Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установо (Венгерский Э.В., Морозов В.А., Усов Г.Л., 1982 - Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок), страница 10

Исследования распределения в жидкости мельчайших газовых пузырьков или твердых несмачиваемых частиц, являющихся зародышами ультразвуковой кавитацин, показали, что в отстоявшейся дистиллированной воде распределение указанных зародышей весьма неравномерно с резким увеличением количества частиц нли пузырьков при уменьшении их размера [59, 83]. Аналогичный характер имеет также распределение зародышей, полученное Страссбергом [46] в обычной водопроводной воде, хотя абсолютное количество нх с одинаковыми размерами значительно (для радиусов 10-' см на 2 порядка) превосходит количество таких зародышей в дистиллированной воде. Указанные исследования, а также извест- ные результаты распределения механических примесей в низкокипящих топливах на различных этапах нх эксплуатации показывают, что распределение ядер может быть принято нормально-логарифмическим. При известных значениях минимальных Р„м и максимальных Я,„размеров пузырьков в потоке среднее значение радиуса при нормально-логарифмическом законе распределения может быть определено как Й.=1'х...х.

(3. 3) Для определения минимальных размеров газовых или парогазовых пузырьков следует более подробно остановиться на физической модели образования двухфазного потока в магистралях системы питания при течении в них насыщенного газом топлива. ЗЗЬ ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА Анализ многочисленных теоретических и экспериментальных исследований кавнтационных явлений в дегазированных и насыщенных газом жидкостях свидетельствует о том, что в настоящее время отсутствует единая, сколько-нибудь строгая теория образования разрывсв сплошности в жидкостях при снижении в них давления ниже уровня упругости пара или давления, соответствующего равновесной концентрации растворенного в жидкости газа. Согласно молекулярно-кинетической теории жидкость способна выдерживать значительные растягивающие напряжения, и для разрывов сплошности при неизменной температуре должны быть реализованы давления значительно ниже равновесных значений.

Из условия статического равновесия сферического газового пузырька и окружающей его жидкости р„+ р„= р+ 2аЯ, (3. 4) следует, что для разрыва сплошности на молекулярном уровне (1х-1О-м м) необходимо реализовать растягиваюшие напряжения 2аЯ=10м Па (для воды — 1,4 10' Па), что никогда не наблюдается на практике. Образование разрывов сплошности на зародышах новой фазы в виде газовых пузырьков конечных размеров также труднообьяснимо. В соответствии с условием статического равновесия диффузионное равновесие газового пузырька в жидкости, насыщенной до равновесной концентрации, будет иметь внд (р — р„+ 2ч/~) к=С„. (3. 5) Подобное диффузионное равновесие пузырька является неустойчивым.

При неизменном давлении в жидкости в случае непроизвольного увеличения радиуса пузырька парциальное давление газа внутри него уменьшается вследствие снижения давления, определяемого поверхностным натяжением, что приводит к снижению концентрации газа на поверхности пузырька, диффузионному потоку газа и жидкости, дальнейшему росту пузырька н всплытию его под действием гидростатического давления. Случайное уменьшение радиуса приводит к увеличению парциального давления газа и концентрации на поверхности, диффузионному потоку массы газа в окружающую его жидкость и полному растворению пузырька.

Подобные процессы возникают при понижении или повышении гидростатического давления. При этом изменение концентрации газа на поверхности будет происходить вследствие изменения не только самого гидростатического давления, но и радиуса, связанного с изменением объема пузырька. То есть в случае изменения давления в жидкости, окружающей газовый пузырек, его положение равновесия становится еще менее устойчивым, чем в случае непроизвольного случайного изменения его радиуса. Полученные экспериментальные значения растягивающих напряжений различных жидкостей имеют существенный разброс, который определяется условиями проведения эксперимента, характеристиками самих жидкостей, наличием в них посторонних примесей, растворенных и свободных газов.

Опыт эксплуатации различного рода энергетических установок и гидравлических систем показывает, что в реальных условиях даже незначительное снижение в жидкости давления ниже уровня, соответствующего равновесной концентрации растворенного в жидкости газа, приводит к выделению газа и образованию газо- паровых пузырьков. То есть реальные жидкости неспособны выдерживать растягивающие напряжения и при наступлении «пересыщения» в них возникают разрывы.

Большинство исследователей кавитационных явлений сходятся во мнении, что причиной их возникновения является наличие в жидкости так называемых слабых мест, т. е. источником образования новой фазы являются поверхностные эффекты, возникающие при контакте жидкости с находящимися в ней мельчайшими перастворенными газовыми включениями. В настоящее время предложен ряд механизмов существования пузырьков в массе жидкости. Один из них, изложенный Гарвеем, заключается в существовании нерастворенного газа в микроскопических несмачиваемых жидкостью порах в поверхности сосуда, ограничивающих жидкость, или несмачиваемых твердых примесей [!6).

В этом случае поверхностное натяжение жидкости образует выпуклый в сторону поры мениск, который снижает давление газа в поре ниже уровня давления в жидкости на величину, зависящую от поверхностного натяжения и радиуса кривизны мениска. Тоесть для несмачиваемой поры условием диффузионного равновесия на поверхности, разделяющей жидкость и парогазовую полость, будет в отличие от (3.5) зависимость В этом случае увеличение давления в жидкости приводит к умень- шению радиуса кривизны мениска, что компенсирует изменение концентрации на поверхности раздела и обеспечивает устойчивое существование газа в поре. Другим механизмом устойчивого существования газовых ядер может служить наличие в жидкости органических примесей, препятствующих процессу растворения мельчайших газовых пузырьков [81].

Инициирование газовых и паровых пузырьков в пересыщенных жидкостях возможно также под влиянием заряженных частиц, что широко применяется для их изучения в пузырьковых камерах (50[. Качественное подтверждение гипотезы Гарвея содержится во многих опубликованных исследованиях механизма образования газовой фазы, как в неподвижной жидкости, так и в движущемся потоке. Так, например, обработка образцов рабочей жидкости давлением приводит к существенному увеличению их объемной прочности вследствие уменьшения количества газа в порах и числа активных пор [28].

Тщательная полировка внутренней поверхности сопла при течении испаряющейся жидкости приводит к увеличению плотности потока и значительному его «пересыщению» [!3[. Исследование процесса газовыделения в стеклянном сосуде с насыщенной воздухом водой показывает, что снижение давления до 1О' Па не приводит к образованию пузырей даже при сильном встряхивании, тогда как присутствие образцов из стали, алюминия и др. приводит к интенсивному газообразованию [44]. Результаты исследования неустановившегося течения воды в трубопроводе [661 также показывают существенное влияние на увеличение газосодержания в потоке газовых полостей, находящихся в микротрешинах поверхности трубопровода.

Следует отметить, что определяющим фактором в гипотезе Гарвея является отсутствие смачиваемости жидкостью поверхностей сосуда и находящихся в ней механических примесей. Большинство подтверждающих гипотезу Гарвея экспериментальных данных проведено на воде, смачивасмость которой с большинством твердых поверхностей существенно зависит от степени загрязнения поверхностей. Имеющиеся экспериментальные данные об измерении краевых углов различных жидкостей имеют значительный разброс [22, 23, 62], однако, для воды при температуре, близкой к температуре кипения, эта величина никогда не превосходит 90'. То есть чистые металлические поверхности являются смачиваемыми водой и, следовательно, поверхностные эффекты на границе жидкость — стенки сосуда должны исключать существование нерастворенного газа в микроьолостях поверхности сосуда или трубопровода. Вместе с тем большинство измерений краевых углов проводилось на обработанных поверхностях с шероховатостью поверхностей металла до 0~=32 и в процессе эксперимента уделялось особое внимание исключению загрязнения поверхности органическими примесями.

В реальных технических системах поверхность емкостей и трубопроводов имеет шероховатость намного грубее и технологический процесс их изготовления при контакте с охлаждающими и смазочными материалами ие исключает загрязнения выражение (3.7) может быть преобразовано так: 2 Лз б9=я.р(6) ( — — +У), 3 где 6(6)=2+Зсоз9 — соз'9. Введем соотношение ф(0), равное отношению функции ~р(О) к е значению при нулевом угле смачивания, т. е. 1 3 ! 9(6)= — + — соз 9 — — соз'6.

(3.! 2 4 4 (3. 1 Выражение (3.9) представляет собой отношение разносте термодинамических потенциалов системы при образовании парог, зового пузырька на твердой поверхности к аналогичной рази~ сти при образовании пузырька в жидкости (0=0). Вид функця (3.9), уменьшаюшейся с ростом краевого угла смачивания О, св1 детельствует о том, что при прочих равных условиях — наличз органических примесей, препятствующих процессу растворени поверхности органическими примесями. Кроме того, ззмерепноп общее значение краевого угла ие дает достаточного представления о микроскопическом угле в имеющихся в материале мельчайших впадинах и трещинах. Это обстоятельство приводит к тому, что полное заполнение микровпадин на поверхности металла ока.

зывается практически немозможным и впадины с конусностью й(0 (где Π— краевой угол смачивания) оказываются способными устойчиво сохранять газ в нерастворенном состоянии 110). Все вышеизложенное является характерным не только для воды, но и для большинства жидкостей, в том числе и высококи. вящих топлив. Даже такие хорошие растворители органический вешеств, как ацетон, спирты, эфиры и фреон, имеют краевые уг. лы смачивания с металлическими поверхностями, отличные от О Если насыщение ракетного топлива газом проводится в запра. вочиых средствах с последующей закольцовкой газовых объемоя в процессе заправки [48), то это обстоятельство также способству ет сохранению газовых зародышей в микрополостях поверхностз бака и трубопроводов.