Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 8
Глава I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ II
Основные направления теоретического анализа газожидкостных систем II
Краткий обзор методов экспериментального исследования двухфазных потоков 19
Основные результаты эксперимента 28
1.4. Задачи исследования 53
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ПРО
ВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 55
Описание экспериментального стенда 55
Термоанемометрическая измерительная система для статистического анализа осредненных и пульсацион-ных характеристик газожидкостного потока 61
Принцип построения аппаратуры 61
Методика проведения измерений 73
Методика определения интенсивности и спектрального распределения пульсаций давления на стенке канала 77
Исследование теплоотдачи к газожидкостному потоку 83
Датчик для измерения плотности теплового потока 83
Описание тепловой модели. Методика обработки опытных данных 85
Стр.
2.4.3. Результаты контрольных испытаний 91
2.5. Оценка точности измерений 93
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ .... 98
Влияние основных параметров газожидкостного потока на распределение фаз по сечению канала ....... 98
Осредненные и пульсационные характеристики течения двухфазной смеси 107
Локальные коэффициенты теплоотдачи к газожидкостному потоку 121
3.4. Анализ результатов измерения 123
Глава 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕЧЕНИИ ГА30ЖВДК0СТН0Г0 ПОТОКА .. 130
Расчетная модель процесса 130
Численное интегрирование системы уравнений ...... 134
Дифференциальные уравнения 135
Метод решения уравнений 138
Методические расчеты 140
4.3. Сопоставление опытных и расчетных данных 143
ВЫВОДЫ 153
ЛИТЕРАТУРА 155
ПРИЛОЖЕНИЕ. Протоколы испытаний термоанемометрического
измерительного комплекса 170
Введение к работе
Большое количество экспериментальных и теоретических работ, проведенных в последние годы у нас в стране и за рубежом, посвящено вопросам гидродинамики и теплофизики газожидкостных систем. Это связано с актуальными задачами, которые стоят перед современной энергетикой, нефтегазодобывающей, химической промышленностью. Совместное течение газа и жидкости широко используется как эффективное средство интенсификации процессов тепломассообмена в различных теплообменных устройствах, предназначенных для охлаждения теплоналряженных элементов конструкций. Восходящее движение газожидкостного потока в трубах характерно для барботажных газлифтных реакторов, эффективность химических превращений в которых зависит не только от скорости химической реакции, но и от условий тепломассообмена, определяемых гидродинамическим состоянием системы. Перспективным является использование газожидкостных потоков в качестве управляемой модели процессов кипения.
Проблема рационального использования энергоресурсов, на которую ориентируют решения ХХУТ съезда КПСС, требует создания аппаратуры, обладающей оптимальными массогабаритными, стоимостными и энергетическими показателями. Разработка эффективных газожидкостных систем сдерживается в настоящее время отсутствием единого физико-математического описания процесса и достаточно обоснованных расчетных моделей.
Дискретность структуры газожидкостного потока, его турбулентный характер, многообразие режимов течения являются основным препятствием аналитического изучения процессов переноса при двухфазном течении и построения универсальных методов расчета его характеристик. Поэтому значительная часть иеследова-
ний в этой области носит до настоящего времени экспериментальный характер.
Полученные в большинстве работ интегральные характеристики двухфазного потока, такие как потери напора по длине канала, среднее по сечению и длине канала газо содержание являются недостаточной информацией для выявления механизмов переноса количества движения и теплоты, что значительно затрудняет обобщение результатов исследования. В случае пузырькового режима течения при обобщении опытных данных возникают дополнительные трудности, связанные с необходимостью учета влияния на процессы переноса поперечной неравномерности объемного газосодержания, его зависимостью не только от расходных параметров двухфазного потока, но и от конкретных условий течения -способа ввода газа в поток жидкости, размеров газовых пузырей, уровня начальной турбулентности и т.д.
Существующие методы расчета неадекватны физической картине течения пузырьковой двухфазной смеси, так как они полностью или частично игнорируют отличие локальных параметров потока от средних значений, относимых к потоку в целом. Такие модели имеют частный характер, что ограничивает их использование в условиях, отличающихся чем-либо от условий эксперимента. Разработка более универсальных полу эмпирических методов, подобных созданным для однородного турбулентного потока, требует постановки экспериментов по изучению структуры двухфазного потока, его локальных и пульсационных характеристик.
В настоящее время исследования структуры газожидкостного потока ограничиваются пока исследованиями течений без подвода тепла. Большинство этих работ связано с изучением локальных характеристик кольцевого и расслоенного режимов течения. Лишь
в последние годы проведено небольшее количество исследований детальной структуры двухфазного потока применительно к пузырьковому режиму течения. Поэтому первостепенной задачей является дальнейшее накопление эмпирической информации о возможно большем числе локальных характеристик таких течений.
Не менее актуальным вопросом является проведение комплексных, по возможности, одновременных измерений наиболее важных величин, куда относятся локальные значения газосодержания, скоростей фаз, коэффициента теплоотдачи, касательного напряжения на стенке, а также пульсационные характеристики течения. Такие измерения позволяют установить взаимосвязи между различными параметрами, что дает в свою очередь возможность понять механизмы переноса. Однако, число работ такого рода существенно ограничено, а результаты измерений часто противоречивы. Последнее можно объяснить тем, что вследствие дискретности газожидкостного потока задача определения его основных локальных характеристик диктует необходимость разработки обоснованных методов исследования и предъявляет новые требования к обработке и анализу сигналов измерительных устройств.
В предлагаемой работе использован термоанемометрический метод измерения, дающий возможность одновременного определения локальных средних и пульсационных характеристик. На основе разработанной методики создан комплекс аппаратуры для одновременного измерения локальных параметров как жидкой фазы (скорости, интенсивности пульсаций скорости, коэффициентов корреляции, ассиметрии и эксцесса), так и газовой фазы (газосодержания, частоты прохождения газовых пузырей, длительности пребывания газовой фазы) газожидкостного потока.
Представлены результаты экспериментального исследования
гидродинамики и теплообмена при восходящем течении воздушно-водяного потока в вертикальной трубе при скоростях движения, соответствующих числам Рейнольдса Re^= І,0*І03 - 2,5*10 , и расходных газосодержаниях ft = 0 - 0,8. Наиболее подробно исследован пузырьковый режим течения двухфазного потока.
Исследования включали комплексное измерение локального объемного газо содержания, распределения скорости жидкой фазы и ее пульсаций, интенсивности и спектрального распределения пульсаций давления на стенке и локальных коэффициентов теплоотдачи к воздушно-водяной смеси. В результате анализа экспериментальных данных получены оценки влияния осредненных и статистических характеристик двухфазной смеси на интенсивность теплообмена, на основе модели крупномасштабного перемешивания предложена методика расчета на ЭВМ гидродинамических и тепловых процессов при течении газожидкостного потока.
Автор защищает: методику и результаты экспериментального исследования указанных выше локальных средних и пульсационных характеристик воздушно-водяного потока, результаты анализа полученных характеристик, методику расчета гидродинамики и теплообмена при пузырьковом режиме течения газожидкостного потока.
Работа выполнена в лаборатории кафедры "Термодинамика и теплопередача" МВТ7 им. Н.Э.Баумана под руководством профессора, доктора технических наук ВДдаева Б.Н.
