Рассмотрены результаты исследований пульсирующих и кавитирующих струй повышенной разрушительной способности. Приведены примеры их эффективного использования в технологических процессах очистки поверхностей от окалины, ржавчины и других загрязнений. Технологии, основанные на применении таких струй, можно использовать на железнодорожном транспорте.

Представлены данные испытаний шнеко-центробежного насоса в режиме кавитационных автоколебаний. Экспериментально определены зависимости частоты и амплитуды колебаний давлений от давления на входе в насос, что позволяет расчетно-экспериментальным путем определить ряд параметров, входящих в динамическую модель кавитирующего шнеко-центробежного насоса. Установлена атипичная форма границ устойчивой работы насоса, требующая дополнительных теоретических исследований.

Отмечено, что гидрорыхление является одним из основных способов предотвращения газодинамических явлений при проведении подземных горных выработок. Институтом геотехнической механики НАН Украины совместно с ПАО "Краснодонуголь" ведутся работы по повышению эффективности гидрорыхления путем нагнетания жидкости в импульсном режиме. Максимальный размах автоколебаний давления жидкости, наложенный на величину подпора, соизмерим с давлением нагнетания. Это подтверждает возможность эффективного использования разработанного устройства для импульсного нагнетания жидкости в комплексе горного оборудования при гидрорыхлении угольных пластов. Цель работы - определение рациональных величин импульсов давления и частоты их следования при гидродинамическом воздействии на угольный пласт. Методика исследований базируется на экспериментально установленных закономерностях взаимосвязи прочности каменного угля и скорости деформации, позволяющих обосновать рациональные частоты импульсов гидравлического давления и величины этих импульсов. Представлены экспериментальные рабочие точки устройства импульсного нагнетания жидкости в угольный пласт при изменении давления подпора в скважине в диапазоне от 3,1 до 14,4 МПа и давлении нагнетания 21,9 МПа. Экспериментальные данные получены при замерах пульсаций давления на расстояниях 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 м от выхода из устройства гидроимпульсного воздействия (УГИВ). Из представленных данных видно, что параметры динамического нагружения угольного пласта при импульсном гидрорыхлении УГИВ полностью соответствуют условиям теоретических зависимостей рациональной частоты

следования импульсов от величины импульса давления. Рабочие точки устройства, как правило, находятся выше теоретических зависимостей.

Для повышения эффективности профилактических мероприятий по борьбе с внезапными выбросами угля и газа, взрывами метана в шахтах Институтом геотехнической механики НАН Украины разработаны способ и устройство гидроимпульсного воздействия на угольные пласты, обеспечивающие их качественное проведение. Цель работы - установить характер изменения динамических характеристик устройства для гидроимпульсного воздействия на угольные пласты (УГИВ) и кавитационного генератора упругих колебаний давления жидкости (КГ), провести их сравнительный анализ. Методика базируется на экспериментально установленных зависимостях частоты и величины импульсов давления жидкости от значения подпора в диапазоне его изменения от 1 до 12 МПа, позволяющих определить характер изменения динамических характеристик КГ и УГИВ, и выполнить их сопоставление. Приведены экспериментальные динамические характеристики КГ и УГИВ, установлен характер их изменения. Впервые обосновано снижение уровня пульсаций давления УГИВ по сравнению с уровнем, генерируемым КГ, установлена природа существования резонансов на амплитудно-частотной характеристике трубопровода-имитатора скважины.

Проведен теоретический анализ устойчивости системы "шнекоцентробежный насос - трубопроводы", для которой ранее была экспериментально установлена атипичная область существования кавитационных автоколебаний.

Разработана математическая модель совместных продольных колебаний конструкции трубопровода и жидкости с учетом потерь давления жидкости и демпфирования конструкции. Для одного насоса дано объяснение экспериментальной аномальной области неустойчивости по отношению к кавитационным колебаниям. Показано, что взаимодействие конструкции трубопровода с жидкостью может привести к заметному увеличению частот кавитационных колебаний в связанной системе по сравнению с парциальными частотами кавитационных колебаний.

Представлены результаты экспериментального исследования кавитационного течения закрученного потока жидкости в криволинейном и с пространственной ориентацией трубопроводах при малых значениях параметра закрутки. Показано, что как в криволинейном, так и в пространственном трубопроводах по их оси получена развитая суперкавитационная полость. На основании анализа экспериментальных данных с использованием визуального метода определена основная статическая характеристика кавитационной полости в таких трубопроводах - зависимость относительной среднеинтегральной по длине трубопровода площади суперкавитационной полости от числа кавитации. Проведено сопоставление основной статической характеристики суперкаверны в прямолинейном и криволинейном трубопроводах.

Получено выражение для коэффициента усиления питающего трубопровода жидкостной ракетной двигательной установки при совместных продольных колебаниях конструкции трубопровода с сильфоном, и жидкости в нем. Для конкретной системы питания показано, что взаимодействие продольных колебаний конструкции трубопровода и жидкости может существенно изменять модуль коэффициента усиления питающего трубопровода и его собственную частоту колебаний. Это обусловлено близостью частот колебаний парциальных систем конструкции трубопровода и жидкости, а также учетом демпфирования в трубопроводе.

Разработана математическая модель совместных продольных колебаний конструкции питающего трубопровода и жидкости в гидравлической системе, включающей шнекоцентробежный насос и подключенный байпасный демпфирующий трубопровод (БДТ). Для конкретного насоса дано теоретическое обоснование экспериментально полученных данных аномальной области неустойчивости системы по отношению к кавитационным колебаниям. Показано, что с помощью БДТ, включающего специальным образом организованную кавитационную полость, можно эффективно обеспечить устойчивость гидравлической системы по отношению к кавитационным колебаниям.

Проведена верификация модели динамики кавитирующих насосов на основе известных экспериментальных передаточных матриц кавитирующего турбошнека. Получено качественное согласование экспериментальных и теоретических параметров гидродинамической модели кроме коэффициента инерционности кавитационных каверн JКШ. В модель динамики кавитирующих насосов введено звено запаздывания и рассмотрено два варианта его применения, которые приводят к согласованию гидродинамической модели с экспериментальными передаточными матрицами насоса. Результаты проведенной верификации модели не позволили сделать вывод о предпочтительности использования в расчетах динамики напора насоса кавитационных характеристик или кавитационных функций насоса.

Предложены новые способы повышения механических свойств свинцовых сплавов, используемых для производства токоведущих деталей свинцово-кислотных аккумуляторов. Повышение прочности и пластичности сплавов может быть достигнуто за счет удаления неметаллических включений из сплавов, путем обработки свинцовых расплавов ультразвуком выше порога кавитации. Предложены механизмы, способствующие объединению содержащихся в расплавах мелких частиц неметаллических включений в более крупные, и выходу их на поверхность расплавов. Способ ультразвуковой кавитационной обработки может быть взят за основу промышленной технологии получения высококачественных свинцовых сплавов для современных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Выполнен краткий обзор по интенсификации технологических процессов и снижении удельного энергопотребления в различных отраслях промышленности с использованием эффектов гидродинамической и ультразвуковой кавитации. В качестве устройства, реализующего режим гидродинамической кавитации, рассмотрена известная в системе регулирования ракетного двигателя трубка Вентури специальной геометрии, получившей название кавитационный генератор колебания давления жидкости. Он преобразует стационарное течение технологической жидкости в дискретно-импульсный поток и обладает простотой изготовления, отсутствием подвижных частей и передачи колебаний давления жидкости на насос, не требует дополнительных источников энергии и органично вписывается в существующее оборудование.

Цель работы - энергетическая оценка преимуществ гидрорыхления угольного пласта импульсным воздействием по сравнению со статическим нагнетанием жидкости. Теоретически исследована плотность потока энергии, протекающего в единицу времени через поверхность, с использованием экспериментально установленной зависимости величины импульса давления жидкости от значения подпора в скважине. Приведены расчетные зависимости потока энергии при импульсном и статическом нагнетании жидкости от давления подпора при давлении нагнетания в угольный пласт 20 МПа. Впервые установлено, что поток энергии при гидроимпульсном воздействии на угольный пласт (при прочих равных условиях по давлению нагнетания и одних и тех же величинах подпора) превышает поток энергии при гидрорыхлении статическим нагнетанием жидкости в 1,8 раза. Рассмотрение приведенных зависимостей подтверждает возможность повышения эффективности гидрорыхления выбросоопасных угольных пластов и борьбы с газодинамическими факторами в шахтах посредством гидроимпульсного воздействия при проведении пластовых подготовительных выработок.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены граничные условия возникновения и прекращения периодически срывного кавитационного течения жидкости в генераторе колебаний давления жидкости. Это позволило выполнить уточнение известной линейной математической модели, описывающей кавитационные колебания, генерируемые периодически срывной кавитацией в генераторе. Результаты расчетов по уточненной математической модели позволили согласовать теоретические зависимости размаха и частоты колебаний жидкости от параметра кавитации с экспериментальными данными.

Предложен вариант промышленного энергопарка, который включает предприятие авиационной или космической отрасли, группу возобновляемых источников энергии, и управляется интеллектуальной системой Smart Grid. Разработка позволяет рационально использовать электрическую и тепловую энергии, уменьшить техногенную нагрузку на окружающую среду, а также способствует развитию смежных наукоемких отраслей - ветроэнергетики, фотоэнергетики. Даны рекомендации по использованию в составе промышленного энергопарка ветроустановок, солнечных батарей, солнечных коллекторов, тепловых насосов и аккумуляторных батарей.

Приведены результаты расчетов суммарных потоков тепловой энергии и их составляющих, реализованных генератором колебаний давления жидкости, входящим в состав кавитационного теплогенератора. Анализ результатов выполненных расчетов показал, что гидроимпульсное воздействие на жидкость (при прочих равных условиях по давлению нагнетания и подпора) более эффективно по сравнению со статическим нагнетанием и заметно влияет на значение потока тепловой энергии. Установлено, что к.п.д. теплогенератора на режимах работы, обусловленных процессами кавитации и вязкого трения в системе, находится в диапазоне 0,9 - 0,94.

Предложена методика определения к.п.д. кавитационного генератора колебаний давления жидкости. Для расчета амплитуд использована уточненная линейная математическая модель, описывающая колебания, генерируемые периодически срывной кавитацией, а определение частот проведено расчетно-экспериментальным способом. Приведены теоретические зависимости к.п.д. генератора от давления подпора. Установлено, что к.п.д. генератора на режимах работы, обусловленных процессами периодически срывной кавитации, превышает к.п.д. статического воздействия. Оценка эффективности генератора выполнена на примере его работы в составе устройства гидроимпульсного воздействия на угольный пласт. Показано, что импульсное воздействие (при прочих равных условиях по давлению нагнетания и подпора) значительно эффективнее по сравнению со статическим нагнетанием, что приводит к снижению энергозатрат.

Установлено, что увеличение объемного расхода жидкости через генератор приводит к росту объема оторвавшейся части кавитационной каверны. Схлопывание большего объема каверны не сопровождается увеличением колебательной составляющей давления, что представляет собой парадокс. С физической точки зрения и с позиции линейной математической модели генератора дано объяснение существующему парадоксу. Он обусловлен тем, что при постоянных соотношениях геометрических параметров генератора величина размаха кавитационных автоколебаний определяется не объемом каверны, а скоростью движения ее стенки.

Определено влияние параметров кавитационного генератора на колебательные составляющие давления и объемного расхода, а также на его энергетические характеристики. Показано, что колебательная составляющая давления не зависит от диаметра критического сечения генератора и определяется давлением нагнетания, а колебательная составляющая объемного расхода зависит как от диаметра критического сечения генератора, так и давления нагнетания. Установлено, что как увеличение объемного расхода жидкости через генератор, так и давления нагнетания приводит к росту значений потока энергии, обусловленного режимом периодически срывного кавитационного течения в гидравлическом канале генератора. При одинаковой энергетике жидкости, подаваемой на вход генератора, увеличение значения объемного расхода жидкости через него более эффективно по сравнению с ростом давления нагнетания на его вход.

Одним из устройств, реализующих энергосберегающие технологии, является трубка Вентури специальной геометрии, получившая название кавитационный генератор колебаний давления жидкости (далее генератор). Он преобразует стационарное течение технологической жидкости в дискретно-импульсный поток повышенной мощности, обладает простотой изготовления и отсутствием подвижных частей, не требует дополнительных источников энергии и органично вписывается в существующее оборудование. Практическое использование генератора в машиностроении, металлургии, химической отрасли и в горном деле позволяет снизить удельное энергопотребление до 50 %. Цель работы - является сравнительный анализ существующих методов расчета амплитуд колебаний давления, создаваемых генератором, и выбор метода, позволяющего определять амплитуды с приемлемой точностью. Методика основана на определении различными методами размахов колебаний давления жидкости в зависимости от режима кавитационного течения. Результаты представлены в виде расчетных зависимостей размахов колебаний давления жидкости от значения параметра кавитации и их сопоставления с экспериментальными данными. Научная новизна. Установлено, что метод, использующий конечно-элементную дискретизацию конструкции генератора и выходного трубопровода с движущейся в нём жидкостью, удовлетворительно описывает параметры колебательного процесса в различных элементах гидросистемы. Однако модель требует некоторой корректировки в части описания базовых зависимостей, относящихся к динамике кавитационного течения в генераторе, в случае необходимости более тщательного согласования с экспериментальными данными. Указанная модель удобна при проведении многоцелевых исследовательских работ, включающих экспериментальную корректировку данных, но ее применение для инженерных расчетов вызывает определенные затруднения в части программирования и длительности подготовки к проведению расчетов. Уточненная линейная математическая модель генератора позволяет инженерными методами получить количественное согласование экспериментальных и теоретических зависимостей размаха колебаний давления жидкости от параметра кавитации. Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что уточненная линейная математическая модель генератора позволяет на стадии проектирования установить рациональный режим гидроимпульсного воздействия генератора (размаха колебаний давления жидкости) при определенном давлении подпора в технологическом трубопроводе промышленной установки и не требует дополнительных экспериментальных исследований.