Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Задачи исследования 10
1.1. Гидродинамика витающих капель. Тепло — и массоперенос 10
1.1.1. Гидродинамические характеристики витающих капель.. 10
1.1.2. Тепло-и массоперенос при охлаждении, затвердевании, росте и таянии витающих частиц конвективных осадков 20
1.2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов переноса и фазовых превращений в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрических и магнитных полей 31
1.3. «Подвешивание» капель в потоке движущегося газа 40
1.4. Цель и задачи исследования 42
2. Аппаратура и методика экспериментального моделирования процессов охлаждения, затвердевания, таяния и выпадения градин 44
2.1. Условия проведения экспериментов 44
2.2. Описание схемы экспериментальной установки 44
2.3. Методика измерения основных параметров 52
2.4. Порядок проведения экспериментов 54
3. Результаты экспериментального исследования процессов охлаждения, затвердевания и испарения капель воды в потоке воздуха 56
3.1. Математическая постановка задачи затвердевания и последующего охлаждения капли воды в потоке воздуха 56
3.2. Анализ существующих решений задачи о затвердевании сферических тел 58
3.3. Определение времени полного затвердевания капли и распределения температуры в затвердевшей частице 62
3.4. Обобщение экспериментальных данных по времени полного затвердевания капель воды 74
3.5. Обобщение экспериментальных данных по тепло- и массоотдаче затвердевших частиц 85
3.6. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации капель жидкости 92
3.7. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на интенсивность испарения капель жидкости 97
Заключение 115
- Теоретические и экспериментальные исследования процессов переноса и фазовых превращений в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрических и магнитных полей
- Описание схемы экспериментальной установки
- Анализ существующих решений задачи о затвердевании сферических тел
- Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации капель жидкости
Введение к работе
Семидесятые годы ознаменовались новым подъемом развития науки в области физики облаков, в частности, физики грозо- градовых процессов. Благодаря значительным успехам, достигнутым в создании новой эффективной измерительной техники, в ряде научных центров мира были выполнены уникальные лабораторные эксперименты и проведены комплексные широкомасштабные исследования в натурных условиях - в атмосфере.
К ним, в первую очередь, относится национальный градовый эксперимент, проводившийся в США в 1972 - 1974 гг., и швейцарский международный эксперимент «Гроссферзух - IV», проводившийся в 1977 -1981 гг. Эти исследования существенно продвинули наши представления об облачных процессах, приводящих к градобитиям. Интерес к выпадению града определяется не только тем, что это загадочное явление природы, но и в первую очередь тем, что оно приносит значительный материальный ущерб посевам, садам, зеленым насаждениям, животным и постройкам.
Исследования механизма образования града наталкиваются на принципиальные трудности, заключающиеся в том, что проведение прямых экспериментов внутри градовых облаков до сих пор сопряжено с опасностью для жизни исследователя, а также связано с решением сложных научно-технических, финансовых и организационных проблем. Поэтому получили развитие методы, в которых с целью восстановления картины процессов, происходящих в градовых облаках, приходится решать обратную задачу, заключающуюся в расшифровке внутреннего строения выпавших градин. Основным источником информации о микрофизических характеристиках градин являются тонкие срезы градин.
В этой связи исходным обоснованием необходимости лабораторного моделирования зарождения и роста града послужило признание того, что история града заключена в форме, размере и внутренней структуре градин и
5 возможности ее установления соответствующими физическими методами. В частности, представляется, что условия обледенения, ведущие к росту града, можно дублировать в аэродинамической трубе, а эксперименты с искусственными градинами могут раскрыть историю роста.
Несмотря на большой объем исследований, проведенных в данной области, многие вопросы, связанные с образованием и ростом града, до настоящего времени остаются не выясненными. К ним, в частности, относятся условия образования зародышей града и их последующего роста в облаке, играющие существенную роль в процессах градообразования. Механизм образования зародышей градин довольно разнообразен, но во многих случаях зародышами градин являются крупные замерзшие капли.
Современные методы воздействия на градообразование основываются на создании дополнительных искусственных зародышей градин в конвективном облаке. Физика явления заключается в том, что искусственные зародыши градин конкурируют за влагу в облаке, в результате чего происходит перераспределение воды в облаке и уменьшение размеров образующихся градин [67].
Образование искусственных зародышей происходит либо при попадании частиц льдообразующих реагентов внутрь облачных капель, находящихся в теплой части облака, либо при их последующем поднятии в область отрицательных температур и затвердевании.
Быстротечность процессов образования града предъявляет особые требования к методике засева облаков и к выбору зоны внесения реагента.
Поэтому значительный интерес для воздействия на градовые процессы представляют исследования процессов тепло — и массопереноса при охлаждении и затвердевании капель воды, витающих в потоке воздуха.
Цель работы
Экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса при охлаждении и кристаллизации капель воды и росте зародышей градин.
Экспериментальное моделирование процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрического поля.
Для достижения этой цели были сформулированы и решены следующие задачи:
разработана методика экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;
обработан и систематизирован экспериментальный материал, исследованы процессы переноса и фазовые превращения в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при отсутствии и наличии электрических полей;
проведены анализ и уточнение существующих решений задачи о затвердевании сферических тел;
выполнены эксперименты по исследованию влияния электрического поля на процесс кристаллизации и интенсивность испарения левитирующих капель воды.
Метод исследования
Для решения поставленных задач:
сконструирована научная аппаратура для экспериментального моделирования процессов кристаллизации и испарения капель воды;
проведено микрофотографирование левитирующих капель воды в потоке воздуха для контроля изменения их размеров;
осуществлялось измерение скорости потока воздуха дифференциальными трубками Пито для получения профиля потока в месте расположения жидкой капли;
проведено исследование малого параметра (метод возмущений) для определения распределения температуры и положения поверхности раздела фаз.
7 Научная новизна
В работе впервые получены следующие результаты:
- уравнение множественной регрессии, связывающее время полного
замерзания в потоке воздуха капель воды, их размеры и
температуру среды;
эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;
зависимости, обобщающие результаты экспериментов по тепло- и массопереносу от замерзших капель воды в потоке воздуха;
- температурно-временные зависимости времени испарения и
продолжительности кристаллизации левитирующих капель воды в
потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.
Практическая ценность представленной диссертационной работы состоит в том, что:
полученное уравнение множественной регрессии с высоким значением коэффициента корреляции, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с температурой среды и размером, может быть использовано при теоретическом моделировании процессов зарождения и роста града;
результаты исследования особенностей испарения капель могут быть использованы для совершенствования методов оценки эффективности работ по искусственному увеличению осадков;
полученные результаты экспериментального моделирования могут быть использованы при определении времени образования капельных зародышей града в облаках.
8 Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие основные результаты:
уравнение множественной регрессии, связывающее время полного замерзания левитирующих капель воды с их размерами и температурой среды;
эмпирическая формула, устанавливающая зависимость времени полного испарения левитирующих капель от относительной влажности потока воздуха;
методика и результаты экспериментального моделирования процессов тепло- и массопереноса при кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха;
результаты экспериментального моделирования процессов испарения и кристаллизации левитирующих капель воды в потоке воздуха при отсутствии и наличии электрического поля.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертации обеспечивается тем, что разработанные и использованные в работе средства измерения и индикации проверены, отградуированы при помощи эталонных и стандартных средств измерений в соответствии с существующими положениями. Применены апробированные физические, математические и статистические методы исследований, обработки, анализа и обобщения данных.
Личный вклад автора
Автором работы под руководством научного руководителя были получены следующие результаты:
- систематизированы и обобщены экспериментальные данные по
тепло - и массопереносу затвердевших частиц и времени полного
затвердевания капель воды;
9
экспериментально исследованы процессы кристаллизации и
испарения левитирующих капель воды в потоке воздуха;
**> - получен профиль скорости потока воздуха, необходимый для
«подвешивания» капли воды в потоке воздуха, а также определены максимальное время протекания процесса полного испарения и максимальный размер левитирующих капель воды в потоке воздуха; - экспериментально установлены главные факторы, определяющие интенсивность и длительность протекания процессов
кристаллизации и испарения при наличии электрических полей и их
*
отсутствии.
Апробация полученных результатов
Основные результаты работы докладывались на:
- Межрегиональной конференции молодых ученых «Перспектива»-
Нальчик, 2002;
> - Всероссийской конференции по физике облаков и активным
воздействиям на гидрометеорологические процессы- Нальчик, 2001;
- Конференции молодых ученых КБНЦ РАН- Нальчик, 2002;
Региональной конференции «Теоретические и прикладные проблемы современной физики »- Ставрополь, 2002;
Конференции молодых ученых Высокогорного геофизического института, посвященной 90-летию Г.К. Сулаквелидзе- Нальчик, 2003;
i - 5-ой Российской конференции по атмосферному электричеству-
Владимир, 2003 .
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка
литературы. Общий объем работы составляет 126 страниц машинописного
текста, включая 10 таблиц, 19 рисунков, список используемой литературы
) из 112 наименований работ, из них 35 на иностранных языках.
Теоретические и экспериментальные исследования процессов переноса и фазовых превращений в частицах жидкости, находящихся в потоке воздуха, при наличии и отсутствии электрических и магнитных полей
В атмосфере, окружающей земную поверхность, образование капель воды, их охлаждение, а иногда и затвердевание происходит в обстановке наличия электрического и магнитного полей. В данном обзоре приводятся работы, в которых излагаются процессы тепло - и массообмена при наложении на объект исследования электрических и магнитных полей. В работе [31] высказывается мысль о том, что наложение электрического поля на объект, где осуществляются процессы переноса теплоты и массы, вызывает интенсификацию рассматриваемых процессов. При этом утверждается, что при наложении переменного тока явление переноса усиливается. Объясняется это действием кулоновских сил, которые либо » усиливают поступательное движение капель, либо усиливают движение среды внутри и снаружи капель. Интенсификация процессов переноса, обусловленная электрическим полем более эффективна в сравнении с обычным механическим перемешиванием. При наложении переменного электрического поля капля циклично меняет свою конфигурацию, то удлиняясь параллельно электрическому полю вследствие возникновения электрического напряжения (электрическое давление), то принимая « сферическую форму при снятии электрического поля. В работе [31] исследовалось влияние частоты электрического поля на коэффициент теплоотдачи. Установлено, что зависимость « = / (/), где / -частота электрического поля, имеет пикообразный характер.
При возрастании / растет и а. При /ж = 2,8 -г- 3,2 а достигает максимума (в виде пика), а затем при росте / начинает резко падать с последующим стремлением его значений к некоторой постоянной величине. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи возрастает по мере увеличения диаметра капли или напряженности поля. Авторы [31] объясняют данные явления уменьшением отношения DXID2 после достижения частоты определенного значения, при котором наблюдается «„ . Отношение Dx ID2 » при / /ж. по данным [31] сохраняет постоянное значение. При / /ж значение Dx ID2 начинает падать. Этим и объясняют авторы [31] падение а, но при этом не объясняют, почему же при f /ж d растет, хотя по данным авторов в этом интервале частот Д/ 2 остается постоянным. Можно предположить следующее: при / /ж происходит усиление движения молекул как сплошной, так и дисперсной среды. Последнее приводит к турбулизации теплового пограничного слоя, уменьшению ламинарного подслоя и следовательно к увеличению коэффициента теплоотдачи. При f = /ж скорость движения молекул достигает максимального значения, при 33 дальнейшем увеличении капли перестают вытягиваться, а наоборот стремятся принять сферическую форму, так как отношение , ID2 уменьшается.
При этом в пограничном слое возникают застойные зоны, так как шар менее обтекаем, чем сфероид. Все это вместе взятое и приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи. По рассматриваемой работе можно сделать следующие выводы: 1. Наложение электрического поля интенсифицирует процесс теплообмена. 2. Переменное электрическое поле более значительно интенсифицирует процесс теплообмена, чем постоянное. 3. Функция a = f(E) имеет максимум в форме пика. С возрастанием диаметра капель абсолютное значение максимума функции убывает. 4. При наложении электрического поля происходит деформация капель. Они вытягиваются по направлению силовых линий электрического поля. Это и является одной из причин интенсификации теплообмена. 5. При определенной напряженности электрического поля капли жидкости распадаются. В работе [31] приводится краткое описание других работ, посвященных данной тематике. Указывается, что исследовались ситуации, когда сплошная и дисперсная среды находились в жидком состоянии. Результатами этой работы прямо воспользоваться в нашем исследовании нельзя, так как исследованные в ней обменивающиеся теплотой среды находились в жидком состоянии. В публикациях ГасановаГ.Г. и Айвазова [21], отражающих результаты их исследований, посвященных установлению влияния электрического и магнитного полей на коэффициент теплоотдачи промывочных жидкостей, высказывается положение о том, что в тех конкретных условиях, для которых они проводили исследования, наложение электрического и магнитного полей приводит к ухудшению теплообмена. В работе [1] исследовался процесс разделения электрических зарядов при кристаллизации капель воды.
С нашей точки зрения работа эта интересна тем, что на каплях, находящихся в воздухе в подвешенном состоянии на электроде, накапливались электрические заряды. Из этого можно сделать и такой вывод: если на капле воды могут накапливаться заряды, то они, взаимодействуя с электрическим полем, будут оказывать влияние на интенсивность процессов переноса теплоты и массы. В самой же работе [1] процессы переноса теплоты и массы не исследовались. В работах [32,33] излагаются результаты исследований, посвященных кинетике испарения жидкости из капилляров, помещенных в межэлектродное пространство. При этом установлено, что скорость испарения увеличивается в 1,5-2 раза. Авторы работ [32,33] объясняют этот эффект воздействием электрического поля непосредственно на поверхность испаряемой жидкости, появлением дополнительных термодинамических сил массопереноса и поляризационных эффектов. В работах [4,48] была установлена сложная интенсификация (в 10-50 раз) испарения из тонких стеклянных трубок и капель жидкости при возбуждении слаботочного (до 140 мкА) высоковольтного (до 6 кВ) разряда типа короны над поверхностью жидкости. Эта интенсификация объясняется воздействием на поверхность фазового перехода направленных энергоемких газодинамических потоков, формируемых в приэлектродных областях и специфически связанных с самим разрядом, и вовлечением паров в разрядные процессы. В работе [49] излагаются результаты экспериментального исследования. Эксперименты проводились в стеклянной камере, внутри которой на специальных нитях из кварцевого стекла, выполняющих функции весов, подвешивались капли жидкости. Коронный разряд возбуждался на поверхности капли. Во всех экспериментах использовалась система электродов «кольцо-острие».
Для диагностики газодинамической обстановки межэлектродного пространства и около поверхности капли использовались метод лазер-доплеровской анемометрии и созданное на его основе устройство скоростной визулизации двухфазных потоков методом лазерного «светового ножа». Исследование показало, что интенсификация испарения жидкостей в разрядных условиях является следствием воздействия разряда на поверхностный слой жидкости и обдува поверхности испарения электрогазодинамическими струями, образующимися в межэлектродном пространстве за счет направленного движения ионов газа и пара, знак которых совпадает со знаком коронирующего электрода. Длина такой струи при расстоянии между электродами 1-3 мм достигает 15-30 мм в зависимости от силы разрядного тока. В исследованном диапазоне вольт-амперных характеристик разряда максимальная скорость (до 8 м/с) газодинамических струй получена при разрядном токе I = 50-ЮмкА. В этом диапазоне наблюдается и максимальная интенсивность процесса испарения. Показано, что степень интенсификации зависит от полярности жидкости, а также от взаимного расположения электродов и расположения их относительно поверхности фазового распределения. В работе [28] исследовалось влияние постоянного электрического поля на вскипание жидкости при высоких перегревах ее.
Описание схемы экспериментальной установки
Для реализации поставленных задач была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования процессов охлаждения, затвердевания и выпадения градин, витающих в потоке воздуха. Эксперименты проведены при следующих условиях: объект исследования — капли воды размером d=3 + 6 мм; исследуемое вещество - дистиллированная вода; температура потока воздуха по смоченному термометру - Тм = -7,5 + -18,75С; скорость потока воздуха - w = 6 +- 9 м/с. 2.2. Описание схемы экспериментальной установки По принципу действия экспериментальная установка представляет собой частично замкнутую аэродинамическую трубу, работающую при нормальном атмосферном давлении. Схема установки представлена на рис. 2.1. Основными её элементами являются: вентилятор, камера стабилизации, холодильная машина, электронагреватель, сопло, измерительный участок и измерительные устройства. Движение воздуха в установке обеспечивается вентилятором центробежного типа. Расход воздуха регулируется числом оборотов электродвигателя. На электродвигатель подается стабилизированное напряжение необходимой для опыта величины. Для этой цели использовались: стабилизатор напряжения, автотрансформатор и диодный мост. Стабилизация напряжения необходима для устранения возможных колебаний скорости потока воздуха при работе вентилятора.
Нагнетаемый вентилятором воздух расширяется в диффузоре и попадает в главную секцию, которая изготовлена из листовой нержавеющей стали и имеет прямоугольное сечение 335 х350 мм . Воздух сначала охлаждается, проходя через воздухоохладитель (5), а затем нагревается до заданной температуры электронагревателем (4). Воздухоохладитель представляет собой теплообменный аппарат, выполненный из оребренных трубок d = 8 мм, и является испарителем холодильной машины. Электронагреватель (4) выполнен из керамических трубок, на которые намотана нихромовая проволока d = 0,5 мм. Трубки располагаются равномерно по всему сечению главной секции. Мощность нагревателя регулируется величиной подаваемого на него напряжения. При напряжении 220В она равняется W= 1,0 кВт. В камере стабилизации (3) происходит выравнивание скорости и температуры потока воздуха, а также затухание завихрений воздушного потока, вызванных прохождением воздуха через вентилятор. В сопле (2) за счет преобразования потенциальной энергии в кинетическую возрастает скорость движения воздуха до заданной величины. Здесь же, как и в других элементах установки, обеспечивается стабилизация потока воздуха. На входе и на выходе сопла установлены металлические сетки (7) для устранения турбулентных вихрей и пульсаций скорости. Для этой же цели используется и ячеистая перегородка (8), выполненная из полихлорвиниловых трубок d = 2 0,6 мм. При прохождении воздуха через эту перегородку поток разделяется на множество струй с ламинарным режимом течения внутри трубок, вследствие чего происходит устранение оставшихся завихрений.
Капля воды находится во взвешенном состоянии в потоке воздуха внутри измерительного участка (1). Все узлы устройства изготовлены из некоррозионных материалов. К нижней части главной секции были приварены четыре винта - опоры, с помощью которых устройство устанавливалось в строго горизонтальном положении. Также в нижней части главной секции помещался кран для слива оттаявшей воды. Металлическая сетка (7) с очень малыми размерами ячеек, установленная на входе в сопло, являлась также и фильтром. Для уменьшения теплопритоков из окружающей среды устройство тепло — и пароизолировалось. В качестве изоляционных материалов использовались пенополистирол марки ПСБ - С и полиэтилен, соответственно. Конструкция измерительного участка отрабатывалась в ходе предварительных экспериментов. Её окончательный вид показан на рис. 2.2. Капля находилась во взвешенном состоянии внутри рабочей трубки (1), которая была выполнена из органического стекла. Этим обеспечивалось визуальное наблюдение за движением капли. В экспериментах использовалась трубка с размерами d = 40 мм, h = 120 мм и углом расширения 335 . Профиль скорости потока воздуха, необходимый для «подвешивания» капли воды в потоке, формировался сеткой (2), установленной определенным образом перед рабочей трубкой. Измеренный профиль скорости потока воздуха внутри рабочей трубки представлен на рис. 2.3.
того, чтобы капля находилась в устойчивом положении, должен существовать градиент скорости по высоте, поэтому внутренние стенки рабочей трубки выполнены конусными. Насадка (4) сделана из полихлор виниловых трубок диаметром d = 2 х 0,6 мм, которые служат для выравнивания потока воздуха и устранения завихрений. Для уменьшения теплопритоков из окружающей среды, рабочая трубка выполнена с достаточной толщиной стенок. Принципиальная схема установки, на которой осуществлялось лабораторное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации дождевых капель воды, представлена на рис 2.4. На рабочей трубке (1) были закреплены обкладки плоского конденсатора (2), на который подавалось высокое напряжение от источника ИВН - 1(3) (или от электрофорной машины). Наблюдение за ходом эксперимента производилось визуально с помощью термопары (медь -константан), сигналы от которой записывались на самопищущий прибор — потенциометр КСП - 4. При проведении опытов измерялись следующие величины: 1. Температура потока воздуха в районе расположения капли. 2. Размер капли. 3. Скорость потока воздуха в районе расположения «подвешенной» капли. 4. Время протекания процессов полного испарения капель воды. 5. Относительная влажность воздуха.
Анализ существующих решений задачи о затвердевании сферических тел
Из-за нелинейного граничного условия на поверхности раздела жидкой и твердой фаз точные аналитические решения получены лишь для некоторых простых случаев [41]. Поэтому широкое распространение получили различные приближенные методы, позволяющие установить приближенные аналитические соотношения. Наиболее часто встречаются квазистационарный или интегральный методы [27,70]. Они основаны на предположении, что в каждый момент времени в ледяной оболочке успевает устанавливаться стационарное температурное поле где константы С и В определяются из граничных условий (3.4) и (3.8) Из уравнения движения фронта затвердевания (3.5) подстановкой функции Г(г) получаем дифференциальное уравнение для определения координаты фронта и, решая его с учетом условия (3.2), находим время полного затвердевания капли При у(т ) = 0, т. е. после окончания процесса затвердевания, находим, что температурное поле в замерзшей капле определяется следующим выражением Это означает, что все точки тела имеют температуру равную температуре окружающей среды и поэтому не происходит дальнейшего охлаждения твердого тела. Такое решение не соответствует действительной картине процесса, где наблюдается стадия охлаждения затвердевшего тела. В работах [34, 59] рассматривается решение задачи затвердевания шара с учетом кинетики процесса кристаллизации. Получены формулы для определения времени полного затвердевания капель воды при дислокационном механизме роста кристаллов [59] и при механизме роста кристаллов, обусловленном образованием двухмерных зародышей на гранях кристалла [34].
В этих работах распределение температуры в ледяной оболочке считается также подчиняющимся закону стационарного распределения, однако зависимость Т = /(г) в явном виде в работах данных авторов не приведена, а ввиду сложности получаемых выражений анализ этих решений затруднен. Стремясь получить решение задачи в относительно простом виде при тех же положениях, что и в [34, 59], будем считать механизм роста кристалла нормальным, т. е. обусловленным интенсивностью переноса теплоты от фронта кристаллизации [52]. Время полного затвердевания капли определяется из (3.5) с учетом условия (3.2) Рассматривая особенности данного решения при у(т ) = 0, получаем такой же результат, как для предыдущего решения — температурное поле в замерзшей капле определяется выражением (3.11). Очевидно, что «некорректность» приведенных решений обусловлена допущением стационарного распределения температуры в твердой фазе, и для получения решения, соответствующего реальному ходу процесса, должен быть применен другой подход к решению данной задачи. В работах [50,57,105] методом возмущений решена задача о затвердевании в сферической области жидкости, имеющей в начальный момент времени температуру фазового перехода. Было обнаружено, что полученные решения имеют особую точку (центр сферы), т. е. при приближении фронта затвердевания к центру сферы данные решения расходятся. Поэтому полученные вначале общие решения в виде рядов подвергаются различным преобразованиям для приведения в соответствие резких изменений температурного профиля непосредственно перед затвердеванием центра сферы. Однако решение в окрестности этой точки не является точным. Педросо и Домото [101] получили решение задачи о затвердевании насыщенной жидкости сферической формы при граничных условиях 1 -го рода методом возмущений с использованием метода деформированных координат. Отмечается, что решение справедливо для всей области и может применяться для случая движения фронта затвердевания к центру, где обычное решение методом возмущений дает искажения. Авторами работы [19] получено время полного затвердевания капель раствора в вакууме. Ими был применен метод малых возмущений с использованием модифицированного метода деформированных координат. Однако в данной работе не рассматривается вопрос о температурном поле в твердой фазе и не приводится вид зависимости Т = f{r) на стадии затвердевания, без чего невозможно теоретическое описание процесса охлаждения затвердевшей капли.
Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации капель жидкости
Для установления действительной картины изменения температуры в процессе замораживания капель жидкости, находящихся в подвешенном состоянии в потоке воздуха, были проведены эксперименты. При установившихся характеристиках потока воздуха в аэродинамической установке в области витания капли размером более 3 мм фиксировался спай термопары таким образом, чтобы он оказался внутри капли. Затем в рабочую часть вводилась капля и экспериментально находилась зависимость температуры замерзания капли от времени: Т = /(х). Типичный вид такой зависимости представлен на рис.3.6 (а). Это одна из более ста зависимостей, полученных при исследовании этого вопроса на стадиях затвердевания и последующего охлаждения твердой частицы. Принципиальная схема установки и схема для наложения электрического поля, на которой осуществлялось экспериментальное моделирование влияния электрического поля на процесс кристаллизации капель жидкости, представлена на рис.2.1 и 2.4. На обобщающей кривой рис.3.6 (а,б) можно выделить три участка, отражающих три физических процесса: охлаждение жидкой фазы 1, затвердевание 2 и охлаждение твердой фазы 3. За счет дендритной кристаллизации образуется ледяная корка (в этот момент выделяется скрытая теплота фазового перехода) и температура капли резко (скачкообразно) повышается до О С. Временной интервал этого скачка составляет «1с и менее, что незначительно в сравнении с временем полного затвердевания капли. Предельной температурой охлаждения затвердевших частиц является температура смоченного термометра потока охлаждающего воздуха. Под временем полного затвердевания капель воды подразумевается время от момента начала замерзания (т.е образования ледяной оболочки) до момента, когда вся вода полностью затвердеет. Толщина и критическая масса жидкой пленки воды на поверхности ледяной сферы приводятся в работе [6,11].
На рис.3.6 (а) в качестве примера приводится зависимость Г = /(т), полученная при кристаллизации капли дважды дистиллированной воды диаметром ё=3,86мм. При средней продолжительности полного замерзания капель дважды дистиллированной воды, равной 67с, среднее время ожидания момента начала замерзания составило 10 мин. Результаты опытов по кристаллизации капель жидкости были сопоставлены с работами Т.Н. Громовой и др.[25] (рис.3.6 (в)). При средней продолжительности полного замерзания капель дистиллированной воды диаметром d=l,2 , равной 70с, среднее время ожидания момента начала замерзания составило 18 мин. На рис.3.5 приводятся сравнительные кривые среднего времени ожидания момента начала замерзания 1-по нашим данным и 2-по данным авторов [25]. Из рис.3.7 видно, что среднее время ожидания начала момента замерзания по данным [25] в 1,96 раз больше. Такое различие связано с тем, что размер и скорость охлаждения капли отличались от данных [25]. В следующем эксперименте исследовалось температурное поле в подвешенной капле жидкости при наличии постоянного электрического поля напряженностью 3 кВ/см. Эта серия выполнялась для того, чтобы можно было сопоставить результаты экспериментов, как при наличии постоянного электрического поля, так и при его отсутствии. На рис.3.6 (б) в качестве примера приводится зависимость Г = /(х), полученная при кристаллизации капли дважды дистиллированной воды диаметром d=3,86 мм при наличии постоянного электрического поля. Как видно из графика, процессы охлаждения и затвердевания в обоих опытах практически совпадают. Однако скачок температуры при наличии постоянного электрического поля был на 2 С выше, чем при его отсутствии. Таким образом, проведенные эксперименты показали, что электрическое поле влияет на процесс кристаллизации капель воды, т.е. при наличии электрического поля, капля замерзает быстрее. На процессы тепло-и массопереноса существенное влияние оказывали диэлектрические свойства жидкости при наличии электрических полей в объектах, где наблюдались процессы переноса. Экспериментальное моделирование влияния электрического поля на интенсивность испарения капель жидкости Как уже отмечалось в разделе 1.1., частицы конвективных осадков могут иметь различные скорости движения. Если сила гравитации, действующая на частицу, будет равна подъемной силе, обусловленной восходящим потоком, то скорость движения, например, капли относительно поверхности земли будет равна нулю. Эту скорость потока обычно называют скоростью витания. Наибольший интерес представляет ситуация, когда поток газа движется со скоростью витания. При экспериментальном моделировании процесса испарения крупных капель среди необходимых условий адекватности моделирования на первый план выдвигается требование того, чтобы крупные капли могли достаточно продолжительное время находиться во взвешенном состоянии в пространстве, где ведется измерение их характеристик. Экспериментальные исследования процессов испарения капель воды свободно витающих в потоке воздуха проводились на установке, описание которой приводится в разделе 2.2. Капля воды находится во взвешенном состоянии внутри рабочей трубки, выполненной из органического стекла. Этим обеспечивается визуальное наблюдение за движением капли. Капли большего размера d = 4... 5 мм могут находиться во взвешенном состоянии длительное время (до 50 мин.) только в воздушном потоке, имеющем профиль скорости с минимальным значением в центре потока. Один из полученных профилей скорости потока в рабочей секции представлен на рис. 3.8. При вероятности 0,95 доверительный интервал составляет ± 0,64 мм, относительная ошибка результата серии измерений по определению скорости потока — 7,8%. В этом случае имеется область низкой скорости, равной скорости падения, где и находится капля, окруженная областью высокой скорости. Профиль скорости потока воздуха, необходимый для "подвешивания" капли воды в потоке, был сформирован профилированной сеткой, установленной определенным образом перед рабочей трубкой.
