Введение к работе
Актуальность работы
Течения газа или жидкости, несущих твердые частицы (пузырьки), широко распространены в природе и в современных технологиях. Эффективность тепломассообменных процессов в энергетике (включая атомные реакторы с шаровыми твэлами, котлы с кипящим и циркулирующим кипящим слоем), каталитической химии, нефтехимической, газовой, металлургической и других отраслях промышленности, определяется явлениями, происходящими в двухфазных потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы. Интенсификация указанных процессов, прежде всего, в энергетических устройствах и аппаратах является актуальной задачей.
Увеличение концентрации дисперсной фазы в потоках приводит к существенному изменению его характеристик, которые влияют на эффективность и надежность работы оборудования. Для проектирования современных технологических объектов необходимо создание и совершенствование методов расчета двухфазных дисперсных потоков, которые могут учитывать взаимодействие частиц с турбулентностью, коагуляцию и разрушения при столкновениях частиц друг с другом и со стенкой, фазовые переходы и другие физические процессы, с целью оптимизации процессов.
Ввиду сложности явлений теоретические методы расчета разрабатываются с привлечением эмпирической информации к конкретным режимам течения гетерогенной системы, и установлению характерных границ между различными структурными режимами течения смеси. Информация о скорости движения частиц и их концентрации необходима для анализа механизмов тепломассообменных процессов, влияния дисперсной фазы на турбулентность непрерывной фазы и т.д., поэтому исследования локальной гидродинамики в высококонцентрированных дисперсных потоках является актуальной задачей.
Экспериментальное исследование таких течений связано со значительными трудностями, так как необходимо разрабатывать и применять новые методы измерения, поскольку высококонцентрированные дисперсные системы, в основном, оптически не прозрачны, и применение оптических методов (ЛДА, PIV, PTV и др.) сильно ограничено или невозможно.
Настоящее исследование посвящено физическому моделированию двухфазных высококонцентрированных дисперсных потоков и измерению локальных характеристик с применением ЛДА, специально разработанных волоконно-оптических датчиков и метода оптической однородности.
Целью работы является экспериментальное исследование влияния объемной (массовой) концентрации дисперсной фазы на локальную гидродинамику: при турбулентном режиме фильтрации жидкости в регулярных упаковках шаров; в 2D и 3D аппаратах кипящего и циркулирующего кипящего слоя; в гравитационной струе песка, вытекающей из конуса; при газонасыщении турбулентного пограничного слоя.
Основные задачи
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Для изучения основных закономерностей локальной гидродинамики
турбулентного фильтрационного потока внутри пор, включая пограничные слои
на стенках шаров и канала, выполнен комплекс исследований процесса
турбулентной фильтрации жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса от 1000 до
20000; разработан экспериментальный стенд с рабочей частью, в которой
созданы кубическая (самая рыхлая) и октаэдрическая (самая плотная) упаковки
шаров; разработана методика измерений средних, пульсационных и
спектральных характеристик турбулентного фильтрационного потока с
применением метода оптической однородности и ЛДА; разработана новая
иммерсионная жидкость на основе йодистого и роданистого аммония.
-
Разработаны одно - двух - трехволоконные датчики, методики калибровки и измерения концентрации пузырей в аппаратах кипящего слоя (КС), скорости и концентрации частиц в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), концентрации газа в газожидкостных потоках; выполнены исследования и получены данные по распределению концентрации пузырей в 2D и 3D аппаратах кипящего слоя, скорости и концентрации частиц в крупномасштабном аппарате ЦКС в широком диапазоне режимных параметров.
-
Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе; разработан экспериментальный стенд и методика измерения скорости и массовой концентрации частиц в гравитационной струе песка с применением ЛДА и метода амплитудной дискриминации; получены данные по распределению концентрации частиц, средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости движения частиц песка.
-
Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Разработаны плоская модель с пористой стенкой, экспериментальный стенд с горизонтальной рабочей частью и пористой вставкой для газонасыщения турбулентного потока; разработаны методики измерения локальных характеристик турбулентного пограничного слоя (ТПС) с газонасыщеним: локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профиля концентрации газа в ТПС, профиля скорости жидкости в непосредственной близости от стенки трубы. Выполнены комплексные исследования эффекта снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения на пластине, на нижней стенке горизонтальной трубы, на нижней и верхней стенках во входном участке канала.
Научная новизна исследований Разработаны и реализованы новые подходы к диагностике двухфазных турбулентных потоков при высоких концентрациях дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков, разработана новая иммерсионная жидкость.
Впервые выполнен цикл экспериментальных исследований по визуализации и
измерению средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости
жидкости в проточной части регулярных упаковок шаров в турбулентном
режиме фильтрации, и проведен анализ основных закономерностей потока. На
их основе предложены физические модели процессов турбулентной фильтрации
в кубической и октаэдрической упаковках, ключевыми элементами которых
являются геометрия проточной части и точки контакта шаров.
Показано, что отрыв турбулентного пограничного слоя от стенок при струйном обтекании шаров в кубической ячейке затягивается до ~ 130- 135, а его присоединение происходит при угле ~ 30 - 35 на следующем по потоку слое шаров; внутри области отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя (в зоне теневых точек контакта шаров) наблюдается вихревая область рециркуляционного типа. Проведено исследование характеристик турбулентного пограничного слоя на шаре, вихревого рециркуляционного движения, и показано, что отрыва вихрей не происходит. Установлено, что структуры потока в центральной и пристенной ячейках кубической формы идентичны, за исключением зоны (~1 мм) пограничного слоя на стенке канала. Показано, что в отличие от кубической упаковки (фр=0.524) профиль средних скоростей в минимальном сечении октаэдрической ячейки (фр=0.74) имеет два максимума, а степень турбулентности жидкости в струйных зонах почти в два раза выше, чем в кубической ячейке при одинаковых числах Рейнольдса.
Получены данные по профилям скорости и концентрации дисперсной фазы в
крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем при
псевдоожижении частиц воздухом. Показано, что профиль скоростей частиц в
центральной области ЦКС имеет форму близкую к параболической (частицы
движутся вверх) с положительным максимумом на оси аппарата. В пристенной
зоне ЦКС (~ 20% поперечного сечения) частицы движутся вниз, отрицательный
максимум скорости расположен на некотором расстоянии от стенки, а по
величине он составляет примерно третью часть от максимальной скорости.
Показано, что концентрация частиц в центральной области ЦКС минимальна; она плавно растет при движении к стенке; в пристенной зоне концентрация резко увеличивается до максимума, а у самой стенки она в 2-3 раза меньше максимума в зависимости от режимных параметров. Установлено, что при увеличении скорости циркуляции концентрация частиц в пристенной зоне растет значительно больше, чем в ядре потока.
Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения
частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном
воздухе. Установлено, что скорость движения частиц на оси гравитационной
струи близка к зависимости Uo=(2gh) (идеальная жидкость), а концентрация
частиц на оси струи уменьшается экспоненциально. Впервые показано, что
спектр пульсаций скорости частиц на оси струи в диапазоне волновых чисел
5/3
10>К>100 изменяется в соответствии с зависимостью К" , характерной для изотропных турбулентных течений.
Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Впервые проведены комплексные исследования локальных характеристик турбулентного пограничного слоя с газонасыщением и снижением трения до 80%. Установлено, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является концентрация газа в пристенной (буферной) зоне; при увеличении расхода газа концентрация вблизи стенки достигает максимума (70-80%, Y/8-0.1), но в вязком подслое она близка к нулю. Впервые показано, что снижение локального трения связано с уменьшением градиента средней скорости жидкости, уменьшением интенсивности пульсаций трения и давления на стенке. Предложен механизм снижения трения для пузырькового метода, который связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.
Достоверность
Достоверность результатов исследований основывается на применении в экспериментах универсального отработанного метода ЛДА, анализе погрешности измерений; данными тестовых экспериментов по эталонным объектам с известными параметрами; повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами; сравнением с известными экспериментальными и теоретическими результатами; и подтверждается цитируемостью в публикациях ведущих научных журналов, обзорах и монографиях.
Практическая значимость работы
Результаты исследований закономерностей турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы могут быть использованы при разработке физических моделей, оптимизации течений в различных технологических установках, создании и тестировании новых методов расчета.
Новые данные по полям скоростей в регулярных шаровых укладках при больших числах Рейнольдса могут быть использованы при разработке компактных теплообменников, атомных реакторов на шаровых твэлах, при проектировании нефтяных и газовых скважин и др.
Новые данные по полям скоростей и концентраций частиц могут быть использованы в Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ, г. Москва) при проектировании котлов с циркулирующим кипящим слоем.
Лазерные волоконно - оптические системы могут применяться для исследований двухфазных потоков (включая криогенные эксперименты) в: ИК СО РАН, ИТ СО РАН, ИЛФ СО РАН и др.
Результаты комплексного исследования турбулентного пограничного слоя с газонасыщением могут быть использованы для снижения гидродинамического трения на судах и подводных объектах.
На защиту выносятся:
разработанные автором методики экспериментального исследования турбулентных двухфазных потоков при высокой концентрации дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков;
результаты экспериментального исследования средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости жидкости, а также физические модели процессов турбулентной фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках шаров;
результаты экспериментального исследования локальных характеристик в кипящем и циркулирующим кипящем слое: распределение объемной концентрации пузырей в 2D и 3D аппаратах кипящего слоя, профили скорости и концентрации частиц в ЦКС;
результаты экспериментального исследования локальных характеристик гравитационного движения дисперсного материала в струе, вытекающей из конуса: профили средней скорости, RMS пульсаций и концентрации частиц, спектральные характеристики пульсаций скорости частиц;
результаты экспериментального исследования снижения локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профили скорости жидкости и концентрации газовой фазы в турбулентном пограничном слое с микропузырьками газа, зависимость снижения трения от концентрации газа в непосредственной близости от стенки.
Личный вклад автора заключается в следующем:
постановка проблем, способы их решения и представленные научные результаты принадлежат автору;
представленные в работе основные результаты в виде сформулированных защищаемых положений, научной новизны и выводов получены и обоснованы лично автором;
- автору принадлежит разработка методик экспериментов, конструкций
экспериментальных установок, организация и проведение экспериментов, а
также анализ и обобщение собственных и известных литературных данных.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: Лазерная анемометрия и ее применение, Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности, Оптические методы исследования потоков, Сибирский теплофизический семинар, Горение твердого топлива, Second Intern. Conf. On Drag Reduction (Cambridge, 1977), 5th World Filtration Congress (Nice, France, 1990), Int. Symp. On the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation (Moscow, 1997), 7th Int. Conf. Laser Anemometry. Advances and Application (Karlsruhe, 1997), 2th and 3th Int. Conf. on Fluid Dynamic Measurement and Its Application (Beijing, 1994 and 1997), 16th hit. FCB Conference (USA, 2001),
European Drag Reduction Working Meeting (Kiev, Ukraine, 2010), bit. Conf. Materials, Methods & Technologies (MMT-14, Болгария, 2012) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 16 работ в журналах из списка ВАК, 10 патентов и два авторских свидетельства.
Структура и объем работы
