Аэродинамика и тепломассообмен в пристенных закрученных одно- и двухфазных струях Шишкин Николай Енинархович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Термогазодинамика смешения в закрученном газовом и газокапельном потоках в трубах 15

1.1. Струйное смешение в ограниченном закрученном потоке 15

1.2. Газовая завеса на адиабатической поверхности 25

1.3. Охлаждение жидкими пленками и газокапельными струями 37

Постановка задач 47

ГЛАВА 2. Аэродинамические установки, методы исследования эффективности защиты газовыми и газокапельными струями 48

2.1. Рабочие участки и методика измерений параметров закрученной газовой завесы 48

2.2. Экспериментальная установка и система измерений характеристик тепловой газожидкостной завесы 82

ГЛАВА 3. Закрученная газовая завеса в цилиндрическом канале 94

3.1. Термогазодинамика смешения по сечениям канала 94

3.2. Температура и интенсивность турбулентности в приосевой области 104

3.3. Сопоставление способов закрутки охлаждающего газа 118

3.4. Влияние угла закрутки и режима течения на эффективность тепловой завесы 125

3.5. Эффективность завесы при вдуве инородных газов 135

3.6. Влияние высоты щели и величины разделяющей кромки на эффективность охлаждения в осесимметричном канале 143

ГЛАВА 4. Тепломассообмен при испарении капель чистых жидкостей и бинарных растворов 158

4.1. Модели расчета испарения капель 159

4.2. Испарение с пористой поверхности 163

4.3. Экспериментальная установка и методика исследований испарения подвешенных капель чистых жидкостей и водных растворов 168

4.4. Изменение концентрации компонентов в водном растворе капли 179

4.5 Капли бинарного состава в воздушном потоке 182

4.6. Опытное изучение испарения капель воды при наличии

нанотрубок и ПАВ 187

ГЛАВА 5. Эффективность защиты поверхности канала с помощью газокапельных струй 195

5.1. Структура течения при смешении в газокапельной струе 195

5.2. Влияние концентрации жидких капель на эффективность охлаждения 203

5.3. Анализ эффективности газокапельной завесы. Расчет по температуре стенки 208

5.4. Десорбция углекислого газа из капель, диспергированных в пристенной воздушной струе, и с поверхности жидкой пленки 217

Заключение 226

Список условных обозначений 230

Литература

• Газовая завеса на адиабатической поверхности
• Экспериментальная установка и система измерений характеристик тепловой газожидкостной завесы
• Влияние угла закрутки и режима течения на эффективность тепловой завесы
• Экспериментальная установка и методика исследований испарения подвешенных капель чистых жидкостей и водных растворов

Введение к работе

Актуальность работы. Развитие энергомашиностроения, ядерной энергетики, ракетной и многих других отраслей техники характеризуется повышением уровня температуры рабочих процессов в энергетических устройствах. Если термостойкость материалов обтекаемых поверхностей недостаточна для защиты от воздействия высокотемпературных или химически агрессивных газовых потоков, то в практике широко используются как газовые, так и газокапельные пристенные струи. Способы подачи охладителя могут быть самые различные, как через пористые участки, так и через щели в спутном, нормальном, либо во встречном направлении относительно основного потока.

К настоящему времени опубликованы многочисленные экспериментальные и аналитические исследования по эффективности газовых завес. Отметим работы Г. Н. Абрамовича, С. С. Кутателадзе, А. И. Леонтьева, Э. П. Волчкова, В. М. Репухова, R. A. Seban, R. J. Goldstein, S. C. Kacker, J. H. Whitelaw и многие др.

Кольцевая закрученная струя может более активно управлять пограничным слоем, изменять аэродинамические характеристики проточной части, обеспечивает интенсивную перестройку к устойчивому движению. Закрутка периферийного потока широко используется в плазмотронах с вихревой стабилизацией дуги, для тепловой защиты ограничивающей стенки; в вихревых горелках, форсунках и камерах сгорания для устойчивого горения. Перспективно использование закрученных потоков для охлаждения лопаток газовых турбин, в предсопловых объемах ракетных двигателей, в циклонных аппаратах.

Некоторые особенности структуры течения в полях массовых сил рассмотрены в работах М.А. Гольдштика, А.П. Меркулова, В.К. Щукина, А.А. Халатова, Н.Н. Кортикова, A.K. Gupta, D.G. Lilley, N. Syred, N.A. Chigier и др. Имеется ряд экспериментальных работ, в которых исследовалось смешение коаксиальных потоков (Р. Лянэ, Ю. Иванов, Е.П. Сухович и др.). Однако полученные результаты не дают полной картины всех особенностей ограниченного течения, влияния закрутки периферийного потока на интенсивность струйного перемешивания.

Газокапельные струи широко используются в различных отраслях промышленности, например, при напылении, распыле капель топлива, в системах кондиционирования воздуха, защите рабочих поверхностей. Использование для этих целей скрытой теплоты фазового перехода при испарении жидких капель позволяет значительно увеличить интенсивность теплообмена. Имеется обширный теоретический и экспериментальный материал по двухфазному охлаждению. Следует отметить труды Ю. В. Полежаева, Ф. Б.

Юревич, В. М. Репухова, А. И. Недужко, В. И. Терехова, М. А. Пахомова, А. В. Чичиндаева, E. Talmor, N. Weber и многие другие.

Ряд технологических процессов в химической промышленности и энергетике связаны с поглощением газов жидкостями (абсорбцией) [С.В. Алексеенко, В.Е. Накоряков, Б.Г. Покусаев, Н.И. Григорьева, В.М. Рамм]. Межфазная поверхность для газокапельного потока может существенно превосходить поверхность раздела фаз в часто реализуемом в абсорберах пленочном режиме течения. Изучение абсорбции – десорбции, может также дополнить исследования тепло- и массообмена в ограниченном двухфазном потоке.

Большой класс задач возникает при испарении капель многокомпонентного состава в двухфазном потоке, осаждения их на обтекаемой поверхности. В зависимости от состава капель на поверхности возможно образование структурированных материалов микро- и наномасштабов, создание полимерных пленок. Испарение многокомпонентных жидкостей рассматривается во многих исследованиях, например, Ю.Ю. Тарасевича, Т.А. Яхно, В.Г. Яхно, С.С. Сажина, А.П. Крюкова и других. Горение капель сложного состава осуществляется при впрыске в двигателях внутреннего сгорания. Несмотря на широкое практическое использование, испарение капель, как многокомпонентного состава, так и бинарных растворов в газовом потоке исследовано слабо как экспериментально, так и теоретически.

Разработка надежных методов расчета тепломассопереноса при смешении основного потока с периферийным закрученным потоком представляет сложную термогазодинамическую задачу. Струйное взаимодействие зависит от степени закрутки и способа ввода вторичного потока в рабочий участок, от соотношения площадей подводящих каналов и толщины торцевой стенки, разделяющих два потока на входе, от режима течения, градиента плотности и других возмущающих факторов. Подвод капель во вторичный поток усложняет исследование и необходимость учета влияния также таких факторов как распределение размера частиц по размерам, их концентрацию и состав эжектируемой жидкости. Турбулентный перенос в двухфазном пограничном слое определяется характером взаимодействия коаксиальных потоков в зоне смешения, частиц между собой и осаждением капель на поверхности с образованием жидкой пленки.

Рассматривается ряд задач, которые по степени разработанности не
удовлетворяют насущным требованиям фундаментальной науки и при
кладным работам. Ранее была показана эффективность защиты с помощью
гидродинамических способов охлаждения при обтекании плоских

поверхностей, созданы методы расчета. Однако, влиянию процессов струйного смешения в приосевой области на эффективность охлаждения стенки в этих условиях не уделялось должного внимания. В имеющихся

публикациях показаны исследования лишь в узком диапазоне изменения основных параметров без необходимого обобщения для создания инженерных методов расчета аэродинамики течения в энергетических устройствах. Нами проработаны вопросы влияния на защиту поверхности в широком диапазоне параметров: неизотермичности потоков, интенсивности закрутки, геометрии входа, режима течения, концентрации жидкой фазы в пристенной струе. Данные об эффективности систем охлаждения, полученные в настоящей работе в адиабатических условиях, являются необходимыми при определении локальных коэффициентов теплообмена на стенке рабочих установок.

Целью работы является экспериментальное исследование эффективности закрученных газовых завес, охлаждение поверхности газокапельными струями и жидкими пленками; изучить аэродинамику струйного смешения; сопоставить десорбцию СО₂ из газокапельных потоков и с жидких пленок; исследовать испарение капель, находящихся в потоке, как чистых жидкостей, так и водных бинарных растворов.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

– создание аэродинамического стенда для исследования закрученных
завес, изготовление рабочих участков для тепловых опытов, для измерения
концентрации инородных газов на стенке; участков и зондов для изучения
аэродинамики течения, тепловых и турбулентных характеристик в области
струйного смешения. Выбор способа закрутки периферийного потока,
который обеспечивал бы различную интенсивность вращения, равномерность
на входе рабочего участка. Исследование влияния на эффективность
охлаждения геометрических граничных условий, режима течения,

неизотермичности потоков, интенсивности закрутки пристенной струи. Анализ и обобщение результатов измерений.

– создание установки по исследованию газокапельных завес; системы распыла в пристенной струе; выбор методики и системы измерения для изучения теплофизических свойств двухфазного слоя смешения, характеристик осаждаемой жидкой пленки, десорбции углекислого газа из капель и с жидкости на поверхности канала; анализ влияния параметра вдува, концентрации жидких капель, неизотермичности на охлаждение газокапельной завесой и жидкой пленкой.

– исследование закономерностей интенсивности испарения капель бинарных смесей в струе воздуха; организация системы измерений и методики обработки результатов опытов; изучение влияния активных добавок на процессы межфазового перехода.

Научная новизна. 1. Комплексно исследована эффективность закрученной газовой и газокапельной завесы при турбулентном и ламинарном

режимах течения в зависимости от способа закрутки, геометрии входа в цилиндрический канал, неизотермичности потоков.

2. Впервые показано возникновение при наибольшей интенсивности закрутки
периферийного потока вихревого прецессирующего цилиндра, отходящего от
внутренней ограничивающей поверхности канала.

3. Вихревое движение, а также неизотермичность потоков вызывают
ламинаризацию струйного смешения в канале; их влияние значительно
ослабляется при ламинарных режимах течения.

4. Выявлена оптимальная массовая концентрация капель 6 – 10 %, свыше
которой эффективность газокапельного охлаждения не возрастает.

1. Впервые показано, что эффективность охлаждения в зависимости от концентрации капель и начальных условий при наличии пленки на стенке не превышает её значений при ламинарном течении.

2. Впервые опытным путем изучена десорбция углекислого газа из газокапельного потока и сопоставлена с десорбцией из жидкой пленки.

3. Выявлена температурная неравномерность на межфазовой поверхности, вследствие флуктуатационного характера испарения капель, сложная взаимосвязь вариации состава, температуры и скорости обтекающей струи на интенсивность испарения жидких капель.

8. Впервые емкостным методом проведено исследование концентрации
бинарных растворов в капле в потоке воздуха, получены новые законо
мерности по динамике снижения концентраций.

9. Получено обобщение по интенсивности испарения капель чистых
жидкостей, с примесью углеродных нанотрубок и при добавлении
поверхностно - активного вещества.

Теоретическая и практическая ценность работы заключается: – в новых опытных данных о структуре течения, полученных в широком диапазоне изменения основных факторов, определяющих смешение неза-крученного основного потока с закрученной периферийной струей, которые можно использовать для углубления и развития теории вихревых течений. – полученные результаты исследования вихревых движений необходимы для проектирования циклонных аппаратов, плазмотронов, вихревых горелок, эжекторов, камер сгорания ряда энергетических установок и авиационных двигателей, где закрутка используется для стабилизации факела и улучшения условий перемешивания топлива с воздухом. Полученные закономерности могут быть использованы при конструировании химико-технологических установок, аппаратов новой техники.

– в новых опытных исследованиях газокапельных завес, характеристик течения жидкой пленки, образующейся при осаждении капель на стенке, в создании, в зависимости от состава жидкости, структурированных материалов микро- и наномасштабов, полимерных пленок.

– в первых результатах сопоставления десорбции СО₂ с поверхности подаваемой жидкой пленки на стенке и образующейся при осаждении капель. – в новых данных об испарении капель бинарных смесей, выбора обобщающих критериев для расчета интенсивности тепло- массообмена.

Методы исследования включали в себя измерения аэродинамических параметров, температуры, как на стенке, так и в цилиндрическом канале, при вариации геометрических и режимных параметров. Изучалось распределение концентрации газа на стенке при смешении инородных потоков. Определялась десорбция СО₂ из жидкой пленки, возникающей при осаждении жидких капель на поверхности канала. Объектом изучения были капли как чистых жидкостей, так и водных растворов. В опытах измерялись размеры капель и температура на межфазовой поверхности. В результате определялась интенсивность испарения в зависимости от скорости и температуры обдуваемой струи воздуха, от состава смеси испаряющейся жидкости.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования эффективности тепловой завесы, концентрации вдуваемого газа на стенке трубы в зависимости от интенсивности закрутки при ламинарном и турбулентном режимах течения.

2. Подобие профилей температуры, циркуляции, кинетической энергии и угла закрутки в струйном пограничном слое.

3. Опытные данные о температуре, скорости и турбулентных характеристиках в приосевой области в зависимости от угла закрутки, параметра вдува и толщины разделяющей кромки. Обобщение и методику расчета температуры и концентрации газа на оси канала.

4. Результаты комплексных исследований изменения диаметра, температуры поверхности, концентрации бинарных компонентов капель, находящихся в воздушной струе. Методику обобщения тепломассообмена с каплями чистых вещества, водяных капель, содержащих углеродные нанотрубки, или с добавками ПАВ.

5. Экспериментальные данные об эффективности охлаждения газокапельными потоками или жидкими пленками. Результаты исследований десорбции углекислого газа из капель в пристенной струе и с поверхности жидкой пленки.

Достоверность основных результатов обеспечена использованием апробированных методов и оценкой погрешностей измерения, многократными экспериментами при идентичных условиях, сравнением с опытами других авторов, сопоставлением с результатами, полученных численными методами, а также широкой их апробацией.

Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила на следующих семинарах и конференциях: на II и III Всесоюзных научно-технических конференциях

«Исследование вихревого эффекта и его применение в технике» (Куйбышев, 1975, 1979); на VI международной конференции по тепло- и массообмену (Торонто, 1978); на семинарах «Теоретические основы и оптимизация процессов тепловой защиты…» (Киев, 1982, 1987); на XXIII, XXIV, XXVI Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 1983, 1984, 2002); на VIII Всесоюзной конференции «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах» (Ленинград, 1990); на XV Научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 1993); на I, II, IV, V, VI Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 1994, 1998, 2006, 2010, 2014); на 2^nd Int. Symp. Two-Phase Model. Exp. (Pisa, 1999); на 3, 4, 6, 8^th Int. Conf. Multiphase Flow (Lyon, 1998, New Orleans, 2001, China, Xi’an, 2009, Korea, Jeju, 2013); на XII, XIV, XV, XVI ICMAR (Новосибирск, 2004, 2008, 2010, 2014); на XI, XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (С-Петербург, 2005, Москва, 2008); на Baltic Heat Transfer Conference (St. Petersburg, 2007); на I Minsk Int. Heat Mass Transfer Forum (Минск, 2008), 14^ый Минский межд. форум по тепломассообмену (Минск, 2012); на Межд. конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики.» (Алушта, 2009, 2010, 2011, 2013, 2015); на Всеросс. конференции «Современные проблемы термодинамики и теплофизики» (Новосибирск. 2009); на 1 Российской конференции «Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории, приложения» (Астрахань, 2010); на Международных научно-технических конференциях «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2010, 2012, 2015); 24^th European Conf. Liquid Atomization and Spray Systems (Portugal, 2011); The 7^th International Symposium on Measurement Techniques fore Multiphase Flows (China, Tianjin, 2011); на IV Межд. конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2011); Spring World Congress on Engineering and Technology (China, Xi’an, 2012); на Всеросс. научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» Москва, 2015).

Личный вклад автора заключается в проектировании рабочих участков, разработке методик измерения, проведении экспериментов и обработки результатов опытов, подготовке научных трудов. Постановка задач исследований осуществлена как лично, так и совместно с академиком Э.П. Волчковым и д.т.н., проф. В.И. Тереховым. На разных этапах частично в подготовке и проведении экспериментов участвовали к.т.н. Е.И. Синайко, д.т.н. Н.А. Дворников, д.т.н. В.П. Лебедев, к.т.н. К.А. Шаров, д.т.н. А.Д. Назаров.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 266 наименований, приложений. Основной текст диссертации содержит 257 страницах, включая 151 рисунков и 3 таблицы.

Газовая завеса на адиабатической поверхности

Опыты Лянэ Р., Иванова Ю. в рабочем участка при d0 /Dk = 0,09 0,32 выявили различный характер струйного смешения в закрученном потоке [98]. Так повышение расхода периферийного потока снижало интенсивность смешения при d0 / Dk 0,14, в случае d0 / D 0,14 перемешивание увеличивалось. Однако, при любом значении d0 1Т\ , но при определенных режимных параметрах, можно было достигнуть наименьшего смешения обоих потоков. В таком случае изменение температуры на оси характеризовалось единой кривой (Рисунок 1.4).

В работе [188] рассматривалось горение струи метана в воздушном закрученном потоке. Наряду с этим проведены исследования в изотермической модели, в которой подавались как гелиевая струя, имитирующая метановое пламя при температуре 1400 С, так и воздушная струя для изучения влияния только вращения. Было показано, что только в условиях закрутки периферийного потока образуется стабильное пламя, происходит ламинаризация границ струи. Наибольшие температурные градиенты на внешних границах пламени устанавливались при максимальном вращении, при этом концентрация кислорода снижалась внутри пламени, что дополнительно, указывало на уменьшенное вовлечение воздуха в пламя. Вихревой цилиндр, образующийся в вихревой камере на некотором расстоянии от стенки при определенных условиях, наблюдался в работах [7, 15, 16]. Так как условия течения в камерах сгорания не являются идеальными, вихревое ядро имеет прецессию вращения, что отражается на симметрии распределения параметров по окружности во внешней области.

Турбулентные характеристики течения при смешении в закрученном потоке представлены по термоанемометрическим измерениям в работах [53, 74, 223]. Изучение характеристик пристенной закрученной струи в цилиндрическом канале [53] показало, что нормальные компоненты тензора корреляций, если отнести их к максимальной полной скорости, как это сделано в работах [158, 185], качественно согласуются между собой в случае закрученных и незакрученных потоков. Автомодельная форма нарушалась в зоне смыкания струй. Вращение потока воздействовало на турбулентную структуру, главным образом, через поперечную пульсацию скорости Vr`, которая снижалась по сравнению с незакрученным течением в 1,5 раза.

Интересный результат был получен в работе [53] при рассмотрении спектра пульсации скорости в струйной области. Полученные спектры были приведены к безразмерному виду с учетом y0,5 – расстояния от стенки, где полная скорость равна половине её максимального избыточного значения. Тогда зависимости безразмерной спектральной функции F(k)/y0,5 от безразмерного волнового числа ky0,5 совпадали в струйной области закрученного и незакрученного потоков и соответствовали результатам, полученным при обтекании пластины [205]. Таким образом, спектр пульсаций скорости, определенный в любом месте исследуемого канала, за исключением пристенной зоны, может быть представлен в едином обобщенном виде.

Влияние радиального градиента плотности, который имел место при смешении газов разной плотности на степень турбулентности, рассматривалось в работе [188]. В отсутствии закрутки для потоков одинаковой плотности турбулентная интенсивность Tu в области смешения достигала 40 %. При подаче на оси гелиевой струи как её ширина, так и Tu увеличивалась вдвое, чем это было при взаимодействии обоих воздушных потоков. Исследование совместного влияния вращения и положительного радиального градиента плотности показало, что смешение уменьшилось больше, чем это вызывалось бы только одним вращением.

Анализируя физические процессы в плазмотронах с вихревой стабилизацией дуги, Урюков Б.А. предложил природу турбулентности низкотемпературной плазмы чисто гидродинамической, возникающей либо благодаря пристенному торможению жидкости, либо из-за существенной разницы скоростей горячего ядра дуги и холодного окружающего потока [157]. Оптические исследования электрической дуги в турбулентном закрученном потоке воздуха, а также термоанемометрические измерения без дугового разряда, проведенные Засыпкиным И. М. [69], показали идентичность пульсационных характеристик на оси при наличии и отсутствии дуги. Результаты опытов подтвердили вывод работы [157] о том, что на участке развитого турбулентного течения газа, турбулентность потока в приосевой зоне определяется закономерностями пристенной турбулентности.

Имеется ряд работ, в которых турбулентные характеристики закрученного течения определялись из экспериментальных данных об осредненных параметрах. Поля средних скоростей, давления, по необходимости другие осредненные величины, аппроксимировались рядом уравнений с эмпирическими константами, образуя начальные данные для численной процедуры. Авторы [102, 223, 224] упрощали уравнения Рейнольдса, используя приближения пограничного слоя. Численным интегрированием по методу Симпсона определялись касательные напряжения, коэффициенты турбулентной вязкости оценивались по известным соотношениям между компонентами напряжений и скоростей деформаций.

Турбулентные напряжения трения и значения коэффициентов турбулентного переноса при взаимодействии коаксиальных потоков определялись Суховичем Е. П. в работах [74, 137] на основе законов сохранения импульса и энергии в интегральной форме, при расчете интенсивность турбулентности не учитывалась. Было показано, что в пристеночном пограничном слое коэффициенты турбулентной вязкости увеличивались при удалении от стенки и достигали (70 80)о . В струйном пограничном слое имелись области, где вязкость оказывалась отрицательной. Именно здесь отмечался аномальный перенос момента количества движения к оси канала. Предполагалось, что в этой области порождение энергии турбулентности становится отрицательным, т.е. турбулентные вихри отдают часть своей энергии осредненному течению, обычно же предполагалось обратное [25]. Измерения турбулентных характеристик в этом же рабочем участке с помощью термоанемометра [74] подтвердили существование области с отрицательным порождением энергии турбулентности.

Экспериментальная установка и система измерений характеристик тепловой газожидкостной завесы

При экспериментальном исследовании проводились визуальные наблюдения за процессом развития и смешения пристенного двухфазного потока. Для этого стенки канала были выполнены из прозрачного материала. Установлено, что жидкость, поступающая по трубкам внутрь кольцевой щели, быстро распыляется, образуя, практически, уже в начальном сечении равномерный кольцевой слой водяной пыли. Достаточно высокая концентрация частиц в тонком слое диспергированной жидкости вызывает ее осаждение на стенке с образованием жидкой пленки. Для исследования механизма осаждения капель производилось измерение толщины пленки осажденной жидкости и ее расхода. Для этого использовался рабочий участок, состоящим из отдельных секций, набором которых изменялась его длина.

Толщина пленки измерялась датчиком емкостного типа [103], который был вмонтирован заподлицо со стенкой в одну из секций. Сигнал с датчика направлялся в преобразователь емкость-частота, оцифровывался и представлялся на экране компьютера в графическом виде как зависимость частоты измерительного генератора от времени. В дальнейшем, по тарировочным зависимостям частота измерительного генератора переводилась в толщину пленки. Тестирование датчика проводилось перед началом экспериментов в тарировочном устройстве, позволяющем измерять известные толщины пленок в статическом режиме. Таким образом, данная система позволяла получить функцию локальной толщины жидкой пленки от времени.

Расход жидкой пленки измерялся сбором жидкости в мерный сосуд через кольцевую щель высотой 4 мм.

Важным при проведении экспериментов является вопрос об осесим-метричности образующейся на стенках канала пленки. Гравитационные силы могут привести к перетеканию жидкости в нижнюю часть цилиндрического канала. Однако визуальные наблюдения и специальные измерения температуры адиабатической поверхности в различных точках по окружности канала свидетельствуют о практическом отсутствии влияния эффектов перетекания. Равномерная толщина пленки по окружности была обусловлена высоким значением скорости основного потока Wo в опытах. При снижении скорости (Wo 25 м/с) осесимметричный характер течения пленки нарушался.

Наряду с горизонтальным расположением рабочего участка проводилось также исследование эффективности газокапельных пристенных струй в вертикальном цилиндрическом канале. Направление потоков было сверху вниз. В таком случае вопрос о влиянии гравитационных сил на перетекании жидкости на стенке, перемещении капель в слое смешения в окружном направлении снимался.

Время выхода для достижения теплового равновесия в измерениях по эффективности охлаждения составляло не менее часа. В установленном режиме результаты опытов для однофазных потоков, представленные в универсальных координатах на Рисунке 2.31, хорошо обобщаются зависимостью Кутателадзе-Леонтьева (2.21). На рисунке нанесены эксперименты, в которых To 50 oC, Ts 20 oC, m = 1. Рисунок 2.31 - Эффективность газовой завесы в канале диаметром Dк = 100 мм, сплошная линия - зависимость Кутателадзе-Леонтьева (2.21). Методика определения концентраций СО2 в жидкости методом титрования. Массоотдача изучалась в процессе десорбции слаборастворимого в воде углекислого газа с поверхности жидких частиц при вариации в широких пределах расходных параметров для газовой и жидкой фаз. Предварительное насыщение воды углекислым газом производилось путем барботирования СО2 через слой жидкости в резервуаре (Рисунок 2.32). Время растворения газа в воде составляло несколько часов, поэтому концентрация СО2 во всем объеме жидкости была близка к постоянной. Из резервуара методом вытеснения вода, насыщенная газом, через систему распыла поступала в рабочий канал установки. Опыты проводились при температуре окружающей среды. Начальная концентрация углекислого газа в растворе составляла 500 4- 800 мг/л, а его равновесная концентрация на поверхности раздела фаз - 0,6 мг/л.

Существует много различных методов определения концентрации газов в растворах, например: объемный химический анализ, газовая хроматография, интерферометрия и потенциометрическое измерение концентраций ионов. Был использован наиболее простой надежный и хорошо изученный метод объемного (титрометрического) анализа [4].

Объемный химический анализ (метод титрования) является одним из распространенных методов определения количественных соотношений составных частей, входящих в исследуемое вещество. Суть этого метода титрования заключается в нейтрализации, в данном случае, раствора Н2СО3, образовавшегося при взаимодействии СО2 с водой, щелочью NaOH, нормальность которой определена титрованием соляной кислотой, приготовленной из фиксанала.

Чтобы зафиксировать момент нейтрализации углекислоты щелочью к исследуемому раствору в качестве индикатора предварительно добавлялось несколько капель фенолфталеина, который в кислой среде не окрашен, в нейтральной среде окрашивает раствор в малиновый цвет. При нейтрализации происходит реакция:

Влияние угла закрутки и режима течения на эффективность тепловой завесы

Перенос кинетической энергии в области взаимодействия коаксиальных потоков характеризовался значениями Vx2 / 2 , V2 / 2. Как и циркуляция, кинетическая энергия в осевом и окружном направлениях, корреляция осред-ненных скоростей VxV обобщались в безразмерном виде и удовлетворительно описывались кривой Гаусса (Рисунок 3.4 b).

Для газа, вращающегося на радиусе r , интенсивность закрутки потока, определяемая как отношение момента импульса M = dm Vr и количества движения K = dm Vx равна V/Vx tg . Анализ измерений направления потока по радиусу показал, что профиль tg в струйной части пограничного слоя может быть обобщен аналогичным образом (Рисунок 3.4 c).

Интенсивность закрутки потока во многих работах определяется по локальному значению V/Vx вблизи стенки канала. Так как профили tg имеют подобный вид в различных сечениях канала, то локальные и интегральные параметры закрутки можно однозначно выразить один через другой. Для полностью закрученных потоков эмпирическая зависимость между tg ст и Ф показана в работах [161, 185].

Визуализация картины течения в непосредственной близости от стенки (Рисунок 2.9а) показала, что при углах закрутки газовой завесы s = 580 и 740, движение газа в канале является осесимметричным. По фотографиям растекания вязкой жидкости, полученных при этих начальных углах закрутки в виде Рисунок 2.10б, определялись линии тока газа вблизи поверхности канала. Тангенс угла наклона касательной, проведенной к линии тока, давал отношение вращательной к осевой компонент скорости вблизи стенки. Изменение локальной степени закрутки потока по длине канала показано на Рисунке 3.5 при вариации относительной массовой скорости вдува и начального угла закрутки. Видно, что, чем больше параметр вдува m, а также начальный угол s, тем более высокой сохраняется величина (V/Vx)ст по длине канала.

Опытные данные о tg ст вблизи стенки, отнесенные к этому значению на входе, обобщаются в первом приближении такой же зависимостью, что и данные об эффективности завесы [44]. Принимая во внимание также подобие профилей угла закрутки, циркуляции (Рисунок 3.4) и температуры (Рисунок 3.8) можно сделать важный вывод о том, что распределение вращательного импульса периферийного потока происходит аналогично изменению безразмерной температуры или параметра тепловой эффективности завесы.

Распределение давления на стенке по длине канала для различных углов закрутки вдуваемого газа показано на Рисунке 3.6. На рисунке статическое давление представлено в безразмерной форме как (Рст – Рст,вых) / оWo2/2, где Рст,вых – давление на стенке в точке x/s = 210, в которой оно уже не зависело от интенсивности вращения периферийного потока. Как видно из рисунка, наиболее сильное изменение давления на стенке наблюдается вблизи щели. Далее вниз по потоку, вследствие падения угла закрутки, опытные точки сближаются. Следует также отметить колебание давления за кольцевой щелью при наиболее интесивной закрутки пристенной струи, когда s было 86 0.

Как известно, в закрученном потоке происходит перераспределение температуры газа по радиусу, обусловленное эффектом Ранка-Хилша. Анализ температурных профилей, полученных при движении коаксиальных струй с одной и той же температурой, выявил упомянутый эффект и при смешении в ограниченном закрученном потоке. На Рисунке 3.7а приведены эпюры температуры в нескольких сечениях цилиндрического канала при m = 5 и начальном угле закрутки пристенной струи s = 740.

Вблизи от входа в канал распределение температуры определяется характером обтекания термопары, скоростью потока, влиянием стенки, вблизи которой происходит восстановление температуры потока, дефектом скорости в следе кромки сопла и эжекцией пристенной струи. Далее вниз по потоку закрутка распространяется на все течение, происходит температурное разделение: вблизи стенки она возрастает, а в приосевой зоне – падает.

Эффект Ранка-Хилша при струйном смешении в ограниченном закрученном потоке. Обозначения для графика б): 1 - m = 0,5, W = 48 м/с, s = 740; 2 – 0,9; 48, 740; 3 – 5, 15,740; 4 – 5, 27, 580; 5 – 5, 27, 740.

Отмеченный эффект наиболее ярко выражен для больших значений m, с уменьшением параметра вдува температура стенки снижается (Рисунок 3.7б). При равных значениях m, повышение начального момента импульса за счет увеличения расхода или угла закрутки периферийного потока способствует большему нагреву стенки.

Экспериментальное исследование профилей температуры поперек канала в условиях закрутки периферийной струи проведено при нагреве основного или вторичного потоков. Результаты измерения в разных сечениях для углов закрутки s = 00, 580, 740 и параметра вдува m = 0,5 представлены в обобщенном виде на Рисунке 3.8. В такой обработке опытные точки обобщаются между собой и так же, как для незакрученного течения на плоской стенке, удовлетворительно согласуются с расчетом по формуле Вигхардта (2.7). Кроме опытов, проведенных при квазиизотермических условиях, на Рисунке 3.8 нанесены результаты измерений Суховича Е.П. [136], в которых

Изучение параметров течения на оси канала дает наглядное представление о степени и характере перемешивания спутных потоков. Часто изменение параметров на оси является главным предметом исследования, например, в плазмотронах, в вихревых горелках. Температуру на оси принято представлять в безразмерном виде (То – Тсм)/(То1 – Тсм) [98,136], где То и То1 – температура потока на оси в текущем сечении и на входе в канал, Тсм = (GoTo1 + GsTs)/(Go + Gs) – температура при полном смешении потоков.

Характерные данные об изменении температуры на оси канала показаны на Рисунке 3.9 для тонкой разделяющей кромки (t/s = 0,15) в зависимости от продольной координаты x / Dк. Области начального участка соответствует значение безразмерной температуры, равное единице, а полному смешению – ноль. Из графика видно, что для незакрученного течения (опытные точки 1) длина начального участка мала (не превышает трех калибров при m = 0,5 и составляет один калибр при m = 5). В последующей области течения безразмерная температура на оси быстро падает, указывая на интенсивное перемешивание коаксиальных струй.

Экспериментальная установка и методика исследований испарения подвешенных капель чистых жидкостей и водных растворов

Неравномерность температуры может достигать 10 и более градусов, хотя температурное поле является нестационарным, а рассматриваемые температуры в процессе испарения возрастают постепенно. Причины столь значительной неоднородности к настоящему времени являются невыясненными и требуют более детальных исследований. Предполагается, что неоднородность температуры была вызвана случайно возникающими центрами вскипания во внешнем слое капли [11, 13].

По фотографиям термографических микросъемок фиксировались внешние формы капель, как это показано на Рисунках 4.12 и 4.13. Затем определялись значение радиуса контура капель как Ri = absXi – Xср, здесь Хср – средняя величина между Xmin и Xmax. На графике R(Y), типичный вид представлен справа на Рисунке 4.13, находилась аппроксимация полиномом 4-й степени, которая затем использовалась в подынтегральных выражениях для определения объема, площади капли, и эффективного диаметра, соответствующего шаровой форме. Погрешность изменения линейного размера капли не превышала 0,1 мм, а температуры 0,2 градуса. Для чистых жидкостей данная методика позволяла определить величину массового потока пара на поверхности капли.

Методологические особенности исследования подвешенных в потоке капель. Одним из наиболее распространенных методов проведения экспериментов по изучению интенсивности тепло и – массообмена капель в потоке газа является подвешивание их на тонких капиллярах (пендантные капли), тонких термопарных спаях или нитях из различного материала. В данной работе капли подвешивались на петле из вольфрамового провода диаметром 50 мкм, а также на тонкой асбестовой нити, её размер над каплей не превышал 250 мкм. Асбестовая нить с малой теплопроводностью существенно снижала неконтролируемые тепло-притоки к капле, тем самым снижая погрешность измерения коэффициентов тепло и – массообмена. В то же время, асбест является гигроскопичным материалом с волокнистой структурой, через которую возможна дополнительная неконтролируемая фильтрация жидкости из капли. Поэтому в ряде экспериментов асбестовая нить в области шейки над каплями для предотвращения миграции жидкости пропитывалась воском.

Проблема влияния теплоподвода (теплоотвода) на теплоперенос от испаряющейся поверхности является чрезвычайно важной в методологическом плане. Для испаряющихся капель она была впервые сформулирована в работе [160]. Исследования в этом направлении развиваются и, как показано в недавней работе [208], влияние теплопритока от поддерживающих термопарных проводов может быть значительным.

В настоящей работе использовались различные способы крепления капель в потоке. Сопоставления при близких условиях экспериментов показаны на Рисунках 4.14 – 4.16.

Как видно, опытные данные существенно расслаиваются: чем больше начальный диаметр, тем более интенсивно происходит испарение капель. Наряду с этим как при наличии теплопритока (проволочное кольцо), так и массоотвода жидкости от капли (асбестовая непропитанная нить) также усиливалось испарение (Рисунок 4.14). Поскольку в экспериментах было трудно обеспечить постоянство начального диаметра капли, то все опытные данные были обработаны в виде зависимости относительного диаметра (d/do)1 5 от комплекса К0 = Re5 Fo согласно (4.16). Подобную тенденцию имеют закономерности испарения капель жидкости другого состава, а также их смесей. В этом можно убедиться, обратившись к Рисунку 4.15, где представлены данные по скорости испарения капель метанола. Устранение фильтрации жидкости через поддерживающую асбестовую нить кардинально повлияло на скорость изменения диаметра капли.

Аналогично с отсутствием фильтрации ацетона по нити асбеста, уменьшение диаметра капли происходило в меньшей степени (Рисунок 4.16). Следует отметить, что испарение ацетона с проволочного кольца было близко по интенсивности испарения с нити асбеста пропитанного воском. Очевидно, что при

Измерения концентрации компонентов в каплях бинарных растворов.

Экспериментального определения изменения по времени содержания компонентов в каплях ранее не проводилось, хотя это и является наиболее важной характеристикой исследуемых процессов испарения. В настоящее время отсутствуют надежные методы измерения в силу сложности процесса и малых масштабов исследуемых объектов. В основе имеющихся методов определения концентрации жидкостей в растворах является сочетание измерительных и вычислительных методов. Эти методы основаны на зависимости объемной концентрации от изменения поверхностной концентрации с учетом диффузии внутри капли. В работах [215, 216] информацию о давлении насыщения паровой фазы у поверхности капли, полученную техникой лазерно - индуцированной флуоресценции, обрабатывали методом конечных разностей с использованием уравнения диффузии компонентов в капле.

Другой способ оценки поверхностной концентрации основан на определении поверхностного натяжения по анализу формы капли [210, 232, 262]. Этот метод применялся как для капель на подложке (лежащей капли), так и для подвешенных капель. В силу зависимости поверхностного натяжения от концентрации компонентов капля принимает форму, зависящую от значения концентраций. Вычислительная процедура состояла в анализе цифрового образа капли, полученного фото- или видеосъемкой изменения её формы во времени. Метод трудоемок, имеет большое число источников погрешности, анализ которых дается в работе [262]. Авторы разделяют погрешности, связанные с аппаратной частью метода (электроника, оптические и механические компоненты, которые создают цифровое изображение капли) и программной, реализующей вычислительные методы обработки образа капли.

В настоящей работе для изучения динамики изменения концентрации компонентов в испаряющейся одиночной капле бинарного раствора был применен емкостный метод [103], принцип действия которого основан на зависимости емкости зонда от диэлектрической проницаемости в смеси компонентов капли. Ранее емкостной метод использовался для определения мгновенной толщины жидкой пленки на стенке канала при криогенных [5] и комнатных температурах [145].

Капли подвешивались непосредственно на емкостном датчике, измеряющего концентрацию состава испаряющейся жидкости. Направление воздушного потока в опытах было снизу, чтобы обеспечить лучшее удержание более массивной капли на кончике зонда, однако и в этом случае при скоростях струи более 6 м/с жидкость сдувалась с датчика.

Конструкция зонда (Рисунок 4.17) состояла из двух электродов, расположенных коаксиально друг относительно друга. Внешний представлял собой медную тонкостенную трубку с внешним диаметром 2 мм, внутренний -цилиндрический электрод диаметром 0,5 мм. От торца внешнего электрода, внутренний электрод выступал наружу на 1 мм. На коаксиальную конструкцию надета фторопластовая вставка для устранения замыкания электродов из-за проводящих свойств жидкости и, одновременно, выполняющая роль держателя капли. Капля при этом, помещенная на зонде имеет вид полусферы, с размером равным диаметру электрода.