10.14489/hb.supp.2022.09.pp.001-024

2022, 09 сентябрь (September)

DOI: 10.14489/hb.supp.2022.09.pp.001-024

К. А. Труханов
ДИНАМИКА ПНЕВМОПРИВОДА. ЦИКЛ ЛЕКЦИЙ. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ. МНОГОФАЗНЫЕ ГАЗОЖИДКОСТНЫЕ СМЕСИ. КАВИТАЦИЯ И ГИДРАТЫ В ПРИВОДЕ. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПО ГИДРАВЛИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ
(c. 1-24)

Аннотация. Приводится вывод математической модели движения рабочей среды; показано применение составленной системы уравнений движения рабочей среды в цилиндрической системе координат. Математически доказывается обоснованность и возможность применения ротационного реометра для определения реологических характеристик жидкостей. Получено уравнение для момента сопротивления при движении ньютоновской и неньютоновской жидкостей в соосно-цилиндрической разработанной измерительной системе с учетом реологических параметров жидкости: k – меры консистенции жидкости и n – характеристики степени неньютоновского поведения материала. Приведена верификация полученных результатов на примере двух жидкостей и сделаны соответствующие выводы. Рассмотрены вопросы фазового перехода в газожидкостных смесях регулируемых дросселей. Представлены критерии возникновения кавитации и гидратообразования в жидких и газообразных средах. Описываются уравнения, позволяющие определить условие фазового перехода из жидкого состояния в газожидкостное. Представлен современный метод защиты конструкции регулируемого дросселя от явления кавитации, который заключается в использовании дроссельных клеток или ступеней дросселирования. Приводится результат применения дроссельных клеток. Рассматривается пример образования гидратов в газожидкостной смеси при ее течении через регулируемый дроссель. Приводится критерий и способ определения условий гидратообразования в проточном канале регулируемого дросселя, заключающийся в построении эксплуатационной кривой регулируемого дросселя, огибающей кривой и их пересечения с кривой гидратообразования газожидкостной смеси для определения условий и областей гидратообразования. Приведен пример применения гидравлического канала связи для передачи информации. Даны основные математические зависимости математической модели гидравлического канала связи, граничных и начальных условий. Получен вид импульса давления и рассмотрен один из основных методов кодирования информации для гидравлического канала связи. Определено условие обеспечения требуемого класса чистоты рабочей жидкости для гидравлических систем. К научной новизне работы относятся полученные соотношения, позволяющие исследовать гидродинамику жидкости с переменной вязкостью, прогнозировать и оценивать значения касательного напряжения в жидкости при ее движении, скорость деформации сдвига, момент сил трения и другое при известных реологических характеристиках жидкости. Кроме того, научной новизной являются сформулированные критерии условий фазового перехода, а также предоставление практических рекомендаций специалистам, занимающимся проектированием и эксплуатацией регулируемых дросселей. Данная статья основана и внедрена в качестве учебного материала курса «Динамика пневмопривода», читаемого автором в МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедре «Гидромеханика, Гидромашины и Гидропневмоавтоматика» (Э10), в рамках подготовки магистров по специальности 05.04.13 «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты».

Ключевые слова: модель математическая; уравнение движения рабочей среды; характеристика жидкостей; жидкость неньютоновская; дроссель управляемый; канал связи гидравлический; гидролиния длинная; переход фазовый; гидраты; кавитация.

K. A. Trukhanov
DYNAMICS OF PNEUMATIC DRIVE. LECTURE CYCLE. THE EQUATION OF MOTION OF THE WORKING MEDIUM. MULTIPHASE GAS-LIQUID MIXTURES. CAVITATION AND HYDRATES IN THE DRIVE. TRANSMISSION OF INFORMATION VIA A HYDRAULIC COMMUNICATION CHANNEL
(pp. 1-24)

Abstract. The paper presents the derivation of a mathematical model of the movement of the working environment; the application of the compiled system of equations of motion of the working medium in a cylindrical coordinate system is shown. The validity and possibility of using a rotary rheometer to determine the rheological characteristics of liquids are mathematically proved. An equation is obtained for the moment of resistance during the movement of Newtonian and non-Newtonian fluids in a coaxially cylindrical developed measuring system, taking into account the rheological parameters of the fluid: “k” is measures of fluid consistency and «n» is characteristics of the degree of non-Newtonian behavior of the material. Verification of the obtained results on the example of two liquids is given, and the corresponding conclusions are drawn. The issues of phase transition in gas-liquid mixtures of adjustable chokes are considered. The criteria for the occurrence of cavitation and hydrate formation in liquid and gaseous media are presented. Equations are described that make it possible to determine the condition for a phase transition from a liquid to a gas-liquid state. The paper presents a modern method of protecting the design of an adjustable throttle from the cavitation phenomenon, which consists in the use of throttle cells or throttling stages. The result of using throttle cells is given. An example of the formation of hydrates in a gas-liquid mixture during its flow through an adjustable throttle is considered. The criterion and method for determining the conditions of hydrate formation in the flow channel of an adjustable throttle are given, which consists in constructing an operating curve of an adjustable throttle, an envelope curve and their intersection with the curve of hydrate formation of a gas-liquid mixture to determine the conditions and areas of hydrate formation. The paper gives an example of the use of a hydraulic communication channel for information transfer. The main mathematical dependences of the mathematical model of the hydraulic communication channel, boundary and initial conditions are given. The form of the pressure pulse is obtained, and one of the main methods of encoding information for a hydraulic communication channel is considered. The condition for ensuring the required purity class of the working fluid for hydraulic systems is determined. The scientific novelty of the work includes the relations obtained, which make it possible to study the hydrodynamics of a fluid with variable viscosity, predict and evaluate the values of the shear stress in the fluid during its movement, the shear strain rate, the moment of friction forces, etc., with known rheological characteristics of the fluid. In addition, the scientific novelty of the work is the formulated criteria for the conditions of the phase transition, as well as the provision of practical recommendations to specialists involved in the design and operation of adjustable chokes. This work is based and is implemented as a course of lectures of the course “Dynamics of Pneumatic drive”, is red by the author at the Bauman Moscow State Technical University at the Department of “Hydromechanics, Hydraulic Machines and Hydropneumoautomatics” (E10), as part of the preparation of masters in the specialty 05.04.13 “Hydraulic machines and hydropneumatic drives”.

Keywords: Mathematical model; Equation of motion of the working medium; Characteristics of liquids; Non-Newtonian fluid; Controlled throttle; Hydraulic communication channel; Long hydraulic line; Phase transition; Hydrates; Cavitation.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

К. А. Труханов (Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра. Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Eng

K. A. Trukhanov (Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра. Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Труханов К. А. Методы проектирования оптимальных следящих пневматических устройств для управления системами с жидкими рабочими средами: дис. ... д-ра техн. наук. М.: Москва, 2019. 301 с.
2. Вихарев А. В., Рябинин М. В., Труханов К. А. Математическое описание движения псевдопластичной жидкости и его применение // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2016. № 6. С. 44 – 54.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: учеб. пособие. Т. IV. Гидродинамика. М.: Наука. ФИЗМАТЛИТ, 2015. 736 с.
4. Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. 1. М.: Наука, 1976. 492 с.
5. Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. 2. М.: Наука, 1976. 568 с.
6. Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости / пер. с англ. М.: МИР, 1964. 216 с. [Wilkinson W. L. Non-Newtonian Fluids: Fluid Mechanics, Mixing and Heat Transfer. London: Pergamon Press, 1964, 216 p.].
7. Фронштетер Г. Б., Данилевич С. Ю., Родионова Н. В. Течение и теплообмен неньютоновских жидкостей в трубах. Киев: Наукова думка, 1990, 215 с. [Branstetter G. B., Danilevich C. Yu., Rodionov N. V. Flow and Heat Transfer of Non-Newtonian Fluids in Pipes. Kiev, Naukova Dumka, 1990, 215 p.].
8. Модель 35. Вискозиметр. Руководство по экс-плуатации 208878. Редакция H.
9. Труханов К. А., Рябинин М. В. Методика определения потерь на трение в гидравлически гладкой круглой трубе для псевдопластичных жидкостей // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1. URL: http://www.science-education.ru/121-19505
10. Труханов К. А., Рябинин М. В. Способ определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей ротационным вискозиметром // Глобальный научный потенциал. 2015 № 6(51). С. 67 – 75.
11. Труханов К. А., Мармылев И. В., Николенко И. Н. Условия фазового перехода при течении газожидкостной смеси в регулируемых дросселях // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2021. № 7. С. 22 – 29. DOI 10.14489/ hb.2021.07.pp.022-029
12. Истомин В. А., Якушев В. С. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992. 237 с.
13. Альтшуля А. Д., Калицун В. И., Майрановский Ф. Г., Пальгунов П. П. Примеры расчетов по гидравлике: учеб. пособие для вузов / под ред. А. Д. Альтшуля. М.: Альянс, 2013. 255 с.
14. Пат. № US9.458.941 B2. Rotaty Stepping Actuator for Valve / Larry J. Bohaychuk. Заявл. 04.10.2016 [Электронный ресурс]. URL: https://patents.google.com/patent/ US9458941B2/en?oq=US+9%2c458%2c941+https://patenti-mages.storage.googleapis.com/dc/23/8f/cdd52258c09670/US9458941.pdf
15. Труханов К. А. Разговор сквозь землю // Популярная механика. Журнал о том, как устроен мир. 2015. № 10(156). С. 10.
16. Попов Д. Н., Сосновский Н. Г. Динамические характеристики линий связи с распределенными пара-метрами для управления гидроприводами с дроссельным регулированием // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 9. С. 32 – 42. DOI: 10.7463/0915.0810564
17. Пат. № US10113420B2. Rotary Pulsers and Associated Methods / M. S. Pogrebinsky, K. A. Trukhanov. Заявл. 24.10.2018 [Электронный ресурс]. Режим доступа: ограниченный.
18. Кульчицкий В. В., Григашкин Г. А., Ларионов А. С., Щебетов А. В. Геонавигация скважин: учеб. пособие М.: МАКС Пресс, 2008. 312 с.
19. Труханов К. А. Использование гидравлического канала связи в технических системах // Изв. МГТУ «МАМИ». 2017. № 2(32). С. 54 – 63.
20. Труханов К. А. Применение «длинных линий» в современной подводной добывающей промышленности // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2020. № 4. С. 43 – 51.

Eng

1. Trukhanov K. A. (2019). Methods for designing optimal servo pneumatic devices for controlling systems with liquid working media. Moscow: Moskva. [in Russian language]
2. Viharev A. V., Ryabinin M. V., Trukhanov K. A. (2016). The mathematical description of the pseudoplastic fluid motion and its application. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (6), pp. 44 – 54. [in Russian language] DOI: 10.14489/hb.2016.06.pp.044-054
3. Landau L. D., Lifshits E. M. (2015). Theoretical physics: textbook. Vol. IV. Hydrodynamics. Moscow: Nauka. FIZMATLIT. [in Russian language]
4. Sedov L. I. (1976). Continuum mechanics. Vol. 1. Moscow: Nauka. [in Russian language]
5. Sedov L. I. (1976). Continuum mechanics. Vol. 2. Moscow: Nauka. [in Russian language]
6. Wilkinson W. L. (1964). Non-Newtonian fluids. Moscow: MIR. [in Russian language]
7. Fronshteter G. B., Danilevich S. Yu., Rodionova N. V. (1990). Flow and heat transfer of non-Newtonian fluids in pipes. Kiev: Naukova dumka. [in Russian language]
8. Model 35. Viscometer. Instruction Manual 208878. Revision H. [in Russian language]
9. Trukhanov K. A., Ryabinin M. V. (2015). Method for Determining Friction Losses in a Hydraulically Smooth Round Pipe for Pseudoplastic Fluids. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya, (1). Available at: http://www.science-education.ru/121-19505 [in Russian language]
10. Trukhanov K. A., Ryabinin M. V. (2015). Method for determining the rheological characteristics of non-Newtonian liquids with a rotational viscometer. Global'niy nauchniy potentsial, 51(6), pp. 67 – 75. [in Russian language]
11. Trukhanov K. A., Marmylev I. V., Nikolenko I. N (2021). Conditions of the phase transition during the flow of a gas-liquid mixture in controlled chokes. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (7), pp. 22 – 29. [in Russian language] DOI: 10.14489/ hb.2021.07.pp.022-029
12. Istomin V. A., Yakushev V. S. (1992). Gas hydrates in natural conditions. Moscow: Nedra. [in Russian language]
13. Al'tshulya A. D. (Ed.), Kalitsun V. I., Mayranovskiy F. G., Pal'gunov P. P. (2013). Examples of calculations in hydraulics: a textbook for universities. Moscow: Al'yans. [in Russian language]
14. Larry J. Bohaychuk (2016). Rotaty Stepping Actuator for Valve. US Patent No. US 9.458.941 B2. Available at: https://patents.google.com/patent/US9458941B2/en?oq=US+9%2c458%2c941+https://patenti-mages.storage.googleapis.com/dc/23/8f/cdd52258c09670/US9458941.pdf
15. Trukhanov K. A. (2015). Conversation through the earth. Populyarnaya mekhanika. Zhurnal o tom, kak ustroen mir, 156(10). [in Russian language]
16. Popov D. N., Sosnovskiy N. G. (2015). Dynamic characteristics of communication lines with distributed parameters for control of hydraulic drives with throttle control. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N. E. Baumana. Elektronniy zhurnal, (9), pp. 32 – 42. [in Russian language] DOI: 10.7463/0915.0810564
17. Pogrebinsky M. S., Trukhanov K. A. (2018). Rotary Pulsers and Associated Methods. US Patent No. US 10113420 B2.
18. Kul'chitskiy V. V., Grigashkin G. A., Larionov A. S., Shchebetov A. V. (2008). Geosteering of wells: textbook. Moscow: MAKS Press. [in Russian language]
19. Trukhanov K. A. (2017). The use of a hydraulic communication channel in technical systems. Izvestiya MGTU «MAMI», 32(2), pp. 54 – 63. [in Russian language]
20. Trukhanov K. A. (2020). The use of hydraulic “long” lines in modern subsea production facilities. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (4),pp. 43 – 51. [in Russian language] DOI: 10.14489/hb.2020.04.pp.043-051

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

Стоимость статьи 500 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.

После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.

Для заказа скопируйте doi статьи:

10.14489/hb.supp.2022.09.pp.001-024

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

The cost of a single article is 500 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.

After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.

To order articles please copy the article doi:

10.14489/hb.supp.2022.09.pp.001-024

and fill out the form