ударник для создания струй вещества

Формула изобретения

Ударник для создания струй вещества, представляющий собой тело вращения, отличающийся тем, что в нем выполнено сквозное осевое отверстие в виде цилиндра или усеченного конуса, при этом тело вращения имеет форму цилиндра или усеченного конуса, конусность которого совпадает по направлению с конусностью осевого отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, с помощью которых может производиться дистанционный отбор проб вещества для исследования или анализа материалов, в частности текучих или сыпучих, с целью определения их химических или физических свойств. Возможно применение устройства в плазменной технике, например, для введения материалов в плазму в виде порошка.

Известен ударник, выполненный в виде твердого сферического тела (свинцовый шарик диаметром 1,34 см), который использовался для получения струй вещества из гранулированных частиц сферической формы (монодисперсные стеклянные шарики диаметром 0,08 мм) при атмосферном давлении [1]. Процесс образования струи вещества происходит следующим образом. В результате падения ударника на поверхности гранулированной среды образуется чашеобразное возмущение (всплеск) в виде так называемой короны. Возникающий при этом перепад давления приводит к радиальному схлопыванию короны, нарастанию давления в центральной части осевого кратера и последующему выбросу вертикально вверх узкой кумулятивной струи гранулированных частиц.

Известен также ударник, выполненный в виде твердого сферического тела (стальной шарик диаметром 2,5 см), который использовался для получения струй вещества из гранулированных частиц несферической формы при атмосферном давлении [2]. Гранулированная среда представляла мелкий песок, частицы которого имели размер порядка 40 мкм. Экспериментально было обнаружено, что при воздействии ударника на гранулированную среду из несферических частиц происходит незначительное возмущение среды, не приводящее к образованию кумулятивной струи вещества. Это связано с большим вязким трением гранулированной среды, вызванным несферической формой частиц среды. Для устранения этой проблемы была организована продувка гранулированной среды воздушным потоком непосредственно перед падением ударника на поверхность среды, что позволило создать слегка неплотную (псевдоожиженную) гранулированную среду и получить в итоге кумулятивную струю. В таком режиме работы при падении ударника с высоты 40 см на поверхность гранулированной среды была получена струя высотой ˜40 см.

Недостатком таких ударников является ограниченная область их применения. Важным параметром, влияющим на возникновение струи, является эффективная вязкость среды. От вязкости среды зависит глубина и скорость погружения ударника в вещество и, следовательно, степень возмущения среды, влияющая на образование струи. Поэтому при работе с такими ударниками требуется предварительная подготовка среды, направленная на получение оптимальной вязкости вещества. В одном случае для уменьшения вязкости среды частицы среды выбираются сферической формы. Это делает возможным применение ударника в лабораторных условиях, однако не подходит для реальных условий, где обычно частицы имеют форму, отличную от сферической. Другим способом уменьшения вязкости среды является продувка среды с помощью газовых струй. Такой подход значительно расширяет область применения подобных ударников, однако в реальных условиях не всегда возможно использование дополнительных газовых источников, поскольку в условиях вакуума или частичного вакуума они будут создавать дополнительный газовый фон, что повлечет за собой изменение установочного давления.

Задача изобретения - получение струй вещества в условиях среды с несферическими частицами без участия дополнительных механизмов для разуплотнения среды.

Технический результат изобретения - упрощение формирования струи вещества в условиях среды с несферическими частицами без участия дополнительных механизмов для разуплотнения среды.

Технический результат достигается тем, что ударное воздействие на среду осуществляется ударником для создания струй вещества в виде тела вращения, в котором выполнено сквозное осевое отверстие в виде цилиндра или усеченного конуса, при этом тело вращения имеет форму цилиндра или усеченного конуса, конусность которого совпадает по направлению с конусностью осевого отверстия.

Взаимодействие ударника подобной конфигурации со средой изменяет условия образования струи вещества. При падении такого ударника радиальное схлопывание частиц вещества происходит внутри осевого отверстия ударника. Это позволяет уменьшить требования к первоначальным параметрам среды, в частности к ее эффективной вязкости, поскольку способ получения струи является более простым и надежным для случая радиального схлопывания частиц вещества внутри осевого отверстия ударника, чем для случая чашеобразного возмущения среды вокруг ударника.

Конусность отверстия позволяет улучшить параметры струи при ее формировании в условиях среды с несферическими частицами без дополнительного разуплотнения среды. Совпадение по направлению конусности отверстия и тела вращения позволяет придать ударнику более устойчивое к переворотам падение при формировании струи в условиях среды с несферическими частицами без участия дополнительных механизмов для разуплотнения среды.

На фиг.1, 2, 3 показано несколько конструктивных вариантов предлагаемого ударника; на фиг.4 показано образование кумулятивной струи. Примерами конкретного выполнения заявляемого устройства являются:

1. Ударник, изображенный на фиг.1, представляющий собой цилиндр диаметром 14 мм, высотой 5 мм, имеющий сквозное осевое отверстие цилиндрической формы диаметром 6 мм.

2. Ударник, изображенный на фиг.2, представляющий собой цилиндр диаметром 14 мм, высотой 5 мм, имеющий сквозное осевое отверстие в виде усеченного конуса. Конусность отверстия составляет k=2tg15°, диаметр большего основания 8 мм. Подобное изменение формы отверстия позволяет улучшить параметры струи, а именно увеличить плотность и высоту струи вещества.

3. Ударник, изображенный на фиг.3, представляющий собой усеченный конус высотой 5 мм с диаметром большего основания 14 мм, имеющий сквозное осевое отверстие в виде усеченного конуса с диаметром большего основания 8 мм. Конусность внешней поверхности и коаксиального отверстия совпадают по направлению. Конусность k отверстия составляет 2tg15°, конусность внешней поверхности - 2tg25°. Подобная конструкция ударника имеет смещенный к нижнему основанию центр тяжести, что обеспечивает ударнику более устойчивое к переворотам падение. Материал изготовления всех ударников - сталь.

4. На фиг.4 показаны последовательные видеокадры, снятые с частотой 60 кадров/сек и демонстрирующие подъем кумулятивной струи на высоту 50 см. В качестве сыпучей гранулированной среды использовали среду, состоящую из частиц карбида кремния, преимущественно кубической формы (средний размер частиц ˜100 мкм), при этом происходил выброс вертикальной узкой струи на высоту ˜50 см. При падении ударника с большей высоты или при сообщении ударнику начальной скорости с помощью специальной пушки можно добиться еще большей высоты подъема струи. Если в зоне предполагаемого прохождения струи предварительно расположить ловушку типа емкости с направленным внутрь коническим отверстием или ловушку в виде клеевой поверхности, то можно захватить частицы вещества струи, чем осуществить дистанционный отбор вещества подобно устройству для взятия пробы с поверхности космических тел, описанному в статье авторов: Клумов Б.А., Ким В.В., Ломоносов И.В. и др. «Возможные наблюдательные эффекты в эксперименте Deep Impact» (УФН. 2005. Т.175. №7, С.767-777).

Ударник при атмосферном давлении падает с высоты ˜1,5 м на сыпучую гранулированную среду. Процесс образования струи вещества происходит следующим образом. В результате падения ударника на поверхности гранулированной среды внутри сквозного отверстия ударника образуется чашеобразное возмущение (всплеск) в виде так называемой короны. Возникающий при падении ударника перепад давления приводит к радиальному схлопыванию короны, нарастанию давления в центральной части осевого кратера и последующему выбросу вертикально вверх узкой кумулятивной струи гранулированных частиц. Образование чашеобразного возмущения внутри сквозного отверстия ударника позволяет уменьшить требования к первоначальным параметрам среды, в частности к ее эффективной вязкости, поскольку способ получения струи является более простым и надежным для случая радиального схлопывания частиц вещества внутри осевого отверстия ударника, чем для случая чашеобразного возмущения среды вокруг ударника. Образование чашеобразного возмущения внутри сквозного отверстия не требует полного погружения ударника в гранулированную среду и возможно даже при нестрого вертикальном падении ударника.

Следует отметить, что подбор геометрических размеров и материала данного ударника позволяет влиять на высоту создаваемой струи. Геометрические параметры и материал ударника выбираются в зависимости от вязкости среды и размеров частиц, составляющих среду.

Источники информации

1. Thoroddsen S.T. and Shen A.Q. "Granular jets" // Phys.Fuids. 2001. V.13. №1. Р.4-6.

2. Lohse D., Bergmann R., Mikkelsen R. et al "Impact on Soft Sand: Void Collapse and Jet Formation" // Am.Phys.Soc. 2004. V.93. №19. P.198003-1-198003-4.