mm
3 см	201	16
5 см	284	19
7 см	531	26
9 см	1134	38
11 см	1590	45
Высота от среза сопла форсунки, см /  Height from the nozzle section, cm	Разработанная турбо форсунка / Developed turbo nozzle
	Площадь, мм2 / Area, mm2	Ширина, мм / Width, mm
3 см	380	22
5 см	616	28
7 см	804	32
9 см	1195	39
11 см	1521	44

Далее представлен график, визуализирующий полученные результаты (рис. 7).

 

Рис. 7. График зависимости площади воздействия струи воды от высоты струи

Fig.7. Graph of dependence of water jet impact area on jet height

 

Как видно из графика, площадь воздействия струи воды у плоской форсунки меньше остальных вариантов. Наибольшая же площадь струи достигается у разработанной турбо форсунки.

Обсуждение и заключение

С помощью разработанной турбо форсунки возможно создать струи воды наибольшей площади, что обеспечивает увеличение ширины захвата, повышение производительности и качества обработки поверхности почвы в приствольных насаждениях.

Результаты данного исследования позволяют проанализировать структуру струи в процессе ее работы. У всех видов форсунок струя разбивается на мелкие капли, образуя зону обработки поверхности без выделенных зон собранного структурированного потока жидкости. Также опыт показывает, что площадь обрабатываемой поверхности зависит не только от высоты расположения форсунки и давления воды, но и от угла факела распыла сопла.

 

¹ Сохранение плодородия орошаемых почв путем снижения негативного воздействия дождя ДМ «Фрегат» / А. В. Русинов [и др.] // Актуальные проблемы устойчивого развития сельских территорий и кадрового обеспечения АПК: мат-лы Междунар. науч.-практич. конф. 2021. С. 236–243. URL: https://rep.bsatu.by/handle/doc/14177 (дата обращения 25.01.2024).

About the authors

Aleksandr V. Shutenko

Moscow Institute of Electronic Technology

Author for correspondence.
Email: pilotklin6@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-0394-4514

Engineer of the Research Laboratory for Development of Nano- and Microsystems Engineering Products

 

Russian Federation, 1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow 124498

Dmitry O. Khort

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: dmitriyhort@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6503-0065
ResearcherId: Q-2695-2017

D.Sci. (Engr.), Chief Researcher, Head of the Laboratory of Machine Technologies for Cultivation and Harvesting of Fruit and Berry Crops

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd Moscow 109428

References

Supplementary files