Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования
1.1. Механизм и условия зарождения паровой фазы 12
1.1.1. Метастабильное состояние 12
1.1.2. Механизм зарождения паровой фазы 17
1.1.3. Режимы течения 21
1.2. Модели двухфазных потоков 24
1.2.1. Гомогенная модель 25
1.2.2. Гетерогенная равновесная двухжидкостная модель 26
1.2.3. Многослойные модели 29
1.2.4. Полидисперсная модель (MUSIG) 31
1.3. Критическое истечение вскипающих жидкостей
1.3.1. Гомогенная равновесная модель
1.3.2. Гомогенный поток замороженного состава 37
1.3.3. Модель раздельного движения фаз 38
1.4. Экспериментальные исследования 41
1.5. Постановка задачи исследования 47
ГЛАВА 2. Описание экспериментального стенда и методика проведения опытов 49
2.1.Экспериментальный стенд 49
2.1.1. Работа стенда 52
2.2. Методика проведения эксперимента 52
2.2.1. Измерение расхода 53
2.2.2. Измерение давления 54
2.2.3. Измерение температуры 54
2.2.4. Измерение тяги 56
2.2.5. Фоторегистрация потока 56
2.3. Объект исследования 57
2.4. Погрешность измерений 59
ГЛАВА 3. Математическая модель 63
3.1. Модель смеси, используемая в пакете FLUENT 63
3.2. Система дифференциальных уравнений сохранения для многослойной модели 67
3.3. Инженерный метод определения характеристик двухфазного потока в одномерной постановке 77
ГЛАВА 4. Результаты экспериментального исследования параметров двухфазного потока
4.1. Процесс парообразования и структура двухфазного потока... 81
4.1.1. Процесс парообразования в соплах Лаваля 82
4.1.2. Процесс парообразования в цилиндрических каналах. 84
4.2. Влияние начальных параметров потока на процесс парообразования 86
4.2.1. Влияние температуры 86
4.2.2. Влияние давления 86
4.3. Критический расход 87
4.4. Реактивная тяга 93
4.5. Метастабильность процесса 96
4.6. Численное исследование результатов 100
4.6.1. Апробация гипотезы Дина 100
4.6.2. Полная кавитационная модель 102
4.7. Обобщение экспериментальных данных 109
4.8.Фоторегистрация структуры потока 112
Основные результаты и выводы 115
Список литературы
- Метастабильное состояние
- Критическое истечение вскипающих жидкостей
- Измерение температуры
- Система дифференциальных уравнений сохранения для многослойной модели
Введение к работе
Течение жидкости с фазовыми превращениями является одним из разделов механики газов и жидкостей, в котором рассматривается движение гетерофазной среды. Двухфазная среда, как частный случай гетерофазной среды, может образовываться при адиабатном истечении (расширении) капельной жидкости. При расширении жидкости вследствие падения давления в потоке создаются условия для зарождения и развития паровой фазы, и капельный поток жидкости превращается в гетерофазный поток, содержащий жидкую и паровую фазы.
Такие течения представляют комплекс быстропротекающих термо- и гидродинамических явлений, в которых существенную роль играют турбулентность, диффузия, природа и скорость образования зародышей новой фазы, межфазный тепло- и массоперенос. Как правило, такие явления протекают неравновесным путем, а жидкость в момент зарождения и развития новой фазы может находиться в метастабильном состоянии [1, 73].
По поводу физической природы образования зародышей новой фазы существуют различные точки зрения, которые основываются на представлениях статистической физики, моделях "готовых центров", турбулентных вихрей и прочих реальных факторах, инициирующих фазовые переходы.
Интерес к исследованию течений жидкостей с фазовыми переходами связан с их широким использованием в ракетостроении, авиации, криогенном машиностроении, энергетике, химической промышленности и других отраслях техники. Движение жидкостей с потерями давления в лопастных машинах, струйных насосах, элементах дренажной и регулирующей арматуры и т.д. сопровождается частичным испарением и образованием двухфазного потока. Для расчета и проектирования оборудования,
8 обеспечения безопасной и управляемой работы энергоустановок необходима информация об условиях образования и развития новой фазы и характеристиках двухфазного потока.
Исследованию двухфазных потоков уделяется достаточно много внимания, о чем говорит количество монографий и статей по данной тематике [4, 5, 6, 15,46, 54, 57, 69,70,71,72].
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ. Объекты таких комплексов включают различные технические системы с жидкими рабочими телами, в том числе и криогенными. Количество жидкости в таких системах значительно и достигает в космических аппаратах 50 % от стартовой массы. Жидкостные системы, согласно условиям эксплуатации, либо постоянно, либо на определенное время сообщаются с внешней средой. В тех случаях, когда давление внешней среды будет меньше давления насыщенных паров жидкости, в дренажных магистралях, предохранительных клапанах и прочих элементах гидравлических трактов вследствие частичного испарения жидкости будет образовываться гетерофазный поток [74].
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Истощение запасов нефти очень остро ставит проблему поиска альтернативных источников топлива для тепловых двигателей. В качестве наиболее реальной замены углеводордных горючих, получаемых из нефти, называют сжиженные природные газы (СПГ) и водород [6,7]. Водород является возобновляемым источником топлива, а разведанных запасов газа хватит по оценкам специалистов на ближайшие 100 - 200 лет в зависимости от темпов потребления [75].
СУДОСТРОЕНИЕ. Одной из наиболее важных проблем водного транспорта является проблема создания судов, способных перемещаться в воде с высокими скоростями. В тех случаях, когда в качестве движителя используется гребной винт, его эффективная работа ограничивается величиной скорости, при которой начинается кавитация. Такое ограничение
9 можно преодолеть, если использовать другой тип движителя. В связи с этим в судостроении рассматриваются перспективы использования гидрореактивных двигателей, которые способны перемещать надводные и подводные суда со скоростями, равными 200 км/час [76].
ЭНЕРГЕТИКА. В гидравлических системах энергетического оборудования используется широкий ассортимент рабочих тел. Это вода, расплавленные металлы, криогенные и прочие жидкости, которые по условиям технологических циклов находятся в состоянии близком к насыщенному. Движение таких рабочих тел с потерями давления в сепараторах, парогенераторах, струйных насосах, элементах регулирующей и запорной арматуры и прочих устройствах сопровождаются частичным испарением жидкости и образованием двухфазного потока [69-77].
Цель работы:
Экспериментальное исследование и расчетное моделирование характеристик двухфазного потока, образующегося в процессах адиабатного течения жидкостей в соплах и каналах. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
Модернизировать экспериментальный стенд для исследования характеристик двухфазного потока. Разработать и изготовить средства диагностики потока вскипающей жидкости.
Изучить условия образования паровой фазы в потоке жидкости.
Изучить зависимости режимов истечения, критического расхода и тяги, создаваемой двухфазной струей, от параметров процесса.
Разработать одномерные и двумерные модели течения жидкостей с фазовыми превращениями.
Апробировать модели и провести параметрическое исследование условий парообразования и характеристик двухфазного потока,
10 образующегося в процессах адиабатного течения различных жидкостей в соплах и каналах.
Научная новизна:
Усовершенствованы технология измерения реакции струи вскипающей жидкости и методика косвенного определения параметров двухфазного потока.
Определены достижимые перегревы жидкостей, реализуемые в процессах адиабатного течения в соплах.
Изучено влияние параметров потока и геометрии каналов на критический расход.
Получены критериальные зависимости для определения критического расхода вскипающих жидкостей через сопла.
Показано определяющее влияние турбулентности на условия зарождения паровой фазы в потоке жидкости.
Разработаны модели течения жидкости с фазовыми превращениями.
Проведено параметрическое исследование условий парообразования для случая адиабатного течения различных жидкостей (воды, азота, метана) в соплах.
Практическая значимость.
Результаты диссертационной работы являются теоретической основой для определения характеристик процессов, в которых жидкие рабочие тела претерпевают фазовые превращения, а также для оптимизации таких процессов. Полученные данные о величине перегревов жидкости, критическом расходе, разработанные модели потоков вскипающей жидкости могут быть использованы при проектировании и эксплуатации струйных насосов, гидрореактивных двигателей, сепараторов двухфазных сред,
регулирующей арматуры и других элементов энергооборудования.
Метастабильное состояние
Зарождение паровой фазы в потоке жидкости при движении ее с отрицательным градиентом давления происходит в метастабильной области состояний, как показано в результате многочисленных исследований [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,17,18,19,20,21,104].
Метастабильные состояния встречаются у фаз различной природы. Это могут быть изотропные или анизотропные фазы, содержащие частицы одного вида или нескольких видов [2]. Под метастабильным состоянием понимается состояние, устойчивое относительно небольших возмущений системы и неустойчивое по отношению к большим возмущениям (понятие метастабильного состояния предполагает сопоставление двух достаточно протяженных фаз, способных к равновесному сосуществованию).
Если рассматривать фазовые диаграммы вещества в координатах (p-v, р-Т, v, T-s, T-h и т. д.) то линии фазовых переходов отделяют участки абсолютно устойчивых состояний фаз. Метастабильное состояние реализуется при переходе через линию равновесия без фазового превращения. В этом смысле, мы говорим о вторжении одной фазы в область существования другой фазы (на чужое поле) или об ее пресыщении. Глубина вторжения характеризуется соответствующей разностью определенной физической величины, например, разностью температур AT =Т s(p), или разностью давлений, энтальпий, энтропии и прочих свойств. Перевести систему в метастабильное состояние возможно различными путями, например, изменением температуры при постоянном давлении, изотермическим или адиабатным расширением. Если процесс квазистатический, то путь перехода не влияет на конечное состояние.
Обсуждение начнется с типичных диаграмм состояния, которые, хотя и идеализированно, присущи многим практическим веществам. На рис 1.1, 1.2 показаны типичные фазовые диаграммы, на которых р - давление, Т -температура, v - удельный объем. В тройной точке фазовой диаграммы сосуществуют твердая, жидкая и паровая фазы, то есть вещество имеет три альтернативных устойчивых состояния. Линия насыщения жидкость-пар (или бинодаль) проходит от этой точки до критической точки. На линии фазового равновесия химические потенциалы сосуществующих фаз равны. На этой линии пар и жидкость представляют собой две устойчивые формы состояния, одна из которых может быть получена из другой изотермическими объемными изменениями. В [73] указано, что " Вследствие этой неустойчивости, фактический переход от жидкого состояния в газообразное и наоборот имеет место не по теоретической изотерме (пунктирная линия на рис. 1.2), а по горизонтальной изотерме (сплошная линия), при этом исходное гомогенное вещество распадается на две различные сосуществующие фазы. В критической точке максимумы и минимумы теоретической изотермы сливаются, и неоднородность исчезает.
Линия, соединяющая максимумы теоретических изотерм, называется спинодалью пара, а линия, соединяющая минимумы, спинодалью жидкости. Обе спинодали соединяются в критической точке. Две области между спинодалью и бинодалью представляют особый интерес, потому что теоретические изотермы в пределах этих областей могут осуществляться на практике при некоторых специфических условиях. Если, например, чистую жидкость в состоянии А (рис 1.2) переводить при постоянной температуре в другое состояние с меньшим давлением, то может наблюдаться несколько явлений. Если в жидкости имеется достаточное количество зародышей необходимого размера, то жидкость станет паром (состояние изменяется горизонтально от В до С), и при давлении ниже давления насыщения пара, установится равновесие в газообразной области в точке Е. Однако если таких зародышей нет, то снижение давления может вести к продолжению жидкого состояния вниз по теоретической изотерме к точке D. Состояние в точке D называют метастабильным. Жидкость в точке D, как считают, находится в неравновесном состоянии; мерой отклонения от равновесия является разность давлений в точках В и D. Конечно, можно было также достичь точки D, переходя по изобаре от точки D , увеличивая температуру. Тогда эквивалентное состояние в точке D характеризуется перегревом, который представляет собой разность температур в точках D и D . Аналогичным образом, при охлаждении или сжатии пара от первоначального состояния в точке F можно достичь метастабильного состояния в точке F . Разность температур в точках F и F - переохлаждение пара.
Критическое истечение вскипающих жидкостей
Это одножидкостная модель. Поток жидкости или гомогенной двухфазной смеси рассматривается как однофазный поток, обладающий средними свойствами, без или с незначительным скольжением между фазами. Гомогенная модель может применяться в том случае, когда частицы (пузыри, капельки или твёрдые частиц) настолько маленькие, что они всегда следуют за непрерывной фазой. Отсутствие скольжения между фазами, вообще обозначаемое как механическое равновесие, означает, что динамические или инерционные эффекты являются несущественными. Моделирование потока может рассматриваться при условии термического равновесия, что предполагает бесконечно быстрый теплообмен между фазами (фазы имеют одинаковую температуру). Во многих случаях, однако, теплообмен между фазами требует времени, и изменение термодинамического состояния в непрерывной фазе не будет немедленно отражаться на дисперсной фазе.
Гомогенная модель смеси согласно [22], представлена в главе 3.
Гетерогенная равновесная двухжидкостная модель. В работах [23,24,25,26,27,28,29,30] одномерные модели рассматриваются с различными замыкающими условиями для разных каналов. В [24] авторы рассматривали двухжидкостную неравновесную одномерную модель для описания критического течения фреонов через короткий цилиндрический канал. Рассматривалось течение фреонов R134a, R12, R22, R410A и R407C со следующими предположениями: поток стационарный, одномерный, адиабатный; гравитационные силы не учитываются. Уравнения сохранения имеют вид. В этой работе двухфазный поток разделен на три режима согласно величине объемного паросодержания: пузырьковый поток ср 0.3, турбулентный снарядный поток 0.3 ф 0.8 и дисперсно-кольцевой поток Ф 0.8. Для оценки коэффициентов теплопередачи и межфазного взаимодействия для различных режимов потока использовались соотношения из табл. 1.1.
Поскольку статическое давление на входе короткой трубы в значительной степени превращается в скоростной напор, скорость жидкости быстро увеличивается, что приводит к снижению давления и перегреву жидкости. Принимается, что изменение давления происходит на бесконечно малом участке на входе в трубу. Изменение давления может быть определено следующим образом:
Уравнения сохранения решались численными методами. Сравнение с экспериментальными данными по критическому расходу при течении в коротких трубах фреонов R134a, R12, R22, R410A и R407C показало, что расхождение составляет около ±20 %.
Многослойные модели. В этих моделях рассматриваются различные течения неоднородных сред с учетом всевозможных структурных форм потока. В работах [31,32,33,34,10] рассмотрены многослойные модели для различных режимов течения, например, в [31] и [32] рассмотрен кольцевой двухфазный поток с непрерывной жидкой фазой, непрерывной паровой фазой и дисперсной жидкой фазой. В работе [33] предложена более общая модель, пригодная практически для любых режимов. Модель показала зо хорошее согласование с экспериментальными данными. Данная модель позволяет рассчитать распределение фаз в непрерывной паровой и непрерывной жидкой среде, а также в дисперсных средах. Уравнения сохранения для многомерной двухжидкостной модели записываются следующим образом: уравнение сохранения массы (j-oro слоя k-ой фазы) d pd + V.(ajkPkvjk)=Tjk+m k (1.29), где Ojk - объемное паросодержание к-ой фазы, Гд - объемная интенсивность потока массы при фазовом переходе в j-ом слое, и т"к - объемная интенсивность потока массы j-oro слоя от других слоев k-ой фазы. Уравнение сохранения количества движения (j-oro слоя k-ой фазы) d[ajkpkVjk) і - - \ г \ ( Г- т 1\ = + V.(ay,Av,,v,,J+ V(aJkPjk)- адгд +т jk\) ({Щ -VjkPkS Kjk -Mjk = ГулY;- + m" kvjk w где і - напряжение Рейнольдса для j-oro слоя к-ой фазы МдИ, М межфазные и поверхностные силы (на единицу объема), соответственно. Yj = ljk-]k- Следует отметить, что в общем случае к =-рку kv к+тк где, I обусловлена столкновениями частиц потока. Уравнение сохранение энергии (j-oro слоя k-ой фазы) Ck+qJL ajkqjk (1.31) +V.(«;,Av, )+V. dt w ул " jk -Djk- -q:.A =TjkM + m ;kMjk Уравнения (1.39a- 1.39e) характеризуют внутреннюю энергию, турбулентный тепловой поток, межфазный тепловой поток, диссипацию энергии и статическое давление соответственно. Это подход используется для описания полидисперсных потоков. Модель MUSIG была предназначена для расчета двухфазных потоков, в которых дисперсная фаза имеет большое изменение в размере. MUSIG учитывает баланс числа частиц при разрыве и слиянии и может быть включена в трехмерные вычислительные модели CFD.
Частицы в дисперсной фазе могут быть разделены по размерам на несколько групп. Каждую группу можно рассматривать как отдельную фазу многофазного потока. Эта многофазная модель представляет собой систему N + 1 уравнений неразрывности и количества движения, где N - число групп определенного размера. Из-за большого количества вовлеченных уравнений, на практике обычно число групп составляет 2-3. В результате распределение частиц по размерам представлено неадекватно.
MUSIG предполагает, что все скорости частиц одинаковы, чтобы можно было решить уравнения сохранения количества движения для всех частиц. Однако уравнения неразрывности для групп размера частицы сохранены и решены, чтобы получить распределение по размерам. С этим подходом возможно рассмотреть большее число групп размеров частицы (от 10 до 20), что позволяет улучшить представление распределения частиц по размеру.
В работах [35], [36, 37, 38] и [37] модель представлена более детально. Авторы приняли ту же самую общую форму уравнения баланса числа частиц: —n, + V-unf = BB-DB+Bc-Dc , (1.35) ot где ПІ - число пузырей і-ой группы в единице объема, ВвнВс- коэффициенты возникновения из-за разрыва и соединения соответственно, и DB и DQ соответствующие показатели исчезновения. Также они приняли те же самые модели для разрыва и соединения, которые предложены Luo и Svendsen (1996) для разрыва и Prince and Blanch (1990) для слияния.
Измерение температуры
Средний массовый расход жидкости через рабочий участок определялся весовым способом (по разнице залитой и оставшейся массы воды в баке и времени истечения, определяемом электронным секундомером). Абсолютные погрешности измерения массы АМ=5 г, измерения времени Ат=0,2 с. где М0- масса залитой в бак воды, М - масса воды, оставшейся в баке после срабатывания отсечного клапана.
Регистрация объемного расхода через экспериментальные участки производилась с помощью турбинного датчика расхода ТДР. Расстояние между ТДР и ближайшим гидравлическим сопротивлением превышало 12 калибров. В экспериментальном стенде использовался датчик ТДР 7-1-1. Датчик расхода перед опытами тарировался на воде. В тарировочных опытах вода проходила через гидравлический тракт стенда и сливалась в контрольную емкость, объемом 0,1 м3. Результаты тарировки представлены на рис.2.2. Время заполнения контрольной емкости измерялось секундомером.. Частота вращения турбинного датчика расхода измерялась электронным мультиметром В7-68, с классом точности 0,05. По результатам тарировок было получено уравнение для определения объемного расхода: Q = (-20,100+3,243v) 10-4 (2.2) Здесь объемный расход Q в м /с, частота v в Гц.
Массовое значение расхода определялось по известным из опытов объемному расходу Q, плотности жидкости р=р(Р,Т) по данным [20]. Параметры жидкости р и Т измерялись за ТДР.
Измерение давления. Избыточное давление внутри расходных баков и на рабочем участке измерялось образцовыми манометрами. Класс точности манометров 0,5. В опытах применялись манометры с пределами измерения от 0,1 до 5 МПа.
Распределение статического давления в тракте исследуемых сопел определялось с помощью отверстий отбора давления диаметром 0,8 мм. Для регистрации давления использовались образцовые манометры с классами точности 0,5, которые устанавливались на манометрический щит. Показания приборов снимались путем поочередного контроля методом фоторегистрации в стационарном режиме всех измерительных линий.
Измерение температуры. Измерение температуры производилось с помощью термопар ТХА (К). Термопары помещались в термометрическую гильзу диаметром 3 мм с толщиной стенок 0,5 мм. В опытах температура измерялась внутри двух рабочих баков в трех сечениях по высоте расходных баков: внизу, в середине и вверху. Погрешность измерения температуры ДТ=0,3 К. Перед экспериментами термопары тарировались с помощью термостата ТС-24. Температура жидкости в термостате измерялась образцовыми лабораторными ртутными термометрами расширения ТЛ-4, с ценой деления 0,1 С в диапазоне 0-100 С. Холодные спаи термостатировались в сосуде Дьюара со льдом.. Функциональная зависимость ЭДС от температуры (рис.2.3), полученная путем обработки тарировочных данных методом наименьших квадратов имеет вид:
Для измерения импульса тяги был использован тензометрическии датчик. Датчик включает: чувствительный элемент от датчика давления типа "Сапфир", термостатированный усилитель и стабилизированный блок питания. Импульс реактивной тяги воспринимался чувствительным элементом, деформация которого с помощью тензорезистора преобразовывалась в токовый сигнал. Сигнал тензопреобразователя усиливался и поступал на вход интерфейса. Питание усилителя обеспечивалось стабилизированным блоком питания. Тензометрическии датчик тарировался с помощью образцовых гирь. Зависимость напряжения тензометрического датчика от импульса тяги в диапазоне от (Н60 Н имеет вид прямой линии (см. рис. 2.6) и описывается уравнением: R=-1,08157+5,19571 U (2.4) Здесь тяга R в Н, напряжение U в мВ. Статическая погрешность измерения реактивной тяги AR=0,05 Н. Тензометрическии датчик неподвижно закреплен на раме установки на одной оси с рабочим участком. Регистрация показаний реактивной тяги производилась непрерывно в течение всего времени истечения жидкости из расходных баков. Фоторегистрация потока. Во время проведения эксперимента проводилась фоторегистрация двухфазной струи за срезом канала при различных начальных параметрах потока. Для этого использовались цифровые фотокамеры экспозиции. В опытах изучалось течение жидкости в каналах различной конфигурации и длины. В качестве рабочего тела в опытах использовалась дистиллированная вода.
Экспериментальный участок - это сопла Лаваля и цилиндрические каналы с острой входной кромкой. В осесимметричных соплах для отбора статического давления предусмотрены отверстия, перпендикулярные к поверхности канала, диаметром 0,8 мм. Все экспериментальные участки изготавливались по 5 классу чистоты поверхности, что соответствует высоте микровыступов не более 20 мкм.
Принималось, что погрешности измеряемых величин распределены по нормальному закону. Поскольку значения величин определялись в большинстве случаев по результатам многократных измерений, то в соответствии с [78,79] исключались грубые погрешности, после введения поправок для исключения систематических погрешностей за результат измерений принималось среднее арифметическое результатов измерений:В этой главе представлены две различные математические модели: первая - математическая модель, осуществленная в пакете FLUENT, в которой растворенный газ служит механизмом для зарождения паровых пузырьков, и вторая - математическая модель, развитая, чтобы описать физический процесс, имеющий место в адиабатном расширении недогретой жидкости при течении через каналы различной геометрии.
Модель смеси, используемая в пакете FLUENT. Предположения: Система включает в себя только две фазы (жидкость и ее пар) и некоторую долю неконденсируемого газа. Эта модель рассматривает оба процесса: зарождение и схлопывание пузырьков пара (конденсация). Массовое содержание неконденсируемого газа известно заранее. Эта глава содержит информацию о модели, используемой в пакете FLUENT, которая включает эффекты кавитации в двухфазных потоках.
Давление жидкости при постоянной температуре может быть снижено ниже давления насыщения, соответствующего температуре жидкости. Процесс разрывания жидкости при уменьшении давления при постоянной температуре называется кавитацией. Жидкость также содержит микропузыри неконденсируемых и растворенных газов, или зародышей, которые при уменьшающемся давлении могут разрастаться и формировать каверны. В таких процессах, имеются очень большие изменения плотности при низких давлениях.
Система дифференциальных уравнений сохранения для многослойной модели
Двухфазный поток, характеризуется существенной структурной неоднородностью. Наибольшая концентрация тяжелой фазы наблюдалась в центральной области канала, что обусловлено действием инерционных сил. Определяющее влияние на паросодержание и структуру потока оказывает начальный недогрев жидкости. На рис.4.1-4.3 показаны результаты фоторегистрации структуры двухфазного потока в тракте сопла Лаваля для случая истечения воды с одинаковыми начальными давлениями и различными температурами (различными недогревами).
При больших недогревах вн 0,9 наблюдается типичный кавитационный режим течения, сопровождаемый характерным шумом и пульсациями давления. За горлом сопла происходит отрыв потока с образованием протяженных паровых каверн. Наибольший уровень пульсаций давления зарегистрирован в области зарождения паровой фазы и обусловлен, по-видимому, разрушением пузырьковой структуры потока и конденсацией пузырей. Аналогичная информация о пульсациях давления, сопровождающих течение вскипающих жидкостей, содержится в работах [87, 5]. С увеличением температуры уровень шумов и пульсаций давления уменьшается и, как следует из рис.4.1-4.3, сокращается протяженность фронта испарения.
Влияние давления. Вариации давления при неизменной начальной температуре жидкости мало влияют на процесс парообразования. При неизменной температуре, по мере увеличения р0 фронт испарения растягивался и, при достаточно больших значениях р0, разрушение центральной жидкой струи происходило за срезом сопла. На рис. 4.8 показано распределение статического давления при фиксированной температуре и различных давлениях.
На рис. 4.9-4.14 представлены экспериментальные данные о распределении статического давления для всех сопл. Определяющее влияние на градиент давления оказывает начальный недогрев жидкости. При больших недогревах 9Н 0,7 градиент давления в расширяющейся части сопла практически отсутствует. При малых недогревах, как следует из рис. 4.9-4.16, значение градиента давления в соплах практически неизменно.
Давление на входе влияет, главным образом, на структуру двухфазного потока. Чем выше входное давление, тем больше градиент концентрации фаз в поперечном сечении канала.
Установление критического режима течения и кризисные явления, наблюдаемые в двухфазных потоках, непосредственно связаны с развитием процесса парообразования. Исследование расходных характеристик каналов при различных противодавлениях показало, что расход воды через канал остается неизменным до тех пор, пока возмущение, связанное с повышением рПр, не достигает той области двухфазного потока, в которой структура его изменяется от пузырьковой к дисперсной. Относительное противодавление Рпр/ро J соответствующее установлению максимального расхода, мало зависело от геометрии канала и начальных параметров потока и равнялось РкР=0,5-0,65. Известно, что в случае движения гомогенной сжимаемой среды критическое течение устанавливается тогда, когда скорость потока в каком-либо сечении канала при определенной величине возмущающего воздействия, достигает значения местной скорости звука. В гетерофазной среде скорость звука наряду с параметрами состояния зависит от концентрации фаз и структуры среды, как это показано в работах [86,57, 52].
На рис. 4.15, 4.16 представлены экспериментальные данные о влиянии начального давления на удельный расход, для тех режимов течения, когда на вход в канала поступала жидкость с малыми недогревами (в состоянии близком к насыщенному), абсолютный недогрев 1 АТН 8 С.
Как следует из рис. 4.15, по мере увеличения начального давления расход монотонно возрастает, и по данным [8,11] достигает максимального значения при я« 0,35-0,4. Установление максимального расхода связано с кинетикой процесса парообразования и реализацией механизма взрывного вскипания [78,2,88].
Влияние температуры. При больших недогревах за горлом сопла происходит отрыв потока с образованием паровых каверн, возникает шум и пульсации давления, происходит разрушение пузырьковой структуры потока и конденсация пузырей. С увеличением температуры уровень шумов и пульсаций давления уменьшаются, а протяженность фронта испарения сокращается. Влияние давления. Изменение начального давления при неизменной температуре жидкости мало влияет на процесс парообразования.
Влияние геометрических факторов на расход вскипающей жидкости. Влияние угла раскрытия сопла. Существует предельное значение а, больше которого угол раскрытия сопла, практически, не влияет на расход (для плоских сопел в диапазоне а = 0 - 17, и для осесимметричных сопел в диапазоне а = 0-12) (рис.5).
Влияние длины расширяющейся части сопла. Длина расширяющейся части сопла влияет только в коротких каналах L/d 3. Дальнейшее увеличение длины расширяющейся части приводит к незначительному снижению расхода.
