Содержание к диссертации
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО
МНОГОФАЗНЫМ ТЕЧЕНИЯМ В СОПЛАХ 16
1.1 Теоретические исследования течения двухфазного потока в соплах.
Методы расчета сопла с двухфазным рабочим телом. 17
1.2 Современное состояние вопроса экспериментального исследования
сопловых течений двухфазного потока. 25
1.3 Выводы к главе 1 27
1.4. Цель работы 28
1.5 Постановка задачи 28
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНОГО
ПОТОКА В СОПЛЕ. 30
2.1 Двумерная математическая модель процесса течения двухфазного
потока в сопле. 30
Метод математического моделирования, используемый для решения поставленной задачи. 36
Проверка адекватности выбранной математической модели к исследуемому процессу. 44
Выводы к главе 2. 54
3 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ
ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ДЛИННОМ СОПЛЕ. 55
3.1 Выбор начальных данных и определение граничных условий. 56
3.1 Л Подбор расчетной сетки. 56
3.1.2 Влияние адаптации временного шага на точность расчета и его
продолжительность. 59
3.1.3 Влияние граничного условия на срезе сопла. 62
3.2 Выбор основных исследуемых критериев течения двухфазного потока
в сопле. Исследование их влияния на распределение параметров в
сопле и его КПД. 65
3.2.1 Влияние начальных условий на течение газокапельного потока в
длинном сопле и его относительного удлинения. 66
Влияние начальных профилей концентрации и скоростей фаз. 80
Влияние формы сопла. 93
Влияние введения аналитической полидисперсности. 95
Сравнение с результатами численных исследований по
различным математическим моделям. 101
Траекторный анализ полученных результатов. 101
Выводы к главе 3. 106 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ
ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА С БОЛЬШОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ
ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ 108
Описание экспериментальной установки и эксперимента. 108
Методы измерений параметров распространения двухфазного потока в
соплах и струях. 113
Измерение статического давления по тракту сопла и поля статического давления на его срезе. 113
Динамометрический метод. 114
Газодинамический (зондовый) метод. 117
4.3 Получение характеристик течения двухфазного потока в сопле,
интегральных характеристик и полей параметров на его срезе.
Сравнение полученных данных с результатами теоретического
исследования. 126
4.3.1 Исследование распределения статического давления по тракту
сопла и поля статического давления на его срезе. 127
Получение интегральных характеристик на срезе сопла. 129
Результаты экспериментального исследования газокапельного
потока на срезе сопла. 132
4.4 Применение результатов исследования. 136
4.5 Выводы к главе 4 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
ЛИТЕРАТУРА 144
ПРИЛОЖЕНИЕ! 158
4 СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
а - радиус шаровой частицы;
к - показатель адиабаты газовой фазы;
р - давление;
R - газовая постоянная;
Т - температура;
х - ось абсцисс;
р - плотность;
а - значение скорости звука;
mk - 4/37гра3 - масса шаровой частицы;
г* - радиус входного сечения сопла;
dBX - диаметр входного сечения сопла;
1С — длина сопла;
F - площадь ;
р - плотность материала частиц;
с - удельная теплоемкость материала частиц;
со - показатель степенной зависимости вязкости газа от температуры;
М ~ Нтіх( V Tfk)0 " коэффициент динамической вязкости газа;
Тг - температура адиабатического восстановления , приближенно принимаемая
равной температуре торможения потока газа относительно частицы ; Ts - температура газа за прямым скачком уплотнения ; Td - промежуточная (между температурами газа и частиц) температура,
определяемая эмпирическим "правилом 1 /3" , описывающим влияние
существенного отличия температур частицы и газа на силу их
взаимодействия; fT(T2/Ti) - поправочный множитель , описывающий влияние отличия температур
частицы и газа на теплообмен между газом и частицей; В0 - атмосферное давление;
а - коэффициент поверхностного натяжения частицы (капли); т]с - КПД сопла;
Индексы:
о - начальные параметры;
j=l; г- газ;
j=2; к - конденсированная фаза ( капли );
*, вх - значение параметра на входе в сопло;
кр - критическое значение параметра;
Критерии:
rrt = —- - массовая концентрация в начальном сечении; П27 = —— - перепад давления в сопле;
П& = —*- - относительное удлинение сопла;
П9 = относительный диаметр капель;
П32 - —-—L - отношение начальной кинетической энергии газовой фазы к ее
начальному теплосодержанию;
35 Р. Ей
П35 = ——- = величина, обратная критерию Эйлера;
w р,2а(\^-\\д2 „в я
We = ——-— —— критерии Вебера;
W є = —— - динамическое скольжение фаз; Wr
т = —- - тепловое скольжение фаз. Т.
Введение к работе
Актуальность работы. Расчет параметров таких распространенных в практике течений как течения в камерах сгорания и соплах реактивных и ракетных двигателей с осесимметричным соплом, сопел распыливающих устройств, установок для поливания и орошения в сельском хозяйстве и установок для тушения пожара ит.п., что является важной для инженерной практики задачей. Течения подобного относятся к классу турбулентных многофазных неравновесных многокомпонентных полидисперсных неизотермических осесимметричных сопловых течений. Одним из классов таких течений можно назвать газокапельные течения с большой массовой концентрацией дисперсной фазы, обладающие рядом специфических свойств, одно из которых - существенное снижение скорости звука (в несколько раз) в двухфазной среде по сравнению с чистым газом и слабоконцентрированными течениями. Такие течения отличаются от других высококонцентрированных газожидкостных течений, как вспененных потоков, так и пузырьковых течений тем, что в них несущей фазой непрерывно распределённой в пространстве является газ.
Законченная теория двухфазных турбулентных течений в соплах и струях в настоящее время отсутствует. Для комплексного экспериментального исследования таких потоков возникает необходимость применения специального оборудования и особых рабочих тел (необходимо сформировать поток капель определенного размера и заданного компонентного состава), а также разработать и использовать специальные методы измерения параметров потока и соответствующую измерительную технику, что сильно усложняет данный процесс. Развитие математического моделирования течений подобного типа и современные мощности электронно-вычислительных машин позволяют в определенной мере получить данные о поведении двухфазного потока, но без получения экспериментальных данных, позволяющих провести проверку используемых математических моделей невозможно проверить адекватность их применения и точность полученных результатов.
Представленная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию высококонцентрированных газокапельных течений в сопле.
Теоретическое исследование выполнено с использованием достаточно хорошо
7 распространенной математической модели двухфазного течения: двумерная двухскоростаая двухтемпературная модель течения потока в сопле [ 1 ]. Из-за отсутствия данных о дисперсном составе потока на входе в сопло и на выходе из него, а также из-за значительного увеличения времени расчета, было принято допущение о монодисперсности рассматриваемого течения. Выпадение дисперсной фазы на образующую сопла не учитывается. Также было принято допущение об отсутствии фазовых переходов.
Высокое содержание жидкости в газе потребовало серьёзного подбора методологии экспериментальных исследований, следовало учесть возможность возникновения скачка уплотнения в двухфазной среде перед измерительным зондом из-за существенного снижения скорости звука.
Работа представляет логическое продолжение исследований течения многофазных потоков в соплах и струях, начатых Г.Н. Абрамовичем и продолженных научно-исследовательской группой И.А. Лепешинского на каф.201 МАИ которая продолжается и в настоящее время.
Диссертационная работа основана на данных теоретических и экспериментальных исследованиях, которые были выполнены на базе лаборатории кафедры 201 («Теория Двигателей») Московского авиационного института (государственного технического университета) и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ.
В процессе работы было проведено критериальное исследование течения высококонцентрированного двухфазного газокапельного потока в сопле. В процессе проведенного исследования были получены данные, для проверки и уточнения которых было проведено экспериментальное исследование. В ходе экспериментов измерены поля статического давления, импульса и расходов фаз в высококонцентрированной газокапельной струе на срезе сопла и распределение статического давление вдоль сопла экспериментальной установки, рассчитаны поля скоростей фаз и массовой концентрации на срезе сопла. По результатам обработки экспериментальных данных показана адекватность использования выбранной математической модели для расчета двухфазных (газокапельных) течений в сопле в выбранном диапазоне массовых концентраций. Подтверждена достоверность полученных результатов с помощью сравнения результатов, с данными исследований,
8 как теоретических, так и экспериментальных, полученных другими авторами. Даны рекомендации по выбору входных параметров на примере проектирования пожарных систем различной мощности.
Современное состояние вопроса. На данный момент известно достаточно
D большое количество работ, статей и монографий, которые посвящены исследованию
многофазных течений в соплах и струях. Большая часть работ рассматривает течения газа с небольшим количеством примеси в виде твёрдых частиц или капель жидкости, основная практическая направленность этих работ - исследования процессов смесеобразования, выпадения конденсата на стенки сопла, их эррозия (для ракетных двигателей), газодинамическое напыление и т.д. Только небольшая часть из них посвящена исследованиям двухфазных течений с высокой массовой концентрацией дисперсной фазой в газе (более 5). Непрерывной и несущей фазой в данном случае является газ, что отличает течения подобного типа от течений вспененных жидкостей и течений жидкостей с пузырьками газа. Одно из основных направлений таких исследований - гидрореактивные двигатели.
Среди работ, посвященных исследованиям высококонцентрированных течений в соплах, в которых рассматриваются двухфазные течения с концентрацией до 50 и выше, следует отметить работы, проведённые в Московском авиационном институте [2-11], Харьковском авиационном институте [12-14]. Для расчёта подобных течений авторы использовали достаточно простую и прошедшую экспериментальную проверку квазиодномерную модель, в которой могут быть учтены процессы дробления и коагуляции капель, а также испарения и конденсации жидкости. Учёт радиальной неравномерности потока возможен при использовании двумерных моделей, но они, в основном применяются для случаев низкой массовой концентрации дисперсной фазы (до 5) [15-17] и для течений со сверхзвуковыми скоростями. В последнее время появился ряд работ посвященных данному вопросу [18-32 и др.].
Наибольшее количество экспериментальных исследований двухфазных течений посвящено течениям, где массовая концентрация дисперсной фазы в газе составляет от 0.1 до 1. Среди экспериментальных исследований двухфазных течений с высокой массовой концентрацией частиц (или капель) известно небольшое количество работ, посвященных течениям в соплах. Это, в основном, работы в
9 которых по результатам измерений определялись среднемассовые скорости фаз на срезе сопла [12]. Экспериментальные исследования высококонцентрированных двухфазных потоков в соплах и струях предъявляют значительные технические требования к оборудованию и методике измерений. Это происходит из-за того, что традиционные методы измерений (лазерно-оптические, зондовые) используемые при исследовании параметров в поперечных сечениях низкоконцентрированных течений в соплах и струях, оказываются неработоспобными или требующими серьёзной доработки при увеличении плотности исследуемых потоков.
На данный момент есть небольшое количество авторов, которые рассматривают течения в соплах и струях как единую задачу. Для двухфазных течений с высокой концентрацией дисперсной фазы можно отметить работу Ульянова Н.И. [33], посвященную экспериментальному изучению газопорошковых смесей в насадках и струях, однако проведённые им исследования имеют чисто прикладной характер и базируются на гомогенной теории двухфазной смеси. Наиболее близкий характер имеют работы Воронецкого А.В. [23,27] в которых проведено критериальное и экспериментальное исследования для газокапельных потоков в диапазоне высоких концентраций и подобрана методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных. Работы Янышева С.С. [30,31] также посвящены экспериментальному и теоретическому исследованию высококонцентрированных газокапельных потоков, но относятся к струйным течениям и поэтому их результаты не применимы к данной работе.
Объектом исследований представленных в данной диссертации является газокапельное течение с высокой концентрацией жидкости в сопле. В рассматриваемую систему входят:
блок формирования газокапельной смеси (камера смешения);
сопло с двухфазным рабочим телом;
высококонцентрированная газокапельная струя на срезе сопла. Исследование системы как единого объекта проводилось экспериментально.
Теоретические и экспериментальные исследования течений в соплах и струях определили область интересующих значений параметров рассматриваемой системы.
Цель работы - Проведение теоретических и экспериментальных исследований газокапельных течений в соплах при высокой массовой концентрации жидкости в
газе.
Главными задачами работы являлись:
анализ современного состояния вопроса исследований двухфазных течений, определение объекта исследования ;
выбор математической модели и метода математического моделирования двухфазного течения газокапельного потока в сопле для проведения критериальных и параметрических расчётов;
определение допущений и граничных условий при проведении теоретического исследования;
анализ результатов проведённых численных расчётов, определение параметров и диапазонов их варьирования для проведения экспериментальных исследований с учетом имеющихся экспериментальных данных и аппаратуры для проведения исследования;
выбор методов измерений и обработки результатов при проведении экспериментальных исследований;
проведение экспериментальных исследований, анализ их результатов и проверка их достоверности;
оценка адекватности использованных математических моделей и принятых при расчётах допущений;
разработка рекомендаций для проектирования двухфазных систем "сопло-струя" различных масштабов при решении прикладных задач (системы пожаротушения и т.п.).
Научная новизна работы состоит в следующем:
проведены теоретические и экспериментальные исследования газокапельных течений в сопле и его срезе при высокой концентрации дисперсной фазы; показана адекватность перехода к двумерным моделям при расчёте газокапельных сопловых течений с высокой концентрацией жидкости в газе; измерено распределение статического давления по тракту сопла; измерены поля статического давления, импульса и расходов фаз на срезе сопла и по ним определены поля параметров;
подтверждена возможность использования выбранных математической модели и метода моделирования применительно к двухфазным течениям с высокой
массовой концентрацией жидкости в газе; - даны рекомендации для формирования входных параметров при разработке
устройств с двухфазным рабочим телом.
Практическая ценность работы состоит в том, что созданная на основе используемой математической модели и метода моделирования программа расчета высококонцентрированных двухфазных в том числе и газожидкостных потоков существенно расширила возможности анализа сопловых течений. Данная программа позволяет выработать рекомендации к формированию полей параметров на входе и геометрии сопла, для получения заданных значений выходных параметров и их полей. Экспериментально полученные поля параметров на срезе сопла позволили провести проверку адекватности применения использованной математической модели с учетом выбранных допущений для расчета сопловых течений в широком диапазоне массовых концентраций в двухфазных потоках. Подтверждена возможность использования квазиодномерной модели для создания устройств с двухфазным рабочим телом и их первичного анализа. Даны рекомендации для решения прикладных задач.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, нашли применение при уточнении рабочих параметров ранцевой установки пожаротушения "РУПТ-1-0.4", системы пожаротушения вертолетного базирования КВСПТ «ИГЛА-В», а также для проведения прикладных исследовательских работ по газокапельным течениям в научно-исследовательской группе кафедры 201 МАИ , НИИНТ при МАИ и НИЦНТ при МАИ, что подтверждается соответствующими актами.
Достоверность результатов исследования обеспечивается непосредственным сопоставлением результатов теоретического исследования с экспериментальными данными, а также их сопоставлением с результатами других авторов.
На защиту выносятся результаты:
Теоретических расчётов: критериальные исследования высококонцентрированных двухфазных течений в соплах.
Экспериментального исследования газокапельного течения с высокой концентрацией жидкости в сопле и на его срезе.
Результаты сравнительного анализа проведённых экспериментальных и
12 теоретических исследований.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на аспирантских и газодинамических семинарах кафедры "Теории воздушно - реактивных двигателей" МАИ, а также на конференциях и семинарах: Международный Аэрозольный Симпозиум, М. 1998г., 15 -ая научно-практическая конференция "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков", Москва, ВНИИПО РФ 1999, III Международный конгресс «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред», Москва, 2000г., Третья международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях, Москва. 2000г., IV Международный конгресс «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред», Москва, 2001г., X Международная конференция «Метод Давыдова. Теория и приложение», Москва 2002г., IV Международная конференция по соплам и струям, Санкт-Питербург, 2002г., 5-я Международная конференция Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия, Томск, 2003г., Шестой форум российского вертолетного общества, Москва, 2004г., XX Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Санкт-Петербург, 2004г., V Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004), Самара,2004г.
Публикации. Материалы диссертационной работы излагались в 11 печатных работах, отражены в 9 научных отчетах.
Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 152 страницах машинописного текста, всего работа содержит 62 рисунка, 6 таблиц и 135 библиографических названий, из них 10 на иностранных языках, общий объём работы - 157 страниц.
Основное содержание работы.
В введении обосновывается актуальность проблемы, приводятся наиболее важные научные и практические результаты, представленные к защите, кратко описывается структура работы.
В первой главе, обзорного характера, рассмотрены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований многофазных турбулентных струйных течений и течений в каналах, полученные различными коллективами.
13 Отмечается весомый вклад в развитие теории таких течений Г.Н. Абрамовича, Л.Б. Ґавина, И.В. Деревина, Л.И. Зайчика, Ю.В. Зуева, И.А. Лепешинского, А. Мостафы, В.А.Наумова, Р.И. Нигматулина, В.Г. Селиванова, Л.Е. Стернина, А.А. Шрайбера, С. Эльхобаши и др. Анализируются экспериментальные работы В.Г. Селиванова, И.А. Лепешинского, Ю.В. Зуева, А.Дж.Ширера, А.С. Соломона и А.Дж.Йула, А.В. Воронецкого, посвященные исследованию многофазных течений в соплах и струях. Из анализа опубликованных работ следует, что теория многофазных течений в соплах в настоящее время только развивается и далека от завершения. Несмотря на многочисленные теоретические и экспериментальные результаты, которые были получены различными коллективами авторов, при разработке математических моделей подобных течений на настоящий момент времени отсутствует единый подход, большинство исследований достаточно узко специализированы, единая экспериментальная база, которая позволяла бы производить разработку, тестирование и анализ математических моделей отсутствует. Большие технические и методологические трудности в проведении экспериментов приводят к тому, что к проведению экспериментов нет единых подходов. По результатам обзора литературы формулируется цель работы.
Вторая глава посвящена описанию математической модели и метода решения поставленной задачи. На основании проведённого в первой главе анализа различных математических моделей для исследуемых течений была выбрана двумерная математическая модель [1] и метод крупных частиц [34] в качестве инструмента для проведения численного исследования. Проведена оценка адекватности использования данной математической модели путем сравнения с данными [5], которая показала неплохую сходимость с результатами представленными в данной работе и в то же время наглядно проявила эффект двумерное. В итоге определена математическая модель, система принимаемых допущений и граничные условия для численных и экспериментальных исследований высококонцентрированных газокапельных течений в системе "сопло-струя".
Третья глава проведению численных исследований двухфазного потока в сопле. Из результатов одномерного расчета получены значения основных параметров исследуемого устройства, а его геометрия взята с чертежей модельной установки, на которой будет проводиться экспериментальное исследование (исходный контур сопла
14 взят из того же одномерного расчета). В главе проведена оценка влияния граничного условия на свободной границе исследуемого сопла и влияние временного шага квантования на время установления и точность расчетов. Проведено критериальное исследование режимов работы устройства, таких как изменение массовой концентрации Пь перепада давления в сопле ЇЇ27, дисперсности капель на входе в сопло, относительного удлинения сопла П69 Произведена оценка влияния начального поля массовой концентрации и угла наклона вектора скорости потока к оси сопла , а так же их совместное влияние на распределение параметров в сопле и КПД сопла. Исследовано влияние формы сопла, для чего произведен расчет устройства с центральным телом, которое получено исходя из условия сохранения площадей проходных сечений. Для оценки влияния полидисперсности была введена и исследована аналитическая полидисперсность потока в осевом и радиальном направлениях. Исследовано влияние вида математической модели на распределение параметров в сопле. Для выдачи рекомендаций к законам профилирования входных параметров произведен траекторный анализ полученных результатов.
Четвертая глава посвящена описанию модельной установки, стенда для проведения экспериментальных исследований, методологии проведения экспериментов. Для проведения исследований были выбраны следующие методы:
измерение статических давлений по тракту сопла;
измерение поля статического давления на срезе сопла (в ближнем поле струи — не далее одного калибра);
метод измерения реактивной тяги сопла (для определения среднемассовых значений скоростей фаз на срезе сопла);
зондовый метод измерения параметров потока на срезе сопла;
В главе описаны результаты проведённых экспериментов, проведена оценка погрешности экспериментов. Представлено распределение статического давления по тракту сопла, поля статического давления на срезе сопла, средиемассовые скорости фаз на срезе сопла для различных режимов работы модельной установки. По результатам зондовых измерений получены поля удельных расходов жидкости и импульса на срезе сопла и по ним определены скорости фаз. Проведён совместный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, дана оценка адекватности применённой математической модели, и даны рекомендации по
15 дальнейшему использованию математической модели для решения инженерных задач.
На основании проведённого анализа результатов выработаны рекомендации для решения прикладных задач, связанных с проектированием устройств, использующих высококонцентрированные газокапельные течения. Примером таких устройств являются системы пожаротушения различной мощности, при проектировании которых использованы результаты проведённых исследований.
