Содержание к диссертации
Введение
1 Глава. Анализ работ по исследованию эффективности газожидкостных завес 8
1.1. Обзор теоретических работ 8
1.2. Обзор экспериментальных работ 38
1.3. Выводы и постановка задач 56
2 Глава. Экспериментальная установка, измерительная аппаратура и методика проведения экспериментов 57
2.1. Экспериментальная установка.. 57
2.2. Измерительные схемы и аппаратура. 68
2.3- Оценка погрешности измерений 72
2.4. Отладочные опыты и основные характеристики рабочего участка 75
3 Глава. Исследование структуры течения в цилиндрическом канале при наличии пристенной газожидкостной завесы 89
3.1. Исследование процессов осаждения жидкости на стенки вертикального цилиндрического канала 89
3.1.1. Средняя толщина и волновые характеристики свободно стекающей плёнки жидкости 90
3.1.2. Осаждение жидкости на стенки канала из пристенных газокапельных струй 98
3.2. Тепловая и концентрационная структура пограничного слоя при наличии газожидкостной завесы 110
3.2.1. Профили температур и концентраций двухфазного пограничного слоя в цилиндрическом канале 110
4 Глава. Эффективность газожидкостных завес 118
4.1. Эффективность газожидкостной завесы в вертикальном цилиндрическом канале 119
4.1.1. Эффективность газожидкостной завесы при переменном параметре вдува 119
4.1.2. Влияние температуры основного потока на эффективность газожидкостных завес 120
4.1.3. Влияние массовой концентрации парожидкостного компонента в пристенной струе на эффективность двухфазных завес 122
4.1.4. Влияние на эффективность теплофизических свойств парожидкостного компонента ...124
4.2. Эффективность газожидкостной завесы в горизонтальном цилиндрическом канале 126
4.2.1. Влияние концентрации жидкости во вторичном потоке 128
4.2.2. Влияние температуры основного потока 129
4.3. Анализ результатов экспериментального исследования газожидкостных завес 129
Выводы 140
Литература 142
Приложение 1 150
- Отладочные опыты и основные характеристики рабочего участка
- Средняя толщина и волновые характеристики свободно стекающей плёнки жидкости
- Профили температур и концентраций двухфазного пограничного слоя в цилиндрическом канале
- Влияние на эффективность теплофизических свойств парожидкостного компонента
Введение к работе
Актуальность темы
Проблема защиты рабочих поверхностей энергетических установок от воздействия высокотемпературных и агрессивных потоков существует давно и ее решению посвящено большое число исследований. Данная задача не потеряла своей актуальности и в настоящее время, поскольку одним из возможных путей повышения кпд энергетических установок является увеличение температуры рабочего процесса.
Для тепловой защиты широкое распространение получили пристенные охлаждающие струи (газовые завесы). Течение и тепломассообмен однофазных газовых завес изучено достаточно глубоко в работах Кутателадзе, Леонтьева, Волчкова, Репухова и др.
Эффективность тепловой защиты стенок можно повысить путем введения в поток газа, подаваемого на охлаждение, мелкодисперсных капель жидкости, причем достаточно сильные эффекты достигаются при относительно малых-(не более 5-10% по массе) содержаниях жидкой фазы в пристенной струе. При этом в газожидкостной завесе за счёт процесса испарения капель происходит снижение температуры газа в пристенном слое по сравнению со случаем подачи в пристенную струю только газовой (паровой) фазы.
Однако использование двухфазных завес в реальных технических устройствах сдерживается отсутствием достаточно полной экспериментальной информации, на основе которой могли бы быть созданы надёжные инженерные методы расчёта тепловой эффективности пристенных газокапельных струй. Особенно остро эта проблема стоит при описании структуры двухфазного слоя смешения и осаждения части жидкости на стенки.
Цель настоящей работы:
1) Систематическое экспериментальное исследование эффективности газо
жидкостных завес и изучение влияния основных параметров струйного охла
ждения — температуры основного потока, концентрации жидкой фазы, тепло-
физических свойств охладителя, интенсивности вдува и др.
Исследование тепловой структуры пограничного слоя при наличии пристенной газопарожидкостной завесы, а также влияния процесса осаждения капель на характеристики плёночного течения.
Анализ экспериментальных данных с целью определения параметров, влияющих на теплозащитные свойства двухфазных завес.
Научная новизна
Проведено систематическое экспериментальное исследование структуры пограничного слоя и эффективности пристенных газожидкостных завес в цилиндрическом канале за сплошной кольцевой щелью. Получены новые экспериментальные данные по влиянию на эффективность газожидкостных завес
I рос национальная! з
| 6ИБЛИ0ГЕКЛ I
большого числа термогазодинамических параметров. Показано, что увеличение температуры основного потока ведёт к снижению эффективности пристенных газожидкостных завес, а неравновесные испарительные процессы к эффекту "захолаживания", в результате чего эффективность превышает 1. Впервые установлено, что сильное влияние на значения эффективности оказывает процесс осаждения капель на стенку с образованием жидкой плёнки. Показано, что большая часть жидкости осаждается в начальных сечениях канала, а увеличение скорости спутного потока приводит к усилению волнообразования. Проведён анализ полученных экспериментальных данных и сравнение с известными теоретическими зависимостями и численными расчётами.
Практическая ценность
Проблемы развития новой техники и повышения её экономичности тесно связаны с увеличением уровня температур рабочих процессов в машинах и установках. Рабочие температуры в проточных каналах многих энергетических устройств (ЖРД, РДТТ, ГТУ и др.) превышают 1000 С. В настоящее время ведётся поиск новых путей повышения эффективности систем охлаждения. Одним из таких путей является организация газожидкостных пристенных тепловых завес путём вдува в пограничный слой основного высокотемпературного потока двухфазного охладителя, где для дополнительного охлаждения стенок используется теплота фазового перехода. Настоящая работа является систематическим исследованием эффективности такого рода защиты, и изучения влияния на неё различных факторов. Результаты работы были использованы для апробации разработанных в ИТ СО РАН численных моделей расчёта эффективности пристенных газожидкостных завес.
Достоверность полученных результатов определяется применением аттестованных средств измерения, проведением тестовых опытов, анализом погрешностей измерения.
На зашиту выносятся:
Результаты экспериментального исследования тепловой структуры пограничного слоя при наличии пристенных газокапельных потоков, а также процессов осаждения из них капель на стенки канала с образованием жидкой плёнки и исследования динамики пленок, сформированных из газокапельных струй в спутном потоке газа.
Опытные данные по исследованию эффективности охлаждения пристенных газожидкостных завес, и влиянию на эффективность температуры основного потока, параметра вдува, массовой концентрации жидкости в пристенной струе, теплофизических свойств охладителя и ориентации канала.
Апробация работы
Результаты работы обсуждались на семинарах отдела термогазодинамики, International Symposium on The Physics of Heat and Mass Transfer in Boiling and Condensattion. (1997, Moscow), V Международной и VI Всероссийской конференциях молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1998, 2000), 223 и 3е3 Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998, 2002), 2-nd International Symposium on Two-Phase Modelling and Experiment (Pisa, 1999), 13— Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика АН. Леонтьева (Петербург, 2001), 4th International Conference On Multiphase Flow (New Orleans, 2001), 18th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (Zaragosa, 2002).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ в отечественной и зарубежной печати.
Личный вклад автора
В опубликованных в соавторстве работах лично автору принадлежит: 1) изготовление рабочих участков экспериментальной установки, тарировоч-ного устройства для системы измерения толщины жидких плёнок, а также калибровка данной системы; 2) проведение экспериментов по исследованию процессов осаждения жидкости из пристенных газожидкостных завес и динамики течения жидких плёнок в вертикальном цилиндрическом канале; 3) проведение экспериментов по исследованию тепловой структуры пограничного слоя при наличии пристенных газожидкостных завес, а также их эффективности; 4) обработка опытных данных, участие в обсуждении и интерпретации полученных результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и выводов. Объем диссертации составляет 172 страницы, включая таблицы и 67 рисунков. Список литературы содержит 76 наименований.
Отладочные опыты и основные характеристики рабочего участка
Перед началом исследования на экспериментальном стенде,:были проведены опыты по определению основных характеристик рабочего участка. В результате этих опытов были определены условия, обеспечивающие стационарный режим эксперимента; измерены профили средней скорости и температуры, а также степени турбулентности. Таким образом, получена информация о характеристиках потока на входе в рабочий участок, и данные о размерах зоны смешения в рабочем участке. Проведена отладка и тестирование системы измерения толщины плёнки жидкости. Полученные в результате тестовых опытов данные позволили оценить погрешности определения основных измеряемых величин. С целью определения динамических характеристик основного потока на входе в рабочий участок в отладочных опытах были измерены профили средней скорости и степени турбулентности на выходе из центрального сопла при разных скоростях. Профили средней скорости по радиусу канала представлены на рис. 2.10. а. Измерения проводились на расстоянии 0,5 мм от сопла, среднерасходная скорость потока принимала значения: Uo = 6,5; 10,2; 1,55 10. Из рисунка видно, что профили практически совпадают, и в центральной части потока имеется потенциальное ядро, в котором скорость распределена практически равномерно. Толщина пограничного слоя на выходе из сопла не превышает 4,5 мм. Распределение степени турбулентности приведено на рис. 2.10. б. В ядре основного потока степень турбулентности составляет около 1%, в пограничном слое достигает 10-13%. Исходя из полученных данных, можно заключить, что поток в ядре является низко турбулентным. Чтобы получить информацию о характере пограничного слоя при наличии изотермического вдува вторичного потока были измерены профили скорости по длине рабочего участка. Измерения проводились в трёх сечениях на расстояниях L = 0,5; 45; 243 мм от среза сопла. Средняя скорость составляла Uo = 27 м/с, число Re = 1,56 10й. Изменение профиля средней скорости по длине цилиндрического канала представлено на рис. 2.11, а. Вдув в пограничный слой пристенной струи приводит к деформации профиля скорости. На расстоянии 0,5 мм от места вдува хорошо просматривается граница смешения основного потока с пристенным. Но вниз по потоку эта граница быстро размывается, и на расстоянии 243 мм от места вдува профиль скорости становится полностью заполненым.
Данный профиль хорошо описывается степенной зависимостью [57] для турбулентного пограничного слоя с n = 1/7 (рис. 2.12.): Этот вывод хорошо согласуется с известным механизмом смешения потоков в канале [15, 27] с превалирующим механизмом воздействия пристенной турбулентности. Одновременно со средней скоростью производились измерения степени турбулентности потока. Распределение степени турбулентности по диаметру канала и характер изменения турбулентности смешивающихся потоков по длине представлены на рис. 2.1 К б. Из рисунка видно, что вниз по течению поток становится более турбулентным, особенно в пристенной области. Максимальное измеренное значение степени турбулентности равно 8,2%. Профили температуры измерялись на расстоянии 45, 245, 445 мм от среза сопла (рис. 2.13.). Измерения проводились при наличии вдува вторичного потока (т = 0,6; 1) и температуре основного потока 50 и 100С. На рис. 2.14. представлены вышеуказанные профили, построенные в координатах Вихгардта Т/Т = f(y/6T ), где &г = 1[(Т-Та)/(Тт-Т0)4у- о тепловой интегральный масштаб слоя смешения (Тст - температура адиабатической стенки). Экспериментальные данные сравниваются с полуэмпирической зависимостью [76], полученной Вихгардтом для случая линейного источника тепла на передней кромке пластины: Как видно, совпадение экспериментальных результатов между собой и согласование с зависимостью (2.4) вполне удовлетворительное.
Время выхода стенда на равновесный тепловой режим определялось путём многократного измерения в течение длительного промежутка времени температуры адиабатической стенки при неизменных значениях расходов и температур воздуха основного и вторичного потоков. Полученные результаты представлены в безразмерном виде на рис 2.15. Показания термопар снимались через каждый час. Из рисунка следует, что для достижения теплового равновесия требуется не менее часа. В установившемся режиме результаты, представленные в универсальных
Средняя толщина и волновые характеристики свободно стекающей плёнки жидкости
Перед основными экспериментами с целью отработки методики измерения и дополнительной тарировки измерительной системы была проведена серия опытов по исследованию течения тонких плёнок жидкости по внутренней поверхности цилиндрического канала. Эксперименты проводились в вертикальном цилиндрическом канале. В качестве рабочей жидкости использовался 30% раствор этилового спирта в воде. Формирование жидкой плёнки осуществлялось с помощью специального распределительного устройства (см. гл. 2) и кольцевой щели высотой 0,5 мм, расположенной на входе в канал. Емкостной датчик располагался на расстоянии 170 мм от входа в рабочий участок. Для того чтобы иметь возможность производить видеосъёмку, стенки канала были выполнены из прозрачного материала. Расход жидкости в экспериментах принимал значения от 1,25 г/с до 38,4 г/с, что соответствовало диапазону чисел Re = Q/v (Q — плотность орошения м /с, v - кинематическая вязкость жидкости) от 1,25 до 35,6. Скорость спутного потока газа принимала значения 0, 5, 7 и 10 м/с. Числа Рейнольдса газа Re = U0x/v в точке измерения соответственно имели значения 0, 6, 8 и 12 105. При гравитационном стекании средняя толщина плёнки жидкости в равновесных условиях описывается теорией Нуссельта [1, 68]. На рис. 3.1. приведено сравнение экспериментальных значений средней толщины плёнки жидкости в зависимости от числа Re плёнки, с расчетом по [68] (линия 1). В диапазоне чисел Re = 0,8-1 плёночное течение хорошо описывается теорией Нуссельта.
При: дальнейшем увеличении числа Re опытные данные существенно занижаются. Это происходит из-за образования волн на поверхности плёнки (рис. 3.2.). В случае синусоидального профиля волн изменение толщины плёнки жидкости в зависимости от расхода описывается зависимостью, которая получена Капицей [21] (рис. 3.1. линия 2). Для несимметричного профиля образующихся волн и амплитуды намного большей, чем толщина остаточного слоя, Brauner. М. и Maron D.M. приводят расчёт средней толщины плёнки жидкости в работе [58]. На рис. 3.1. линия 3 соответствует данному расчёту. Большая часть экспериментальных данных группируется возле неё, поскольку при Re 2,7 профиль волн становился нелинейным (рис. 3.2. ж, и). В диапазоне чисел Re от 5,16 до 8,4 производилась видеосъемка поверхностных волн. По полученным кадрам (рис. 3.3.) восстанавливались средняя скорость и длина крупных волн, что позволило определить несущую частоту волнового процесса при данных условиях. Сравнение несущих частот, определённых по видеосъёмке, с частотами, имеющими наибольшую спектральную плотность в спектрах, определённых по выборкам мгновенной толщины плёнки, которые измерялись емкостным датчиком, приведено на рис. 3.4. Различие, составляющее 2-3 Гц, объясняется нестационарностью процесса, обусловленной, вероятно, неконтролируемыми условиями волнообразования. Образование волн на поверхности плёнки под действием высокотурбулентного газового потока обычно носит статистический характер, поэтому воздействие спутного потока газа; на течение жидкой плёнки изучалось при числах Re плёнки 12-35. Скорость газа принимала значение 5, 7, 10 м/с, что соответствовало числам Рейнольдса, рассчитанным по диаметру канала 4,8; 6,8; 9,7 104. Энергетические спектры волн на плёнке жидкости имеют качественное сходство со спектрами волн на глубокой воде. Наиболее известной статистической теорией ветрового волнения является теория О.М. Филлипса который. показал [54], что изменение спектральной мощности в высокочастотной части спектра гравитационных волн должно быть пропорционально F" , где F - частота.
Согласно теории Филлипса из всех существующих на поверхности гравитационных волн, наибольшей длиной обладают находящиеся в стадии обрушения. Обрушение волн происходит, когда локальное ускорение верхней части волны превосходит ускорение гравитации. Таким образом, должен существовать диапазон высоких частот, на которых поведение волн определяется гравитационными силами Для данного интервала Филлипс вводит выражение, полученное на основе анализа размерности: где у - отношение силы поверхностного натяжения к плотности жидкости, Капиллярные волны характеризуются частотами от 10 до 1000 Гц, и из-за недостаточной точности практически не наблюдаются в натурных экспериментах, однако в ряде работ на лабораторных установках [64, 65, 67] удавалось измерить зависимость F" . На рис. 3.5. приводятся некоторые экспериментально измеренные реализации мгновенной толщины плёнки (рис. 3.5. а, в, д, ж) и соответствующие им спектры (рис, 3.5. б, г, е, з). Из рисунка видно, что воздействие газового потока на поверхность пленки приводит к интенсивному росту амплитуды волн. В отсутствие газового потока амплитуда воли составляет несколько процентов от средней толщины плёнки (рис.3.5. а), а при скорости спутного потока газа 10 м/с (рис. 3.5. ж) достигает значений соизмеримых с ней. Наклон высокочастотной части спектра волн, возникающих под действием газового потока, слабо соответствует в диапазоне частот капиллярных волн зависимости, предложенной Хиксом. Измерения частотных спектров волн на тонких плёнках жидкости проводили Chu, Dakler [59, 60]. Для интервала насыщения исследователями были предложены следующие соотношения: без газового потока, и Распределение средней толщины плёнки жидкости. На первом этапе были проведены измерения толщины осаждаемой плёнки при подаче только пристенной газожидкостной струи. Затем дополнительно включался основной поток воздуха, среднерасходная скорость которого составляла 16, 29 и 37 м/с.
При отсутствии основного потока среднерасходная скорость была равной U0 = 4,8 м/с. В экспериментах параметр вдува составлял соответственно со; 1,8; 1; 0 6. Изменение осреднённой по времени толщины плёнки жидкости в зависимости от концентрации капель в струе и параметра вдува показано на рис. 3.6. Толщина пленки, как правило, возрастает по длине канала независимо от параметра спутности. Это объясняется непрерывным подводом массы жидкости из газокапельной струи. Исключение составляют пристенные струи с малой концентрацией. жидкой фазы на достаточно больших удалениях от места вдува. В ряде режимов (рис. 3.6. в и г) происходит полный срыв пленки без повторного осаждения на стенку канала. Увеличение скорости спутного потока приводит к заметному утонению пленки, что объясняется ростом скорости пленки за счёт более сильных межфазных касательных напряжений. Для сравнения на рис. 3.6. приведены расчеты толщины гравитационной свободно стекающей пленки на. стабилизированном участке при; максимальной (Кж = ОД, кривая 5) и минимальной концентрациях (Кж = 0,016, кривая 6) жидкой фазы. Расчет производился по формуле Нуссельта [68] При этом полагалось, что вся жидкая капельная фаза, подаваемая в пограничный слой, равномерно распределена по стенкам канала в виде пленки. Как видно (рис. 3.6. а), толщина плёнки, образованной осаждением капельной фазы, меньше, чем дает расчет по теории Нуссельта. Это говорит о том, что часть жидкости в этой области не выпадает на стенки рабочего участка. К выходу из канала измеренные и расчетные значения сближаются между собой, что свидетельствует о практически полном осаждении капель на поверхность канала. Для больших значений скорости спутного потока (рис. 3.6. в, г) совпадения между теорией Нуссельта и экспериментом не наблюдается. Это объясняется, как упоминалось выше, влиянием межфазного взаимодействия. В этом случае расчёт толщины плёнки должен производиться с учетом касательных напряжений между жидкой плёнкой и спутным потоком. Мгновенная толщина плёнки и её частотный спектр. Из данных, представленных на рис. 3.6. можно оценить число Рейнольдса жидкой плёнки. Анализ показал, что его максимальное значение составляет Rex = U)K/VHC « 5, что соответствует безволновому режиму течения. Однако
Профили температур и концентраций двухфазного пограничного слоя в цилиндрическом канале
Структура теплового слоя смешения изучалась путём измерения профилей температуры сухого и мокрого термометров по радиусу трубы. Температура сухого термометра измерялась экранированной термопарой, температура мокрого термометра определялась с помощью термопары с пористым элементом (см. гл. 2). По измеренным температурным профилям рассчитывались распределения относительной влажности и массовой концентраций водяного пара. Расчёт влажности производился по известной методике [4, 5]. Измерения профилей производились в трёх сечениях канала, на расстояниях 40, 240 и 440 мм от входа в рабочий участок, что соответствовало значениям безразмерного параметра X/s равным 8, 48 и 88. Профили температур сухого и мокрого термометров измерялись в вертикальном цилиндрическом канале при параметре вдува m = 0,6 и температуре основного потока То =50С. Перед началом основной серии экспериментов по двухфазным завесам были измерены профили температур сухого и мокрого термометров в однофазном потоке, при тех. же режимных параметрах.. Профили температур и соответствующий им профиль влажности в однофазном потоке, на расстоянии X = 40 мм от входа в рабочий участок, изображены на рис. 3.12. Профиль влажности представляет собой почти прямую линию в окрестности нулевого значения. Максимальная влажность в пристенной области составляет 4-6%. Таким образом, влажность газовой фазы, подаваемой в рабочий участок была практически равна нулю. Профили температур сухого и мокрого термометров при смешении однофазного основного потока с двухфазной пристенной завесой в одном и том же сечении демонстрируются на рис. 3.13. По температурам сухого и мокрого термометров был. построен профиль влажности (точки 3), который показывает, что влажность при смешении потоков изменяется от 100% вблизи стенки до 0% в ядре основного потока.
Аналогичным образом были получены профили влажности и в остальных сечениях. Эксперименты проводились при концентрациях жидкости в пристенной струе Кж = 0,016 и 0,026. Соответствующие профили влажности изображены на рис. 3.14. Из рисунка следует, что уже в начальных сечениях происходит интенсивное испарение жидкости и образуется слой насыщенного влажного воздуха, и, как следует из рисунка максимум влажности находится на некотором расстоянии от стенки. При Кж= 0,016 влажность в ближайшей к поверхности точке составляет около 30%. В следующем сечении вниз по потоку максимальная влажность наблюдается уже ближе к стенке, а в самом дальнем сечении исчезает насыщение воздуха в пристенной области, и максимальное значение влажности составляет около 80%. Полученные распределения влажности позволили рассчитать профили концентрации пара в пограничном слое. Расчёт производился по методике, изложенной в [6]. К сожалению, из-за больших погрешностей, которые даёт психрометрический метод при высоких температурах и влажностях, точность определения концентрации пара на стенке и в ядре потока была невелика. Но в пристенной области, где температуры и влажности имели не очень высокие значения (10-80С, 20-90%) полученные результаты являются достоверными. Профили массовых концентраций водяного пара представлены на рис. 3.15. Из рисунка видно, что профили концентраций водяного пара претерпевают качественные изменения с удалением от входа в рабочий участок. В начальном сечении наблюдается явно выраженный максимум на некотором расстоянии от стенки, а далее вниз по потоку профили принимают более погранслойный характер. Наличие максимума объясняется, по всей видимости, интенсивным испарением: капель на границе между основным потоком и двухфазным охладителем. Концентрация жидкости в пристенной струе, как следует из рисунка, слабо влияет на характер распределения концентрации пара поперёк пограничного слоя. Профили температур и концентраций при более высоких массовых концентрациях жидкости в пристенной струе (0,05 и 0,1) измерялись в горизонтальном цилиндрическом канале. Параметр вдува в экспериментах имел значение m = 1. Температура основного потока составляла Т = 100С. Чтобы избежать попадания на датчики жидкости, осаждающейся на стенки канала в виде текущей плёнки, измерения температурных профилей производилось от верхней образующей канала до его оси. Профили влажности на различных удалениях от среза сопла изображены на рис. 3.16. В пристенной части (у 7 мм) происходит очень быстрое нарастание влажности воздуха и образуется насыщенный паром слой. Далее, по мере развития пограничного слоя по течению, толщина слоя повышенной влажности уменьшается. Это наиболее заметно при Кж = 0,05, в самом удалённом от входа в рабочий участок сечении максимальная влажность составляет около 40%. Данный эффект обусловлен интенсивными процессами испарения во внешнюю часть пограничного слоя, где уровень температур достаточно высок, и расширением высокотемпературной зоны вниз по потоку. Профили концентрации водяного пара для Кж = 0,05 и 0,1 на различных расстояниях от входа в рабочий участок представлены на рис. начальном сечении практически равномерный по толщине пристенной струи.
В последующих сечениях профили принимают погранслойный характер. При Кж — ОД картина несколько иная:, в начальном сечении профиль массовой концентрации водяного пара имеет чётко выраженный максимум, который последующем сечении становится менее выраженным, и только в конце профиль концентрации становится погранслойным. Таким образом, концентрация жидкости в пристенной струе слабо влияет на характер распределения концентрации пара поперёк пограничного слоя, однако с увеличением концентрации жидкости область насыщенного воздуха возле стенки распространяется вниз по течению. Обобщение опытных данных по температурным профилям парогазовой фазы демонстрируется на рис. 3.18. Профили температур сухого термометра в сечении X = 243 мм при вертикальном; и горизонтальном положениях канала, а также различных концентрациях жидкой фазы и температурах в ядре потока представлены в типичной: струйной обработке. Линия на этом графике соответствует кривой Вихгардта [76]: Несмотря на имеющийся разброс опытных данных можно, для описания распределения температур в двухфазном пограничном слое, в первом приближении воспользоваться струйными закономерностями. В других сечениях профили температур также удовлетворительно описываются зависимостью Вихгардта.
Влияние на эффективность теплофизических свойств парожидкостного компонента
Влияние теплофизических свойств парожидкостного компонента на эффективность газожидкостных завес исследовалось путём использования в качестве жидкой фазы в пристенной струе этилового спирта.. Эксперименты проводились при параметре вдува m = 0,6, температуре основного потока Т0 = 50С. Концентрация жидкости в. пристенной струе составляла Кж = 0,016 и 0,026. Данные этих экспериментов в виде изменения температуры адиабатной стенки по длине канала показаны на рис. 4.5. Динамические, тепловые и концентрационные условия на входе в канал в этих опытах были такими же, как и в опытах с водой. Отметим, что при вдуве спирто-воздушной смеси температура стенки заметно ниже, чем при наличии во до-воз душной завесы. Это говорит в пользу более эффективного охлаждения за счет возрастания скорости испарения спирта и его более низкой температуры «мокрого» термометра. Начиная с расстояния x/s 10, температура стенки резко возрастает и приближается к однофазному распределению, что говорит о завершении к данному сечению процессов фазового перехода на стенке. Однако, повторное снижение температуры стенки (см. рис. 4.5.) после 50 калибров, осталось невыясненным. Возможной причиной может служить осаждение оторвавшейся пленки, но для подтверждения этого необходимы измерения наличия пленки жидкости в этом месте канала. На рис. 4.6. приведено сравнение эффективностей воздушно-спиртовых завес с эффективностями воздушно-водяных завес, полученных при аналогичных режимных параметрах. Заметно, что эффективность воздушно-спиртовых завес существенно ниже, и область где в превышает единицу у них существенно короче. Это можно объяснить меньшей теплотой парообразования спирта и более интенсивным испарением его в пристенной струе, вследствие чего двухфазный участок воздушно-спиртовой завесы сокращался. При горизонтальном расположении канала образование сплошной плёнки на стенках, как отмечается в работе [16], наступает при концентрации плёнки жидкости в пристенной струе Кж 0,1.
В горизонтальном цилиндрическом канале исследовалось влияние температуры основного потока, массосодержания парожидкостного компонента в пристенной струе при концентрациях жидкости 0,05 и 0,1. Параметр вдува во всех экспериментах оставался постоянным, и был равен. 0,8, что соответствовало среднерасходной скорости, посчитанной по сечению канала, 29 м/с. При горизонтальном расположении рабочего участка сила тяжести начинает влиять на распределение жидкости в пристенной струе. Для избежания миграции капель в нижнюю часть канала под действием силы тяжести подбиралась достаточно высокая скорость газа, чтобы динамические силы превалировали над гравитационными. В опытах она составляла 25-30 м/с. Опыты проводились при температуре основного потока 100С, и массовой концентрации жидкости в пристенной струе 0,05 и 0,1. При проведении экспериментов осуществлялся поворот рабочего участка вокруг своей оси. Измерялась температура адиабатической стенки при трёх положениях образующей, вдоль которой располагались термопары. Верхнее (а = 0), боковое (а = 90), нижнее (а = 180). На рис. 4.7. изображены кривые эффективности газожидкостной завесы в зависимости от угла поворота рабочего участка для концентрации жидкости 0,05 (рис. 4.7. а) и ОД (рис. 4.7. б). В обоих случаях эффективность на верхней и боковой части рабочего участка выше 1. На малых расстояниях от входа эффективность по периметру цилиндра практически не меняется. С удалением от места вдува Э в нижней части канала возрастает. Очевидно, на нижней: образующей рабочего участка плёнка жидкости имеет значительную толщину.
На верхней образующей эффективность ниже в начальных сечениях, чем на боковой, при Кж = 0,05, однако, с увеличением Кж до 0,1 ситуация обратная. В начальных сечениях эффективность выше на верхней образующей, а на боковой максимум эффективности расположен несколько ниже по потоку, приблизительно в сечении X/s = 10. При этом в обоих случаях спад эффективности, обусловленный смешением с основным потоком, на верхней образующей более плавный. Возможно, это связано с тем, что оседающие на боковую поверхность рабочего участка
