Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по исследованию обтекания тел гетерогенными потоками 13
1.1. Течения с частицами в области критической точки тела 13
1.2. Расчетно-теоретические исследования течения с частицами в пограничном слое обтекаемого тела 28
1.3. Экспериментальные исследования течений с частицами в пограничном слое обтекаемого тела 32
1.4. Выводы 37
Глава 2. Экспериментальная установка для исследования характеристик гетерогенного потока при обтекании затупленного тела. Методика измерений 38
2.1. Экспериментальная установка 38
2.2. Параметры гетерогенного потока, варьируемые в эксперименте 42
2.3. Особенности измерения скоростей чистого воздуха, частиц и их концентрации 47
2.4. Основные принципы измерения скоростей крупных твердых частиц 49
2.5. Методика определения локальной концентрации частиц в потоке 55
2.5.1. Определение локальной концентрации частиц по частоте поступления данных 57
2.5.2. Определение локальной концентрации частиц по величине анодного тока ФЭУ ..61
2.6. Выводы 63
Глава 3. Исследование обтекания тела с полусферическим торцем 65
3.1. Условия проведения экспериментов 65
3.2. Измерения характеристик гетерогенного потока в окрестности критической точки 66
3.2.1. Распределения скоростей частиц 66
3.2.2. Распределения осредненных скоростей воздуха и частиц 71
3.3. Измерения характеристик гетерогенного потока в пограничном слое 74
3.3.1. Распределения скоростей и пульсаций скоростей «чистого» воздуха 75
3.3.2. Распределения скоростей и пульсаций скоростей частиц 78
3.3.3. Распределения концентрации частиц 84
3.4. Выводы 85
Глава 4. Исследование обтекания тела с плоским торцем 87
4.1. Условия проведения экспериментов 87
4.2. Измерения скоростей частиц в окрестности критической точки 89
4.3. Обобщение экспериментальных данных . 94
4.4. Сравнение результатов эксперимента и расчета 98
4.4.1. Эксперимент 98
4.4.2. Расчет 99
4.5. Выводы 105
Общие выводы 106
Литература 108
- Расчетно-теоретические исследования течения с частицами в пограничном слое обтекаемого тела
- Основные принципы измерения скоростей крупных твердых частиц
- Распределения скоростей и пульсаций скоростей «чистого» воздуха
- Измерения скоростей частиц в окрестности критической точки
Введение к работе
При анализе движения различных летательных аппаратов в запыленной
атмосфере, а также течения двухфазных теплоносителей в трактах энергетических установок необходимо рассмотрение процессов взаимодействия гетерогенного потока с обтекаемыми поверхностями. Гетерогенные потоки «газ-твердые частицы» в течение нескольких последних десятилетий привлекают к себе внимание исследователей во всем мире. К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, посвященный самым различным аспектам газодинамики и теплофизики такого рода потоков [1-17]. Известно, что присутствие твердых частиц в газе может приводить к значительному (порой многократному) увеличению тепловых потоков от газа к стенке тела, электризации обтекаемых тел, а также к
эрозионному износу обтекаемой поверхности. Эти явления обусловлены совместным действием целого ряда факторов, среди которых: изменение структуры течения набегающего на тело потока, а также характеристик пограничного слоя, развивающегося на обтекаемом теле, соударения частиц с поверхностью, степень шероховатости поверхности и др. Интенсивность процессов, сопутствующих обтеканию тел гетерогенными потоками, зависит от инерционности, концентрации частиц и т.д. Следует отметить, что инерционность частиц определяется как их параметрами, так и геометрией течения и может изменяться для одних и тех же частиц в очень широких пределах. Наличие разных характерных времен (длин) несущего потока (вблизи
критической точки обтекаемого тела, вдоль его поверхности, собственно турбулентных масштабов и т.д.) существенно осложняет изучение таких потоков и обобщение данных. Что касается концентрации частиц, то ее значение может многократно превышать «исходное» значение в
8 невозмущенном потоке из-за резкого торможения потока при приближении к телу, взаимодействия частиц со стенкой, а также межчастичных столкновений.
Несмотря на актуальность развития теории многофазных турбулентных течений, она, на сегодняшний день, далека от совершенства. Процессы, происходящие в многофазных турбулентных потоках, намного сложнее, чем в однофазных. Вследствие этого, методы экспериментальных и теоретических исследований, используемые в классической механике однофазных сплошных сред, зачастую не могут быть использованы для изучения гетерогенных потоков в принципе. Экспериментальных работ, посвященных изучению обтекания тел гетерогенными потоками, мало. До настоящего времени не существовало экспериментальных работ, посвященных исследованию многократных отражений дисперсной фазы от обтекаемого тела. Затруднено было также получение картины гетерогенного течения в пограничном слое, развивающемся вдоль поверхности обтекаемого тела. Благодаря оригинальным методикам, разработанным автором, в данной работе стало возможным провести экспериментальные исследования динамики частиц, как в окрестности критической точки, так и пограничном слое обтекаемых тел.
Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение динамики твердых частиц в окрестности критической точки и в пограничном слое, нарастающем вдоль поверхности обтекаемого тела. Для проведения комплексного изучения характеристик движения частиц необходимо решение следующих основных задач:
разработка методик измерений мгновенных скоростей частиц и их концентрации вблизи поверхности обтекаемого тела с использованием серийного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА);
проведение экспериментальных исследований характеристик движения частиц при обтекании тел гетерогенным потоком;
9 3) выявление физических параметров, определяющих динамику частиц вблизи поверхности обтекаемого тела и обобщение полученных и имеющихся на сегодняшний день экспериментальных данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны две новые методики определения локальной концентрации твердых частиц в турбулентном потоке газа методом лазерной доплеровской анемометрии;
решен комплекс метрологических проблем, возникающих при исследовании динамики дисперсной фазы в окрестности тел, обтекаемых гетерогенными потоками;
получены экспериментальные данные по динамике частиц и распределению их концентрации в окрестности критической точки и пограничном слое тела с полусферическим торцем;
получены экспериментальные данные по динамике частиц в окрестности критической точки тела с плоским торцем.
Достоверность представленных в диссертации результатов и предложенных методик для экспериментального изучения структуры гетерогенных потоков вблизи поверхности обтекаемых тел подтверждена разработанными методами контроля точности получаемых данных.
Практическое значение. Разработанные автором оригинальные методики измерений концентрации, скоростей и пульсаций скоростей частиц при обтекании гетерогенным потоком препятствий различной конфигурации могут быть эффективно использованы при проектировании различных технических устройств, использующих рабочее тело с дисперсной твердой примесью. Примерами таких устройств могут служить пылеуловители различных типов, линии термоподготовки угля в схемах энерготехнологического использования
10 топлива, камеры сгорания тепловых двигателей, теплообменники с двухфазными рабочими тела, системы сушки в псевдоожиженном слое твердых частиц и т.д. Использование гетерогенных потоков в технических устройствах позволяет интенсифицировать теплообменные процессы и несомненно являются альтернативой однофазным теплоносителям.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 4-ой международной конференции по многофазным течениям ICMF'2001 (Новый Орлеан, США, 2001); 6-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2001); 10-ой конференции «Two-Phase Flow Predictions» (Мерзебург, Германия, 2002); 7-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2003); 4-ом международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Transfer" (Анталия, Турция, 2003); 3-ем международном симпозиуме "Two-Phase Flow: Modelling and Experimentation" (Пиза, Италия, 2004).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах.
На защиту выносятся:
Методика определения локальной концентрации твердых частиц двумя способами: по частоте поступления данных от дисперсной фазы и по величине анодного тока фотоэлектронного умножителя.
Результаты экспериментального исследования динамики частиц и распределения их концентрации в окрестности критической точки и псевдоламинарном слое тела с полусферическим торцем.
3) Результаты экспериментального исследования динамики твердых частиц
в окрестности критической точки тела с плоским торцем.
Содержание работы.
Первая глава носит обзорный характер. Рассмотрены расчетно-теоретические и экспериментальные работы, в которых исследовалось обтекание тел гетерогенными потоками. Показано, что на текущий момент развития теории двухфазных течений существует дефицит экспериментальных данных для дальнейшего изучения динамики крупных твердых частиц, как в окрестности критической точки обтекаемого тела, так и в пограничном слое, развивающемся вдоль его поверхности.
Вторая глава посвящена описанию созданной экспериментальной установки и разработанным оригинальным методикам измерений скоростей и концентрации частиц вблизи поверхностей обтекаемых тел. Основу измерительного комплекса, используемого для исследования структуры гетерогенных течений, составляет лазерный доплеровский анемометр (ЛДА). Рассмотрены задачи экспериментального исследования гетерогенных потоков. Показаны методические особенности исследования динамики частиц в окрестности критической точки затупленного тела. Приведены разработанные автором способы определения локальной массовой концентрации частиц в потоке и вблизи поверхности тела с помощью ЛДА.
В третьей главе описаны результаты экспериментального исследования динамики крупных твердых частиц при обтекании затупленного тела с полусферическим торцем. Приведены измеренные распределения скоростей частиц в широком диапазоне изменения концентрации дисперсной фазы в набегающем потоке. Выявлено, что рост концентрации дисперсной фазы ведет к появлению распределений скоростей частиц, связанных со столкновением частиц между собой. Исследовано течение в ламинарном пограничном слое, нарастающем вдоль поверхности тела. Измерены распределения скоростей и их пульсаций для двух фаз гетерогенного потока в трех сечениях пограничного
12 слоя. Впервые экспериментальным путем выявлен эффект снижения концентрации дисперсной фазы вблизи поверхности тела.
В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования динамики крупных твердых частиц при обтекании затупленного тела с плоским торцем. Измерены распределения скоростей частиц разной инерционности при различных концентрациях дисперсной фазы. Выявлено существование различных «фаз» частиц: падающих, отраженных, падающих после отражения, повторно отраженных и т.д. Получены данные по коэффициентам восстановления скоростей и осаждения частиц в окрестности тела. Показано, что размер области существования отраженных частиц в потоке при обтекании тела с плоским торцем больше, чем для модели с полусферическим торцем. Экспериментальные данные по динамике частиц вблизи критической точки хорошо согласуются с результатами оценочного численного расчета.
Расчетно-теоретические исследования течения с частицами в пограничном слое обтекаемого тела
В более поздней работе [5] рассчитаны траектории частиц при поперечном обтекании цилиндра потенциальным потоком. В этом исследовании (также как и в [4]) рассматривалось движение одиночных частиц, когда столкновения между частицами и их влияние на газ не принимаются во внимание. По сравнению с [4] была предпринята попытка учета отличия сопротивления частицы от закона Стокса, а также подъемной силы Сэфмена.
Полученные в результате расчетов траектории частиц приведены на рис Л .4. В описанных выше работах были рассмотрены достаточно идеализированные случаи обтекания тел. При постановке и проведении расчетов не учитывалось влияние вязкого пограничного слоя, развивающегося на обтекаемом теле, не рассматривалось движения отраженных от тела частиц и обратное влияние частиц на газ. Неизотермичность течения, приводящая к возникновению силы термофореза, также может оказывать существенное влияние на процесс обтекания тела запыленным потоком. Далее будут рассмотрены результаты исследований, авторы которых пытались учесть те или иные из перечисленных выше физических факторов. Вязкое обтекание гетерогенным потоком лобовой поверхности сферы при числах Рейнольдса, определяемых как Repm =UXQR/V = \0 -10 , рассмотрено в [6]. Считалось, что несущий газ является несжимаемым, а концентрация частиц пренебрежимо мала, так что они не оказывают влияние на течение сплошной среды. Проведенные расчеты показали, что пограничный слой сильно искажает траектории частиц, препятствуя их движению к стенке. Это объясняется тем, что вязкий газ тормозится интенсивнее идеального, что, в свою очередь, ведет к более интенсивному торможению твердых частиц. Частицы, движущиеся в пограничном слое вблизи обтекаемой поверхности, резко теряют свою скорость, «зависают» и далее дрейфуют вдоль поверхности тела. Это приводит к тому, что коэффициент осаждения частиц уменьшается. В [6] также делается важное заключение о том, что при Stkf = TpoUxQ і R 0,2 пограничный слой практически не влияет на движение частиц, а при Stkf 0,11 влияние очень значительно. С ростом числа Реинольдса Re критическое значение числа Стокса Stkfcr, соответствующее бесстолкновительному обтеканию тела частицами, уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что увеличение числа Реинольдса ведет к уменьшению толщины пограничного слоя, что снижает его оттесняющее действие. Особенности обтекания слабозапыленным гетерогенным потоком цилиндрической поверхности в неизотермических условиях рассмотрены в обзоре [7]. Анализ процесса неизотермического осаждения показал, что в области малоинерционных частиц, для которых инерционный механизм осаждения уже не работает (Stkf Stkfcr), интенсивность осаждения резко возрастает с ростом неизотермичности и в значительной мере определяется явлением термофореза. Условия инерционного осаждения стоксовых частиц при истечении ламинарной гетерогенной струи из плоскопараллельного канала изучены в [8-Ю]. Число Стокса определялось следующим образом Stkfm=Tpo\dUx/dy\x =Q. Показано, что при Stkj-m 0,5 снижение коэффициента захвата за счет изменения траекторий частиц в пограничном слое даже при малых числах Реинольдса не превышает 15%. Однако компоненты скорости частиц у стенки претерпевали существенное уменьшение. Отмеченное обстоятельство приобретает значение при установлении механического воздействия частиц на поверхность стенки. В [9] также изучено влияние выдува газа с поверхности преграды на условия осаждения. Показано, что при больших числах Рейнольдса выдув газа практически не оказывает воздействия на критическое число Стокса в исследованном диапазоне изменения параметров. Во всех описанных выше исследованиях предполагалось, что частицы, попавшие на поверхность тела, исчезают из потока. Такая постановка задачи приемлема, когда в качестве дисперсной фазы рассматриваются жидкие капли или частицы, образующие после попадания на тело тонкую пленку вдоль обтекаемой поверхности. В работе [И] исследовано обтекание цилиндра гетерогенным потоком с учетом пограничного слоя, обратного влияния частиц на газ, а также влияния отраженных частиц. Рассматривалось течение с относительно небольшим объемным содержанием частиц, поэтому взаимодействие между частицами не учитывалось. Параметры сплошной среды рассчитывались в эйлеровой постановке, а в лагранжевых уравнениях движения частиц учитывалась только сила аэродинамического сопротивления. При столкновениях с поверхностью частицы теряют часть своего количества движения и изменяют направление движения. Для расчета траектории частицы после столкновения со стенкой необходимо знание величины и направления вектора скорости частицы. Как отмечается в [11], параметры отскока носят статистический характер и определяются в основном углом падения частицы. При проведении расчетов использованы следующие эмпирические соотношения для коэффициентов восстановления скорости после удара где Vn , VT - нормальная и касательная к поверхности тела составляющие скорости частицы до соударения; V„ , VT - составляющие скорости частицы после соударения. В выражениях (1.6) и (1.7) J3 представляет собой угол (в радианах) между направлением скорости частицы до удара и касательной к поверхности. Полученные в результате расчетов траектории кварцевых частиц (рр =2444 кг/м ) различных размеров, движущихся в потоке воздуха, при обтекании цилиндра (R =1,5675 мм) для числа Рейнольдса Ксрт =2UXQR/V = 40 показаны на рис.1.5. Можно видеть, что траектории разных частиц сильно отличаются между собой: мелкие частицы не соударяются с поверхностью тела, в то время как крупные частицы сталкиваются с телом и отклоняются в сторону. Большое значение на движение частиц оказывает пограничный слой. Учет вязкости газа приводит к увеличению эффективного размера цилиндра из-за толщины вытеснения пограничного слоя, что влияет на траектории частиц и уменьшает коэффициент их осаждения. Недостатком работы [11] является неучет силы тяжести, которая для условий этого исс едования должна была оказывать значительное влияние, изменяя траектории частиц и нарушая симметрию потока в рассмотренном случае горизонтального обтекания.
Имеются работы, посвященные исследованиям сверхзвукового обтекания тел гетерогенными потоками [12,13]. Однако, эти теоретические исследования выполнены для малых значений массовых концентраций частиц, что позволяет изучать динамику как падающих, так и отраженных частиц в заданном поле скоростей газа.
Основные принципы измерения скоростей крупных твердых частиц
Учет силы Сэфмена приводит к существенному изменению распределений коэффициента трения по длине пластины в ламинарном пограничном слое. Распределение трения на пластине при отсутствии межфазного скольжения, практически не отличается от распределения, полученного в работе [17]. С ростом числа Рейнольдса уменьшается концентрация частиц в пристенной области, что приводит к снижению интенсивности межфазного обмена импульсом. Следствием этого является меньшее наполнение профиля скорости газа и снижение градиента скорости на стенке. В тоже время снижение коэффициента трения по длине пластины при числах Рейнольдса, отличных от нуля, происходит более плавно. Это является следствием того, что наличие перемещающихся по направлению к стенке частиц (эти частицы имеют более высокие значения продольной скорости, чем частицы, движущиеся в непосредственной близости от стенки) приводит к увеличению протяженности области релаксации продольных скоростей фаз, в которой имеют место высокие значения коэффициента трения.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что неучет подъемной силы Сэфмена, действующей на частицы, при расчете гетерогенного ламинарного пограничного слоя при Reрт 1, может приводить к существенным погрешностям.
Изучение характеристик турбулентного гетерогенного пограничного слоя, развивающегося на плоской пластине, проведено в [22-24]. Распределения осредненных скоростей воздуха и частиц стекла показаны на рис.1.6,а. Из приведенных данных видно, что частицы в восходящем потоке движутся медленнее воздуха. Различие между скоростями дисперсной и газовой фаз близко к скорости витания и практически постоянно по всему пограничному слою. Рассматриваемое сечение находится на расстоянии х = 0,55 м от начала пластины, что соответствует следующим значениям чисел Стокса -Stkf = 0,24 и Stkf = 0,63 для частиц размером 50 мкм и 90 мкм соответственно. Указанные значения чисел Стокса свидетельствуют о том, что релаксация скоростей фаз к данному сечению практически закончилась. Результаты экспериментов показали, что при М = 0,02 частицы не оказывали влияние на распределение осредненной скорости несущего воздуха.
Профили продольной составляющей пульсационной скорости «чистого» воздуха, воздуха в присутствии частиц и частиц стекла различных размеров в турбулентном пограничном слое показаны на рис. 1.6,6. Измерения отчетливо показали, что наличие в потоке частиц не оказывало влияния на распределение пульсационной скорости несущей фазы в пограничном слое. Величина пульсаций скоростей частиц стекла диаметром 50 мкм близка к соответствующей характеристике для воздуха. Пульсации скоростей крупных частиц диаметром 90 мкм превосходят по величине пульсации несущей фазы. Простые оценки показывают, что мелкие из использованных частиц должны хорошо вовлекаться в пульсационное движение турбулентными вихрями. Что касается крупных частиц, то высокие значения пульсационных скоростей обусловливаются использованием в экспериментах полидисперсных частиц. Рост пульсационных скоростей обоих видов частиц в пристенной области, где относительная инерционность дисперсной фазы увеличивается вследствие уменьшения характерных времен энергонесущих вихрей, объясняется неоднородностью распределений осредненных скоростей частиц.
На рис.1.6,в представлены распределения нормальной составляющей пульсационной скорости. Можно сделать вывод, что пульсационные скорости частиц в рассматриваемом направлении ниже соответствующих пульсаций скорости воздуха. Различие между пульсациями скоростей газовой и дисперсной фаз растет в пристенной области. С одной стороны, это объясняется тем, что спектр пульсаций скорости воздуха в нормальном направлении характеризуется более высокими частотами [23], и частицы хуже увлекаются турбулентными вихрями несущей фазы. С другой стороны, осредненная скорость частиц в рассматриваемом направлении близка к нулю по всему сечению пограничного слоя. Следовательно, возможные перемещения дисперсной фазы в поперечном направлении не приводят к появлению «дополнительных» пульсаций (как это было в случае продольных пульсаций).
Попытка изучения влияния частиц на характеристики турбулентного пограничного слоя, развивающегося на плоской пластине, предпринята в [24]. В экспериментах использовались частицы меди диаметром 70 мкм при массовой концентрации М - 0,2. Обнаруженное влияние частиц на распределения осредненных и пульсационных скоростей несущего воздуха было незначительным и находилось в пределах погрешности экспериментов. Это объясняется относительно малой концентрацией дисперсной фазы. Несмотря на это, присутствие частиц оказывало влияние на спектр продольных пульсаций газа, подавляя низкочастотные составляющие.
Детальное экспериментальное исследование гетерогенного пограничного слоя представлено работами [25-28]. Пограничный слой развивался вдоль боковой поверхности стержня с полусферическим торцем, установленным внутри вертикальной трубы. Стержень обтекался восходящим потоком воздуха. В качестве дисперсной фазы в экспериментах использовались частицы оксида алюминия (А1203) со среднемассовым размером 50 мкм. Средняя по сечению трубы массовая расходная концентрация частиц варьировалась в диапазоне MQ = М — 0 - 0,26. Предполагалось, что при
таких параметрах частиц и концентрациях влияние дисперсной фазы на набегающий воздушный поток должно быть минимальным. Проведенные измерения в набегающем (невозмущенном стержнем) потоке показали, что присутствие частиц не приводит к изменению профиля осредненной скорости несущего потока воздуха.
Распределения скоростей и пульсаций скоростей «чистого» воздуха
Физические свойства частиц (прежде всего, размер и плотность) и рабочий диапазон концентраций должны выбираться строго в соответствии с задачами исследования. Предметом экспериментальных исследований, проводимых автором, являлись преимущественно неравновесные потоки. Данный класс гетерогенных течений характеризуется наличием межфазного динамического скольжения в осредненном и пульсационных движениях. Числа Стокса в осредненном и крупномасштабном пульсационных движениях для таких потоков: Stkf =ZplTf «0(1) и Stki = трІТі O(l). Характерное время несущей фазы в осредненном движении 7Y обычно превышает интегральный лагранжев масштаб турбулентности 7/,, характеризующий время жизни энергонесущих вихрей. Для создания к измерительному сечению установившегося гетерогенного потока (обеспечение полноты разгона частиц) необходимо, чтобы характерное время несущего газа по крайней мере в несколько раз превышало время динамической релаксации частиц Тр. Характерное время несущего газа в осредненном движении может быть оценено как отношение длины экспериментального участка (расстояние от места ввода частиц до измерительного сечения) к характерному значению осредненной скорости, т.е. Tf = LIUx. Для созданной экспериментальной установки = 1280 мм, a Ux-O(\0 м/с). Следовательно, характерное время несущего газа в осредненном движении 77 равно сотням миллисекунд. Вследствие этого, время релаксации частиц Должно быть порядка тр «О(Ю-1 с) или меньше. Размер и плотность частиц дисперсной фазы подбирались, исходя из этого требования. Предметом исследований являлись преимущественно слабозапыленные течения, в которых присутствие дисперсной фазы оказывает обратное влияние на характеристики несущего газа. Объемная концентрация частиц в таких потоках изменяется в диапазоне Ф = 10 -10 . Присутствие в газовом потоке твердых частиц (с относительной плотностью материала рр/р = \0 ) предопределяет следующий рабочий диапазон значений массовой концентрации 0,001 М 1, Измерение скорости «чистого» воздуха. Изначально ЛДА - метод создавался как мощное средство исследования однофазных оптически прозрачных течений. Для измерения характеристик «чистого» воздуха используются частицы-трассеры. В текущем эксперименте трассеры создавались с помощью генератора частиц, работающего на смеси глицерина с водой. Диаметр генерируемых частиц по паспорту прибора находится в диапазоне от 2 до 5 мкм. Такие частицы являются малоинерционными и с достаточной степенью точности отслеживают крупномасштабные возмущения турбулентного потока. Главными критериями качества сигнала при исследовании потока являются две величины: частота поступления данных от дисперсной фазы («Date rate», Гц) и достоверность поступающих сигналов («Validated», %). При измерениях скорости воздуха с помощью частиц трассеров, частота поступления данных должна быть больше 1,5 кГц и достоверность сигнала больше 15%. В описываемой серии экспериментов глицериновые частицы использовались для измерения профиля скорости «чистого» воздуха в отсутствие дисперсной фазы в потоке. Анализ погрешности измерения скоростей «чистого» воздуха показал, что ошибка в определении составляет не более 2%. Среднеквадратичные пульсации «чистого воздуха» удается определять с погрешностью 7% Измерение скоростей частиц. Измерения скоростей твердых частиц проводились в потоке воздуха, профиль скорости которого был предварительно измерен с использованием частиц-трассеров. Обратное влияние дисперсной фазы на течение не исследовалось, поэтому во время эксперимента подача глицериновых частиц отключалась. Для проведения корректных измерений скоростей частиц подбирались оптимальные настройки системы: напряжение ФЭУ порядка 0,5 В; диапазон охватываемых частот процессора доплеровского сигнала должен был включать все сигналы, принадлежащие частицам падающим, отраженным и т.д. от поверхности с одной стороны, но исключать помехи с другой. Погрешность измерения скоростей твердых частиц с помощью Л ДА составляет 5%, а определения их среднеквадратичных пульсационных скоростей - 12%. Измерение концентрации частиц. Измерение концентрации проводилось по анодному току ФЭУ. Этот метод подробно описан в разделе 2.5.2 Перед введением частиц в трубу измеряется средний массовый расход дисперсной фазы через выходное отверстие питателя. Затем частицы вводятся в трубу, и измеряются скорости частиц, и величина тока ФЭУ по поперечному сечению канала. Затем среднее по сечению значение тока нормированного на скорость частиц сопоставляют со средним значением расходной массовой концентрации. По профилю тока ФЭУ и по средней массовой концентрации частиц получаем распределение концентрации по сечению трубы. Погрешность получения относительной концентрации частиц по величине анодного тока ФЭУ - 25% 2.4. Основные принципы измерения скоростей крупных твердых частиц. Метод лазерной доплеровской анемометрии относится к оптическим методам исследования как однофазных, так и многофазных потоков [8-17]. Главное достоинство оптических методов диагностики потоков заключается в возможности проведения измерений без возмущения течения в области исследования. Также можно отметить целый ряд причин, делающих метод ЛДА привлекательным для исследования динамики потока: 1) высокое пространственное разрешение потока в силу малой величины измерительного объема; 2) высокое временное разрешение благодаря использованию быстродействующего процессора доплеровского сигнала; 3)не требует калибровки по причине линейной связи между частотой доплеровского сигнала и скоростью; 4) возможность проведения одновременного измерения нескольких компонент вектора скорости; 5) острая направленность измерений, так как измеряемая величина представляет проекцию вектора скорости в направлении, определяемом оптической системой; 6) возможность определения направления вектора скорости (измерение реверсивной скорости) потока, благодаря использованию оптико-электронного сдвига частоты; 7) высокая устойчивость и повторяемость результатов измерений. Для успешного применения ЛДА при проведении исследований необходимо соблюдение следующих требований к рабочему участку: і) исследуемый поток должен быть оптически прозрачным для зондирующих лазерных лучей; 2) при определении скоростных характеристик течения необходимо наличие в потоке светорассеивающих частиц-трассеров; 3)для организации доступа зондирующего излучения в рабочий участок требуется наличие окон.
Измерения скоростей частиц в окрестности критической точки
Эксперименты проводились для случая нисходящего турбулентного потока воздуха в трубе [5-7]. Число Рейнольдса равнялось ReD = 12800 при осредненнои скорости воздуха на оси трубы UXQ = 3 м/с. Внутренний диаметр трубы - D = 64 мм. Внутрь трубы соосно устанавливалась модель обтекаемого тела, представляющая собой цилиндр диаметром 11 мм с полусферическим торцем. Расстояние от места ввода частиц до измерительного сечения было равно L = 1280мм (I/D = 20). В качестве дисперсной фазы в экспериментах использовались сферические частицы стекла диаметром dp =100 мкм (среднеквадратичное отклонение диаметра 8 мкм) и плотностью рр = 2550 кг/м . Измерения проводились для двух значений массовой концентрации частиц в потоке (на внешней границе пограничного слоя): низкой (MQ = 3%) и высокой (MQ = 80%).
На рис.3.4 приведена схема течения газа с частицами около цилиндрической модели с полусферическим торцем. Предметом исследования являлся пограничный слой, развивающийся на поверхности модели. Измерения проводились для трех выборочных сечений в пограничном слое (см. рис.3.4), которые отстоят на расстояния л: = 20 мм, JC = 50 мм их- 100 мм от критической точки модели. Указанным сечениям соответствуют следующие значения чисел Рейнольдса, вычисляемые по продольной криволинейной (вдоль поверхности тела) координате и значению скорости воздуха на внешней границе пограничного слоя UXQ: Rex = 4700, Re . = 10700 и Rej,-= 20700. Таким образом, измерения проводились в ламинарной области пограничного слоя. осредненная скорость воздуха на внешней границе пограничного слоя. Ламинарный пограничный слой в турбулизированном потоке в монографии [8] назван «псевдоламинарным», так как он характеризуется интенсивными пульсациями локальных параметров. В таком пограничном слое не реализуется характерная для турбулентного пограничного слоя равновесная область порождения и диссипации турбулентности и сохраняется доминирующее влияние молекулярной вязкости. В данной работе также используется термин «псевдоламинарный» пограничный слой. Результаты измерений при степени турбулентности внешнего течения равной аи о = (и х ) / хо да 6% также выявили интенсивные пульсации продольной компоненты скорости в пограничном слое (см. рис.3.56). Из данных рис.3.5а следует, что толщина пограничного слоя имеет следующие величины 99 я 1,7 мм, 99 2»5 мм и 99 мм Р я чисел Рейнольдса Re;c=4700, Re = 10700 и Re = 20700 соответственно. Простые вычисления показывают, что указанные значения толщин пограничного слоя близки к величинам, определяемым по соотношению S/х = 5/ Rex для ламинарного пограничного слоя на плоской пластине. Тем не менее анализ распределений осредненных скоростей "чистого" воздуха дал следующую величину формпараметра профиля скорости И = 2,2, что ниже соответствующего значения для классического ламинарного пограничного слоя в отсутствие повышенной турбулентности внешнего течения (# = 2,6;0/ -»0). Что касается толщины пульсационного пограничного слоя Sgg, то она примерно на 20% больше %9 и для исследованных сечений в пограничном слое равна 99 w 2 мм, J99 3 мм и #99 4,2 мм (см- рис.5.2.1б). Данные по распределениям интенсивности пульсаций скорости показывают, что общий уровень пульсаций скорости в пограничном слое растет вниз по потоку. Максимальное значение интенсивности пульсаций достигает величин Полученные в настоящей работе данные по распределениям осредненных и пульсационных (среднеквадратичных) скоростей однофазного потока хорошо согласуются с данными монографии [8]. интенсивности ее пульсаций cry = (v x ) /UXQ В псевдоламинарном пограничном слое для случая низкой концентрации дисперсной фазы в потоке. Из приведенных на рис.3.6а данных видно, что скорость частиц превышает скорость несущего воздуха по всему пограничному слою. Это не удивительно, так как в работе исследовалось нисходящее течение на стабилизированном участке. В экспериментах использовались относительно инерционные частицы, длина релаксации которых соизмерима с протяженностью ламинарной области развивающегося вдоль поверхности модели пограничного слоя. В [9] получены распределения продольной составляющей скорости обеих фаз гетерогенного течения в ламинарном пограничном слое на плоской пластине для различных значений безразмерной продольной координаты х. Обезразмеривание производилось следующим образом .
