Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор 16
1.1. Предварительные замечания 16
1.2. Особенности исследования гетерогенных потоков 16
1.3. Основные характеристики гетерогенных потоков 21
Глава 2. Методика экспериментального исследования 31
2.1. Предварительные замечания 31
2.2. Метод ЛДА и его особенности 31
2.2.1. Измерение скорости «чистого» воздуха 32
2.2.2. Измерение скоростей твердых частиц 40
2.2.3. Особенности ЛДА-измерений в сильноконцентрированных потоках с крупными частицами 44
2.2.3.1. Влияние дисперсной примеси вне измерительного объема на условия работы ЛДА 45
2.2.3.2. Влияние дисперсной примеси в измерительном объеме на условия работы ЛДА 53
2.2.4. Контроль точности результатов 64
2.2.5. Измерение концентрации частиц 65
2.2.6. Оптимизация параметров ЛДА 65
2.3. Анализ возможности и ограничений ЛДА-измерений в сильнозапыленных потоках 66
2.3.1. Предварительные результаты 67
2.3.2. Экспериментальная установка и результаты измерений.. 69
2.3.3. Выводы к разделу 87
2.4. Экспериментальные установки. Используемые твердые частицы. Режимы 87
2.4.1. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе метода ЛДА 87
2.4.2. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе PIV-метода 92
2.4.3. Параметры гетерогенного потока, варьируемые в экспериментальном исследовании 94
2.4.4. Особенности моделирования потоков с частицами 95
2.4.5. Используемые твердые частицы 96
2.4.6. Концентрация частиц 102
2.4.7. Экспериментальные режимы 102
2.5. Выводы к главе 103
Глава 3. Исследование столкновений «частица»- «частица» ... 105
3.1. Предварительные замечания 105
3.2. Введение 105
3.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц ... 106
3.4. Результаты исследования 113
3.4.1. Гравитационное осаждение. Режим №1 113
3.4.2. Нисходящее течение. Режим №2 120
3.5. Выводы к главе 126
Глава 4. Исследование столкновений «частица»- «стенка» 127
4.1. Предварительные замечания 127
4.2. Введение 127
4.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц со стенками канала 128
4.4. Результаты исследования 131
4.4.1. Гравитационное осаждение. Режим №3 131
4.4.2. Нисходящее течение. Режим №4 143
4.5. Выводы к главе 150
Выводы 152
Список литературы 154
Приложение
- Особенности исследования гетерогенных потоков
- Анализ возможности и ограничений ЛДА-измерений в сильнозапыленных потоках
- Экспериментальные установки. Используемые твердые частицы. Режимы
- Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц
Введение к работе
Распространение потоков газа с частицами в природе и их широкое применение во многих промышленных процессах, теплоэнергетических установках различного назначения и химических технологиях способствовало проведению интенсивных исследований такого рода течений. Здесь следует отметить работы Г.Н. Абрамовича, А.Ю. Вараксина, З.Р. Горбиса, И.В. Деревича, Л.И. Зайчика, Ю.В. Зуева, М.К. Лаатса, И.А. Лепешинского, Е.П. Медникова, Д.С. Михатулина, Р.И. Нигматулина, А.Н. Осипцова, Ю.В. Полежаева, Н.А. Фукса, А.А. Шрайбера, Р. Бусройда, М. Зоммерфельда, К. Кроу, М. Рикса, О. Симонина, С. Coy, Ю. Тсуджи, Г. Хецрони, И. Хинце, С. Эльхобаши и др.
К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, посвященный самым различным аспектам газодинамики и теплофизики такого' рода потоков. Здесь можно отметить большое число основополагающих [1-12] и в том числе современных [13-18]' обобщающих работ российских и зарубежных исследователей, некоторые из которых представлены в списке литературы.
Интенсификация процессов тепло- и массообмена в каналах теплообменных аппаратов и различных энергетических устройств является одной из актуальных задач современной теплофизики. Многочисленные исследования показывают, что присутствие дисперсной фазы в газовом потоке даже при незначительной концентрации может приводить к существенному изменению параметров течения и оказывать сильное влияние на гидродинамические, тепломассообменные, эрозионно-коррозионные процессы и, как следствие, на надежность и эффективность
9 .
энергетического оборудования. Гидродинамические и
тепломассообменные процессы в значительной мере определяют эффективность преобразования энергии в различных энергетических установках. При проектировании теплоэнергетического оборудования зачастую приходится иметь дело с потоками газа в присутствии твердых частиц.
До настоящего времени отмечается недостаточное количество экспериментальных работ, посвященных исследованию характеристик потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Это объясняется как сложностью построения моделей такого класса течения, так и немногочисленностью экспериментальных работ. Физическое моделирование сильноконцентрированного дисперсного потока, характеризующегося высокой оптической плотностью, представляет собой- крайне сложную проблему, так как сопряжено с целым рядом зачастую непреодолимых технических трудностей. Существующие экспериментальные данные относятся в - основном- числе к слабозапыленным типам потоков и не охватывают всего' разнообразия режимов и видов течений, которые могут 'Происходить в- потоках с высокой концентрацией частиц. Сильнозапыленные потоки газ-твердые частицы являются одним из наиболее сложных и недостаточно изученных видом течения. Вследствие этого получаемые достоверные экспериментальные данные по характеристикам сильнозапыленных потоков имеют большое значение.
Дляанализа механизмов тепло- и массообменав потоках, содержащих частицы, необходима информация об особенностях поведения дисперсной фазы. Знание параметров движения частиц (прежде всего, их концентраций и скоростей) позволяет прогнозировать обратное влияние дисперсной фазы на распределения скоростей несущего газа, а также проводить оценки таких важных физических характеристик, как
коэффициенты трения и теплоотдачи. В связи с этим корректное измерение характеристик частиц запыленного потока представляется актуальной задачей. В сильнозапыленных потоках с объемной
концентрацией частиц Ф = 0(10 ) поведение частиц в дополнении к эффектам турбулентного переноса может значительно определяться процессами столкновительного взаимодействия между собой, а также со стенками канала. Изучение указанных столкновительных процессов является одной из важных задач современной физики течений с частицами.
Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение характеристик движения дисперсной фазы в сильнозапыленных потоках при наличии интенсивных столкновительных взаимодействий. Для проведения комплексного изучения характеристик движения твердых частиц необходимо решение следующих основных задач:
определение возможности и ограничений использования серийного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) для измерений мгновенных скоростей твердых частиц в сильнозапыленных потоках;
проведение экспериментальных исследований характеристик движения твердых частиц в сильнозапыленных потоках воздуха;
выявление физических параметров, определяющих характеристики движения дисперсной фазы при наличии столкновительных процессов вследствие концентрационной и геометрической стесненности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) впервые проанализирован комплекс метрологических проблем, возникающих при использовании метода лазерной доплеровской анемометрии в сильнозапыленных потоках с крупными частицами;
разработана эффективная методика определения допустимых параметров сильнозапыленного потока, при которых возможно проведение ЛДА-измерений скоростей твердых частиц;
получены и обобщены новые экспериментальные данные по характеристикам движения твердых частиц стекла в нисходящем сильнозапыленном турбулентном потоке воздуха;
впервые проведены корректные измерения характеристик осаждения бидисперсной смеси частиц (частицы стекла и частицы железа) в неподвижном воздухе при изменении массовой концентрации смеси в широком диапазоне;
5) получены и обобщены экспериментальные данные по осредненным
и пульсационным скоростям частиц стекла при их движении в гладкой и
формованной лунками вертикальных трубах.
Достоверность представленных в диссертации результатов измерений и методики определения возможностей и ограничений использования ЛДА в сильнозапыленных потоках подтверждена разработанными методами контроля точности получаемых данных.
Практическое значение. Результаты изучения влияния параметров сильнозапыленного потока на характеристики доплеровского сигнала могут быть использованы для развития методов лазерной диагностики оптически плотных дисперсных сред. Развитая методика определения параметров течения, допускающих проведение корректных ЛДА-измерений скоростей твердых частиц, открывает большие возможности для расширения сфер технологического использования методов лазерной доплеровской анемометрии.
Результаты измерений характеристик движения частиц могут быть использованы при проектировании различных технических устройств -питателей и элементов пневмотранспорта сыпучих материалов,
пылеуловителей различных типов, линий подготовки угля и порошковой металлургии, систем сушки в псевдоожиженном слое, топок с псевдоожиженным и циркулирующим кипящим слоем. В сильнозапыленных потоках реализуются высокие значения коэффициентов теплоотдачи, что делает их конкурентной альтернативой использующимся в настоящее время однофазным теплоносителям. В современной энергетике рассматривается возможность применения дисперсного твердого теплоносителя для первого контура безопасного высокотемпературного реактора АЭС.
Помимо этого изученные столкновительные процессы в значительной степени определяют скорость образования и выпадения атмосферных осадков и загрязнений, интенсивность эрозии поверхностей технологических устройств и объектов ракетно-космической техники.
Результаты измерений характеристик движения дисперсной фазы также могут быть использованы для развития и верификации математических моделей сильноконцентрированных дисперсных течений.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном коллоквиуме «Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows» (Таллин, Эстония, 2003); 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); 2-ом международном симпозиуме «Multiphase, Non-Newtonian and Reacting Flows» (Ханджоу, Китай, 2004); 11-ой конференции «Two-Phase Flow Predictions» (Мерзебург, Германия, 2005); 8-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2005); 5-ом международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Transfer"
(Дубровник, Хорватия, 2006); 9-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых (Новосибирск, Россия, 2006); 9-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2007).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК.
На защиту выносятся:
Методика определения допустимых параметров сильнозапыленного потока, при которых возможно проведение корректных ЛДА-измерений скоростей твердых частиц.
Результаты экспериментального исследования поведения твердых частиц, движущихся в высококонцентрированных потоках газа в вертикальных каналах.
Результаты обобщения опытных данных с использованием безразмерных критериев на предмет установления интенсивности столкновительных взаимодействий.
Содержание работы.
Первая глава носит обзорный характер. Кратко приведены основные характеристики запыленных потоков. Рассмотрены расчетно-теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию характеристик течений газа с твердыми частицами при наличии столкновительных взаимодействий. Из проведенного анализа работ сделан вывод о том, что достоверных экспериментальных данных недостаточно для создания новых и верификации имеющихся математических моделей сильнозапыленных течений.
Вторая глава посвящена особенностям использования метода лазерно-доплеровской анемометрии для измерений в сильнозапыленных потоках. Показаны методические особенности исследования потоков с крупными частицами. Рассмотрены возможности и ограничения использования ЛДА в сильнозапыленных потоках. Приведена разработанная автором методика определения допустимых параметров потока, при которых возможно измерение скоростей твердых частиц с помощью ЛДА.
Третья глава посвящена изучению влияния взаимодействия «частица-
частица» на характеристики гетерогенного потока в вертикальных
каналах. В начале главы описаны два основных подхода,
использующиеся при анализе столкновений частиц: сферический и
цилиндрический. Рассмотрены процессы столкновения частиц
различных размеров и различной плотности при их гравитационном
осаждении. Рассмотрены столкновения дисперсной фазы при наличии
сдвига осредненной, скорости и действии силы тяжести. В конце главы
приведены результаты экспериментальных исследований,
демонстрирующие влияние межчастичных столкновений на характеристики движения гетерогенного потока.
В четвертой главе приведены результаты исследования влияния
столкновений частиц со стенками канала на поведение дисперсной фазы.
Приведены результаты экспериментального исследования,
демонстрирующие влияние столкновений частиц со стенкой на характеристики движения гетерогенного потока в вертикальных каналах.
Автор выражает свою признательность чл.-корр. РАН Ю.В.Полежаеву, д.т.н. А.Ф.Полякову, д.ф.-м.н. А.Ю.Вараксину, к.ф.-м.н. Т.Ф. Иванову и М.Э. Ромашу за многолетнее постоянное внимание к работе и помощь, оказанную при ее выполнении.
Особенности исследования гетерогенных потоков
В последние 30-40 лет можно наблюдать устойчивый интерес многочисленных групп исследователей во всем мире к изучению многофазных (гетерогенных) турбулентных течений. Несмотря на.этот факт можно с уверенностью констатировать, что имеющаяся на. сегодняшний день теория многофазных турбулентных потоков далека от своего завершения. Присутствие дисперсной примеси в потоках газовых сред даже при незначительной концентрации последней может изменять тепловые и гидродинамические режимы течения. Исследования в области теплообмена в дисперсных потоках с твердым теплоносителем показали сложную зависимость параметров теплообмена от режимов течения [1-Ю]. Интенсификация процессов тепло- и массообмена в каналах теплообменных аппаратов является одной из актуальных задач теплофизики однофазных течений.
К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена [11—14]. Так, используются различные типы турбулизаторов или оребрение поверхности, шероховатые поверхности, закрутка потока шнековыми устройствами; завихрителями, установленными при входе в канал, и т.д. Одним из перспективных способов интенсификации является нанесение системы углублений в виде лунок на теплообменную поверхность. Использование сферических лунок в качестве интенсификаторов [15-18], расположенных в шахматном или коридорном порядке, позволяет использовать такое явление, как смерчевой эффект, и достигать существенного увеличения коэффициента теплоотдачи при незначительном увеличении гидродинамического сопротивления. Введение в однофазный поток капель или частиц также может приводить к интенсификации теплообмена. Присутствие в потоке дисперсной фазы осложняет анализ механизмов передачи теплоты вследствие появления целого ряда дополнительных теплофизических процессов: воздействия частиц на характеристики несущей фазы, кондуктивного теплообмена при взаимодействии частиц со стенкой канала и др. Несмотря на наличие упомянутых выше осложняющих факторов попытка применения одновременно двух методов интенсификации теплообмена, а именно введение в однофазный поток дисперсной фазы и использование лунок на теплообменной поверхности, может оказаться весьма перспективной. Предметом данного исследования являются запыленные течения, ограниченные стенками. Такие потоки реализуются в пневмотранспортерах сыпучих и зерновых материалов, в элементах технологических систем подготовки сжигания твердого топлива, порошковой металлургии, пищевой, строительной, горнодобывающей и химической промышленности, а также в энергетических устройствах, как например в теплообменниках с гетерогенными теплоносителями. Этим объясняется большое внимание теоретическому и экспериментальному исследованию гидродинамики дисперсных потоков в таких областях как пневмотранспорт, псевдоожиженные и циркулирующие кипящие слои [19-29]. Особенности движения частиц и интенсивность проистекающих межфазных процессов в значительной мере зависят от инерционности дисперсной фазы и ее концентрации в потоке. Время между столкновениями частиц (или частота столкновений) при одном и том же значении, например, массовой концентрации, будет также сильно зависеть от размера (инерционности) дисперсной фазы.
Варьирование концентрации частиц - основной экстенсивной характеристики гетерогенных потоков - позволяет не только изменять количественно параметры исходного течения, но приводить и к его качественной перестройке. При незначительной объемной- концентрации дисперсной примеси (Ф 10 ) ее осредненное по времени воздействие на течение несущей среды пренебрежимо мало [30]. В гетерогенных потоках этого типа определяющим взаимодействием- является влияние несущей фазы на взвешенные частицы, полностью определяющее все их характеристики (осредненную и пульсационную скорости и температуры, локальную концентрацию и т.д.). При возрастании объемного содержания (10 Ф 10 ) дисперсная примесь в свою очередь начинает оказывать обратное воздействие на несущую среду [31-33]. Гетерогенные течения этих двух типов часто называют слабозапыленными потоками. В сильнозапыленном потоке (Ф 10 3) в дополнение к уже описанным взаимодействиям между взвешенными частицами и несущей фазой добавляется взаимодействие частиц между собой. Наряду с концентрационной стесненностью на движение частиц может оказывать влияние и геометрическая стесненность. Столкновительное взаимодействие частиц со стенкой может приводить к значительному изменению характеристик как дисперсной фазы, так и несущего газа [34-52]. Поэтому большое значение имеет исследование процесса взаимодействий частиц между собой и со стенкой канала, введение критериев оценки влияния столкновений. При учете влияния геометрических размеров канала важно учесть состояние поверхности и форму стенок. Вследствие этого, проведение корректных измерений распределений скоростей твердых частиц при их движении в узких каналах (трубах) представляется актуальной задачей. Ниже будут рассмотрены особенности моделирования; гетерогенных потоков. Специфические особенности математического и физического моделирования гетерогенных потоков. Анализ опубликованных работ показал, что исключительная: сложность изучения гетерогенных течений вероятно; связана с двумя обстоятельствами; С одной стороны, это вызвано тем, что теория? однофазных турбулентных потоков находится в стадиш своего» развития. С другой стороны, добавление в турбулентный поток дисперсной примеси в виде частиц осложняет картину течения. Это связано с большим разнообразием свойств (прежде всего,, инерционности) и концентрации вводимых частиц; которое приводит к реализации многочисленных режимов (классов) течения газовзвеси. Математическое моделирование гетерогенных потоков осложняется только из-за того, что введение дисперсной" примеси остро ставит вопрос об адекватности описания движения газовой фазы в рамках механики сплошной среды. Физическое моделирование гетерогенных течений также затрудняется вследствие невозможности использования контактных методов измерений (например, термоанемометрииХ а применение оптических методов (лазерная анемометрия, цифровая трассерная визуализация) имеет значительные ограничения- при умеренных и высоких концентрациях дисперсной фазы. Таким образом, методы экспериментальных и расчетно
Анализ возможности и ограничений ЛДА-измерений в сильнозапыленных потоках
Когда известны параметры исследуемого потока (концентрация, материал примеси, размер частиц, размер области измерений) представляет интерес оценка возможности применения доступного средства измерения, в данном случае серийного ЛДА. Возможность использования ЛДА определяется параметрами доплеровского сигнала, которые в общем случае зависят от характеристик используемого лазера, параметров приемной и передающей оптики, скорости и размеров частиц, их оптических свойств и концентрации в потоке, а также от толщины потока. Влияние характеристик лазера, параметров приемной и передающей оптики, свойств частиц на параметры доплеровского сигнала рассмотрено в [1]. Целью настоящего раздела является рассмотрение возможностей, серийного ЛДА фирмы Dantec и анализ возможности и ограничений применения ЛДА для измерения скоростей твердых частиц высококонцентрированного гетерогенного потока [70]. Изначально ЛДА - метод разрабатывался как средство исследования однофазных оптически прозрачных потоков. Применение лазерных доплеровских анемометров для\ исследования двухфазных и многофазных потоков ограничивается не размерами дисперсной фазы, а условиями оптической прозрачности, среды, которое выполняется для Ф 0,03-0,05 [72, 81]. Многочисленными.исследованиями установлено, что серийный ЛДА не- способен работать в условиях непрозрачных (оптически высоко-плотных) потоков, например- в струях топливных форсунок в областях близких к срезу сопла [10.; 11, 67, 71]. Для; проведения измерений в, подобных условиях экспериментаторы вынуждены, использовать комбинации существующих; а- также адаптированные системы лазерной анемометрии. [10, 11, 30, 34, 54, 58; 67, 71] либо другие методы измерений.
Например, в работе [71] исследователи вынуждены были использовать двухфокусную оптическую систему с двумя измерительными объемами. В работе [67] для лучшей интерпретации экспериментальных данных при исследовании струй топливных форсунок, с высоким значением частоты поступления данных при низкой достоверности сигнала - из-за нахождения нескольких частиц в измерительном объеме" применялся дополнительно анализ интенсивности- рассеянного излучения, и изменения интенсивности излучения лазерного пучка прошедшего через рассеивающую среду. Обзор по- развитию схем оптико-волоконных оптических зондов разрабатываемых для измерений в потоках с большой концентрацией дисперсной фазы и нашедших успешное применение в аппаратах с циркулирующим кипящим слоем можно найти в [81]. В аппаратах с циркулирующим кипящим слоем помимо оптических зондов также используют различные варианты томографии, изокинетические, электроемкостные и акустические датчики и др. методы [89]. Серийные лазерные анемометры использовались для исследования многофазных течений с объемной концентрацией дисперсной фазы не более Ф 0,014 [31] и Ф 0,015 [29]. ЛДА-измерения скоростей твердых частиц в потоках газа как отмечается в [25] в большинстве опубликованных исследований проводилось для значений объемной концентрации менее Ф 0,01, а для пузырьков газа в жидкости (в барботажных колоннах) как отмечается [88] при Ф 0,10. Работы, где удалось исследовать более концентрированные потоки, немногочисленны. По-видимому, имеется лишь несколько работ, в. которых авторам удалось провести измерения характеристик более концентрированных гетерогенных потоков.
Например, в ЛДА-исследованиях запыленной струи в [73, 74] почти по всему сечению потока удалось получить распределения скоростей частиц стекла и полидисперсных частиц песка со средним диаметром 163 мкм и 151 мкм соответственно, при начальной средней концентрации частиц в струе Ф = 0,023. В работе [75] использование ЛДА с оптоволоконным зондом дало возможность получить распределения скоростей частиц песка и полистирола с размерами 200, 500 и 800 мкм при концентрации Ф - 0,07. В работе [25] применение специального зонда уменьшало расстояние от места ввода лазерных пучков в исследуемую среду до точки измерений. Это позволило провести измерения скоростей твердых частиц диаметром 54 мкм при Ф = 0,21. В работе [76] была успешно изучена возможность использования ЛДА с оптоволоконным зондом в
Экспериментальные установки. Используемые твердые частицы. Режимы
В результате методического исследования был проведен анализ возможности применения ЛДА для изучения характеристик гетерогенных потоков, характеризующихся высоким содержанием дисперсной фазы. Установлено, что использование ЛДА в сильнозапыленных потоках ограничено глубиной зондирования. Расстояние между вводом лазерных пучковв поток и местом измерения является определяющим ограничивающим , фактором возможности проведения измерений. Предложена методика, позволяющая определять критичные параметры потока (толщина, размер частиц, объемная концентрация частиц), при которых возможно использование ЛДА. В экспериментах для измерения характеристик дисперсной фазы использовалось два метода оптической диагностики запыленных потоков: метод лазерно-доплеровской анемометрии и метод анемометрии изображения частиц (PIV). В данном разделе приведены схемы и принципы действия экспериментальных стендов для каждого из этих двух средств диагностики, на которых проводилось исследование сильнозапыленных потоков «газ - твердые частицы». Обоснован выбор использовавшихся режимов гетерогенного течения. Описаны характеристики частиц, использовавшихся в экспериментах. Исследование структуры нисходящих запыленных потоков на всех экспериментальных режимах (см. Прил. 2) выполнялось на экспериментальном стенде (см: Рис. 2.20-2.22), созданным в отделе теплообмена ОИВТ РАН, позволяющем на рабочих участках различной конфигурации моделировать режимы в широком диапазоне параметров потока и проводить измерения мгновенных скоростей как газовой, так и твердой фаз с помощью диагностического комплекса на основе ЛДА модели LD А 10. Работа установки при изучении нисходящего турбулентного запыленного потока воздуха в вертикальной трубе на Режимах №2 и №4 (см. Прил. 2) происходила следующим образом.
Воздух предварительно нагнетался компрессором 1 в баллоны 2 общей емкостью 320 л до давления 13 МПа, что обеспечивало стабильную работу установки в течение 20-30 минут при расходе воздуха до 10,4 г/с. Далее по соединительным трубкам воздух поступал в магистральный канал 3 через ресивер 4. Часть воздуха отбиралась для подачи в генератор частиц-трассеров 5. Ресивер 4 использовался для сглаживания пульсаций несущей фазы. С помощью генератора 5 в поток осуществлялась подача глицериновых частицы-трассеров диаметром 2-5 мкм, предназначенных для измерения скорости газовой фазы. После прохождения ресивера и поворотного участка 3 воздух попадал в рабочий участок (вертикальная труба 6), где при его смешении с дисперсной фазой, поступавшей из питателя 7, формировался нисходящий гетерогенный поток. На Режимах №1 и №3 сжатый воздух не использовался. Измерения проводились с помощью двухканального трехлучевого лазерного доплеровского анемометра модели LDA 10 производства фирмы «Dantec» (Дания), работающего по дифференциальной схеме. Для измерения осевой скорости частиц использовался только один канал указанного ЛДА. Источником излучения в системе служил аргоновый лазер ЛГ-106М-1 отечественного производства мощностью до 1 Вт. Рассеянный попадающими в измерительный объем частицами свет собирался приемной оптикой фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сигнал с которого попадал на процессор доплеровского сигнала счетного типа (модель 55L90a LDA Counter Processor). Оптическая система ЛДА (поз. 11 на Рис. 2.22) представлена на Рис. Измерения скоростей твердых частиц на Режиме №3 были проведены также с помощью метода PIV на экспериментальном стенде, фотография которого представлена на Рис. 2.24.
При PIV-измерениях использовался измерительный комплекс «ПОЛИС» (Институт теплофизики СО РАН), его структурная схема представлена на Рис. 2.25. Измерительная система «ПОЛИС», структурная схема которой показана на Рис. 2.25 включает в себя: -лазер двойной импульсный имеющий длину волны 532.05 нм, мощность импульса 5х106 Вт и длительность импульса 5 не; частота повторения импульсов 1-8 Гц; -системный блок с блоком питания лазера; -два излучателя лазера; -апертура лазера; -две цифровые камеры 4МРІХ, имеющие формат изображения 2048x2048, размер пиксела 7.4x7.4 мкм, размер ПЗС матрицы 15.15x15.15 мм, кадровую частоту 3.4 Гц, время экспозиции 120 мс. - синхронизатор; - персональный компьютер с системой сбора и обработки данных включающей в себя два контроллера камер и программный пакет ActualFlow разработанный в Институте теплофизики СО РАН. В ходе выполнения PIV-измерений производился контроль и оптимизация следующих параметров: концентрация и размер частиц-трассеров, размер измерительной области, энергия лазерного излучения, толщина лазерного ножа (0,5-3 мм), фокусное расстояние оптической системы (0,3 м - оо), размер диафрагмы входного объектива камер, время между измерениями (10 мкс - 259 мс), число кадров, адаптивные алгоритмы расчетных процедур. 2.4.3. Параметры гетерогенного потока, варьируемые в экспериментальном исследовании Свойства гетерогенного потока зависят от большого числа параметров, изменение которых может сильно влиять на характер течения. На формирование гетерогенного потока большое влияние оказывают геометрия канала и условия подачи частиц, физические свойства частиц, их концентрация, полидисперсность. Динамика потока сильно зависит от свойств несущей среды (воздуха). В приведенном исследовании варьировались размеры частиц, их концентрация, геометрия рабочих участков, а также параметры несущего газа. При разгоне частиц в потоке с постоянным, значением осредненной скорости, необходимо учитывать инерционность частиц по отношению к времени изменения осредненной скорости газа. Основным критерием стабилизации гетерогенного потока является полнота (завершенность) разгона частиц к измерительному сечению, которая .характеризуется их числом Стокса в осредненном движении: Stkf=rp/Tf, где тр - время динамической релаксации частиц, Tf - характерное время несущей фазы в осредненном движении. Число Стокса в крупномасштабном пульсационном движениях для таких потоков:
Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц
Столкновительное взаимодействие частиц, между собой в основном зависит от концентрации частиц в потоке, их размеров и их пульсационных скоростей. Основные физические параметры, характеризующие процесс межчастичного взаимодействия это - частота столкновений, время между столкновениями, средняя длина пробега между столкновениями. Ниже приводятся простые выкладки, позволяющие проводить оценки важности процесса столкновений частиц, движущихся с разными скоростями. Основные допущения модели: рассматривается одномерное течение; частицы имеют сферическую форму; принимаются во внимание только парные (бинарные) столкновения. Выражение для частоты столкновений некоторой фиксированной частицы /, претерпевающей соударения с частицами сорта j, в рамках приемлемой в данном случае цилиндрической формулировки имеет вид Vxi, Vxj -осевые составляющие скоростей частиц фракции / и j. Частота столкновений частиц различных размеров и плотностей, оседающих в неподвижном газе, может быть определена с использованием соотношения (3.1).
Оценку произведем в предположении о том, что движение частиц подчиняется закону Стокса. В этом случае скорости осаждения частиц сортов / и j находятся как где TpQj, т p0j - время динамической релаксации; pt, ppj - плотность материала фракции; р - динамическая вязкость газа; g - ускорение свободного падения. Используя (3.2), (3.3) и учитывая (3.1), получаем соотношение для ядра столкновений частиц при их гравитационном осаждении в неподвижном газе Из (3.1) с учетом (3.5) находим выражения для частоты столкновения частиц в следующем виде Столкновительное число Стокса для частиц, движущихся в неподвижном газе где тс - среднее время между соударениями частиц. При этом учтем, что время между соударениями Тогда из (3.7) с использованием (3.2), (3.3) и (3.6) несложно получить Бидисперсные частицы одинакового размера. Соответственно экспериментальным условиям для Режима №1,А и Б, анализируемый в данном разделе механизм столкновений частиц, будет заключаться в наличии разницы скоростей витания частиц, имеющих различные плотности. В этом случае равны размеры частиц, т.е. dpi = dpj- = dp. Диаметр цилиндра столкновений в этом случае: DP = dPi + dPj = 2dP Таким образом, соотношение (3.8) для оценки числа Стокса можно записать как Учитывая, что счетная концентрация частиц фракции j в трубе в неподвижном воздухе с плотностью р связана с их массовой концентрацией Мj как: Полидисперсные частицы одинаковой плотности. В соответствии с экспериментальными условиями для Режима №2, одним из основных как будет показано ниже механизмов столкновений частиц, будет различие их скоростей в осредненном движении в поле силы тяжести, из-за различных размеров.
Полидисперсные частицы с номинальным диаметром d =100 мкм в этом случае можно условно представить как смесь двух фракций (сортов) 1-ой и 2-ой соответственно с номинальными размерами с/ j=90 мкм и d 2=П0 мкм, т.е. d pl = 0,9dр и dp2 — \\dp. Определим для этого случая через параметры полидисперсной смеси частиц интенсивность процесса межчастичных столкновений с помощью чисел Стокса определяемых как При допущении, что скольжение частиц в нисходящем турбулентном потоке газа в осредненном движении зависит от их скоростей осаждения и определяется как
