РАСЧЁТ ВОЛНОВОГО ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ В ГИДРОПУШКЕ
DOI:
https://doi.org/10.5281/zenodo.22786089Ключевые слова:
импульсные струи, гидропушка, метод характеристик, численное моделированиеПоддерживающие организации
Лицензия
Аннотация
В работе рассматривается задача численного моделирования волнового течения воды в поршневой гидропушке при втекании жидкости в сужающееся сопло. Целью исследования является разработка необходимых алгоритмов численного моделирования, позволяющих количественно оценивать характеристики генерируемой импульсной струи и в дальнейшем решать задачи оптимизации параметров гидропушки, включая форму сопла. Для описания течения используется квазиодномерная нестационарная модель изоэнтропического течения невязкой сжимаемой жидкости, учитывающая подвижные границы потока (траекторию поршня и передний фронт воды), условие «антикавитации» и взаимодействие потока с атмосферой на срезе сопла. Исходная система уравнений преобразована к характеристической форме, получены уравнения в обыкновенных дифференциалах вдоль характеристик первого и второго семейств. Для этих уравнений разработана конечно-разностная аппроксимация второго порядка на подвижной пространственно-временной сетке. Проведены тестовые расчёты, показывающие физически достоверное течение воды. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании сопел гидравлических систем, работающих в режиме высокоскоростного истечения жидкости, а также оценки характеристик генерируемой струи.
Скачивания
Библиографические ссылки
1. Геммерлинг, О.А. Обоснование параметров гидроимпульсного разрушения угля при проведении подготовительных работ на угольных шахтах / О.А. Геммерлинг, О.В. Бушуев // Вестник Луганского государственного университета имени Владимира Даля. — 2021. — № 11 (53). — С. 30–33.
2. Jiang, T. Effect of Nozzle Geometry on the Flow Dynamics and Resistance Inside and Outside the Cone-Straight Nozzle / T. Jiang, Z. Huang, J. Li, Y. Zhou // ACS Omega. — 2022. — Vol. 7. — P. 9652–9665. — DOI:10.1021/acsomega.1c07050.
3. Семко, А.Н. Особенности пульсирующих высокоскоростных струй жидкости / А.Н. Семко, О.В. Казак // Инженерно-физический журнал. — 2020. — Т. 93, № 4. — С. 926–942.
4. Кавитационный эффект в экспоненциальном струйном насадке / Б.В. Войцеховский, Ю.А. Дудин, Ю.А. Николаев, В.П. Николаев, В.В. Никитин // Динамика сплошной среды. — Новосибирск : ИГД СО АН СССР, 1971. — Вып. 9. — С. 7–11.
5. Атанов, Г.А. Гидроимпульсные установки для разрушения горных пород / Г.А. Атанов. — Киев : Вища школа, 1987. — 155 с.
6. Атанов, Г.А. Расчет выстрела гидропушки методом «распада разрыва» / Г.А. Атанов // Гидромеханика. — Киев : Наукова думка, 1974. — Вып. 30. — С. 51–54.
7. Дмитрук, Ю.В. Задача оптимизации формы сопла гидропушки для максимизации импульса силы ультраструи / Ю.В. Дмитрук, В.К. Толстых // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. — 2023. — № 11 (4). — URL: https://moitvivt.ru/ru/journal/pdf?id=1433 (дата обращения: 15.06.2026).
8. Импульсные струи жидкости высокой скорости и их применение : монография / под общ. ред. А.Н. Семко. — Донецк : ДонНУ, 2014. — 370 с.
9. Хоскин, Н.Э. Метод характеристик для решения уравнений одномерного неустановившегося течения / Н.Э. Хоскин // Вычислительные методы в гидродинамике. — Москва : Мир, 1967. — С. 264–291.
10. Толстых, В.К. Практическая оптимизация, идентификация распределённых систем / В.К. Толстых. — Москва : Наука, 2026. — 358 с.
11. Толстых, В.К. Анализ управляемости и оптимизация формы сопла гидропушки на основе прямого экстремального подхода / В.К. Толстых, Ю.В. Дмитрук // Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). — 2025. — Т. 25, № 1. — С. 65–76. — DOI: 10.23947/2687-1653-2025-25-1-65-76.
12. Толстых, В.К. О градиенте в задачах оптимизации нестационарных систем с распределенным управлением / В.К. Толстых // Численные методы и программирование. — 2025. — Т. 26, № 3. — С. 229–244. — DOI: 10.26089/NumMet.v26r316.
13. Решетняк, В.В. Влияние формы сопла на параметры гидропушки / В.В. Решетняк, А.Н. Семко // Прикладная гидромеханика. — 2010. — Т. 12, № 3. — С. 62–74.
14. Семко, А.Н. Об учете сжимаемости жидкости при расчете течения в гидропушке / А.Н. Семко, Ю.В. Локтюшина // Вестник ДонНУ. Сер. А. Естественные науки. — Донецк : ДонНУ, 2011. — № 2. — С. 95–101.
15. Решетняк, В.В. Концепция оценки эффективности гидропушки и выбор рациональной конструкции : дис. ... канд. техн. наук : 01.02.05 / Решетняк В.В. — Донецк, 2010. — 148 с.
REFERENCES
1. Gemmerling, O.A. & Bushuev, O.V. (2021) [Substantiation of parameters of hydro-impulse coal destruction during preparatory works in coal mines]. Vestnik Luganskogo gosudarstvennogo universiteta imeni Vladimira Dalya = Bulletin of Vladimir Dahl Lugansk State University. 11 (53), 30–33. (In Russian).
2. Jiang, T., Huang, Z., Li, J. & Zhou, Y. (2022) Effect of Nozzle Geometry on the Flow Dynamics and Resistance Inside and Outside the Cone-Straight Nozzle. ACS Omega. 7, 9652–9665, doi: 10.1021/acsomega.1c07050.
3. Semko, A.N. & Kazak, O.V. (2020) [Features of pulsating high‑speed fluid jets] Inzhenerno-fizicheskij zhurnal = Journal of Engineering Physics. 93 (4), 926–942. (In Russian).
4. Vojtsekhovskij, B.V., Dudin, Yu.A., Nikolaev, Yu.A., Nikolaev, V.P. & Nikitin, V.V. (1971) [Cavitation effect in an exponential jet nozzle]. Dinamika sploshnoj sredy. 9, 7–11. (In Russian).
5. Atanov, G.A. (1987) Hydro-impulse installations for rock destruction. Kiev, Vishcha shkola. 155 p. (In Russian).
6. Atanov, G.A. (1974) [Calculation of a water gun shot by the “decay of discontinuity” method]. In: Gidromekhanika. Kiev, Naukova dumka. Vol. 30, pp. 51–54. (In Russian).
7. Dmitruk, Yu.V. & Tolstykh, V.K. (2023) [The problem of optimizing the water gun nozzle shape to maximize the force impulse of an ultra-jet]. Modelirovanie, optimizatsiya i informatsionnye tekhnologii = Modeling, Optimization and Information Technology. 11 (4). Retrieved from: https://moitvivt.ru/ru/journal/pdf?id=1433 (date of application: 15.09.2026). (In Russian).
8. Semko, A.N. (ed.) (2014) High-speed pulsed liquid jets and their application. Donetsk, DonNU. 370 p. (In Russian).
9. Khoskin, N.Eh. (1967) [Method of characteristics for solving equations of one-dimensional unsteady flow]. Vychislitel'nye metody v gidrodinamike = Computational methods in hydrodynamics. Moscow, Mir, pp. 264–291. (In Russian).
10. Tolstykh, V.K. (2026) Practical optimization, identification of distributed systems. Moscow, Nauka. 358 p. (In Russian).
11. Tolstykh, V.K. & Dmitruk, Yu.V. (2025) Controllability analysis and optimization of the water gun nozzle shape based on a direct extremal approach. Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 25 (1), 65–76, doi: 10.23947/2687-1653-2025-25-1-65-76. (In Russian).
12. Tolstykh, V.K. (2025) On the gradient in optimization problems of non-stationary systems with distributed control. Chislennye metody i programmirovanie = Numerical Methods and Programming. 26 (3), 229–244, doi: 10.26089/NumMet.v26r316. (In Russian).
13. Reshetnyak, V.V. & Semko, A.N. (2010) Influence of nozzle shape on water gun parameters. Prikladnaya gidromekhanika = Applied Hydromechanics. 12 (3), 62–74. (In Russian).
14. Semko, A.N. & Loktyushina, Yu.V. (2011) On taking into account liquid compressibility when calculating flow in a water gun. Vestnik DonNU. Ser. A. Estestvennye nauki = Bulletin of DonNU. Ser. A. Natural Sciences. Donetsk, DonNU. (2), 95–101. (In Russian).
15. Reshetnyak, V.V. (2010) Concept of evaluating the effectiveness of a water gun and choosing a rational design: dis. ... kand. tekhn. nauk: 01.02.05. Donetsk. 148 p. (In Russian).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Статьи журнала «Вестник Донецкого университета. Серия 01. Естественные науки» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Донецким Государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
