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 9

4! т,к яа оса ла т,л оба оьо оба ааг аог го Ю) а бог йоаг ц) Рис. 2.9, Влияние частоты колебаний давления на изменение температуры среды в объеме пузырька: а — г зоо Гц; б — т зо гц атао оо Ог го Рис. 2ЛО. Изменение относительного радиуса пузырька аоо 42 При колебаниях давления на изменение объема пузырька оказывает влияние нестационарность тепло- и массообмена. Как уже обращалось внимание в подразд. 2.3, в начальный момент возникновения диффузионного процесса поток массы намного превышает установившееся значение. Снижение интенсивности массообмена происходит вследствие обеднения слоев жидкости, лежащих вблизи поверхности пузырька, при выделении газа и увеличения размеров диффузионного слоя. В процессе колеоаннй давления при изменении направления потока массы (при переходе через равновесное состояние) процесс диффузии возникает при начальных условиях.

Кроме того, при колебаниях дав.пения около уровня, соответствующего равновесной концентрации, процесс выделения газа при понижении давления происходит через ббльшую поверхность пузырька, чем процесс растворения прн повышении давления. Эти обстоятельства приводят к росту объема пузырька при колебаниях давления.

С указанными особенностями фазовых переходов по всей вероятности связан и специфический вид изменения давления в системах питания при низкочастотных колебаниях (острые пики и плавные провалы давления). На рис. 2.10 представлены результаты расчета системы уравнений (2.79) при синусондальном изменении давления в )ь)зОм насыщенной азотом с га частотой т'=25 Гц и амплитудой 2А=! 10з Па около среднего уровня 3 1Оз Па, соответствующего равновесной концентрации 0,5 кг/мз. Кривая 1 го получена по результатам рас/ чета по полной системе урав- пений (2.79); кривая 2 — при использовании зависимостей лля~ стационарного массообмена; кривая 3 иллюстрирует влияние по! верхностного натяжения (о=О); кривая 4 построена по результатам расчета при условии стационарного массообмена и отсутствии поверхностного натяжения. Из рассмотрения рис.

2.!О следует, что если учет влияния поверхностного натяжения оказывает слабое нлияние на изменение относительного радиуса пузырька, то пренебрежение нестационарностью тепло- и массообмена при колеба. ииях давления может привести к существенным (=20в/в) погреш. постам расчета. Глава 3 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА зл. сОстАВ н стРУКтУРА ДВУхФАзнОГО ПОТОКА Структура и характер распределения фаз в двухфазном газо жидкостном потоке оказывают существенное влияние на особен ности протекания процессов взаимодействия между фазами.

Ка~ показывают результаты исследований, со структурой двухфазног< потока неразрывно связаны такие характеристики потока как гидравлические потери давления, потери энергии из-за ме ханического взаимодействия фаз, особенности распространени. возмущений в потоке и др. От особенностей структуры двухфазно го потока зависит также возможная схематизация процесса тече ния, выбор формы уравнений и методов, применяемых для нссл~ довання течения. Очевидно, что при расслоенной структуре теч~ ния, когда имеет место четкая граница раздельного существов; ния фаз, могут быть использованы уравнения движения каждо из фаз в отдельности с учетом описания процессов на поверки< сти раздела.

Подобный метод трудно применим для пузырьков< го режима течения, когда основная энергия потока сосредоточен в несущей жидкой фазе и распределенные в ней газовые пузырьк являются лишь источником диссипативных потерь, возннкаюша при относительных перемещениях поверхности раздела. Вместе тем структура потока, распределение пузырьков по размерам, ок: зывают влияние на характер и скорость протекания процессов о! мена массой, теплом и количеством движения между фазами. Степень дисперсности газовой фазы влияет также и на х рактер изменения энергетических характеристик центробежнь насосов, работающих на газожидкостных смесях [17). Эти обсто тельства делают необходимым определение не только соста~ двухфазного потока, т. е. относительной концентрации фаз, но характера ее распределения как по длине и сечению трубопров да, так и по размерам пузырьков, составляющих газовую фа.

Вместе с тем, следует отметить, что и сама структура двухфази Я=Рта'е' "(1+ — „,); Р («ФА' (Ож аг) аз г= 4а ~ З4 1 )Че= а а(а айаг 'га,— приведенная скорость газовой фазы (отношение объемного расхода к поперечному сечению трубопровода); У вЂ” скорость жидкой фазы. Для горизонтальных потоков и нисходящего течения в наклонных трубах предельным условием устойчивого существования пробкового режима является следующая экспериментальная з~ висимость [39]: 2 Рг, ) [0,2+ 21/Х,) е ~'~ '~" [3. 2) ~де (=з(па — геометрический уклон, численно равный гидравлическому при безнапорном течении жидкости в наклонном трубо" проводе; а — угол между осью трубопровода и горизонталью; — относительные объемные расходные концентрации газовой и жидкой фазы; Рг,=(',9(дд) — критерий Фруда, построенный по скорости смеси. Нарушение пузырькового режима может произойти вследствие спияния пузырьков газа при образовании н движении их в потоке.

Наличие градиентов давления и скорости в турбулентном потоке приводит к концентрации пузырьков в определенных сечениях по го потока определяется гидродинамическими характеристикамн потока. Многочисленные исследования режимов течения двухфазных потоков, основанные на визуальных наблюдениях, предполагает наличие различных форм течения, определяемых распределением фаз по сечению трубопроводов [29, 65, 67].

По структуре потока. режимы течения разделяются на пузырьковый, эмульсионный, снарядный, дисперсно-кольцевой и обращенный дисперсно-кольцевой [33]. При сравнительно небольших газосодержаниях потока и значительных его скоростях, которые могут реализоваться в системах питания, следует ожидать, что в большинстве случаев в магистралях возникает пузырьковый или эмульсионный режим течения, характеризующийся равномерным распределением газовой фазы в виде дисперсных пузырьков. Так, в соответствии с исследованиями [ЗЗ] в вертикальных трубах устойчиво реализуется пузырьково-снарядное течение при К < 7; Лг ~~ О, 1, (3.

1) радиусу трубы (на расстоянии 0,6 ... 0„8 радиуса от центра канала). Это обстоятельство способствует слиянию небольших пузырьков к образованию пробок. Однако дрейф пузырьков газа в область с повышенной интенсивностью пульсаций должен также приводить к созданию условий для гидромеханической неустойчивости нх, нарушению сферичности формы и дроблению под действием пульсаций скорости потока несущей фазы.

То есть в общем случае двухфазный пузырьковый режим течения характеризуется широким спектром размеров отдельных парогазовых пузырьков, минимальная величина которых определяется условием их образовання, а максимальная — условием дробления. В частном конкретном случае для определения закона распределения размеров пузырьков, составляющих газовую фазу, должны быть проанализированы не только эти условия, но и особенности течения взаимодействия фаз, определяюших закон распределения. Для двухкомпонентных потоков на практике [31, 63, 70] обычно применяют нормально-логарифмический закон распределения включений, в соответствии с которым функция распределения где Яч — математическое ожидание радиусов; о — среднеквадрачичное отклонение радиусов. В настояшее время известно весьма ограниченное число публикаций по исследованию функции распределения размеров газовых или парогазовых пузырьков в жидкости.

Наиболее интересны результаты экспериментальных (с помошью фотографического метода регистрации) и теоретических исследований распределения по размерам газовых пузырьков в кавитируюшем турбулентном потоке, создаваемом врашаюшимся винтом [26]. При исследовании было установлено, что общий характер функции распределения сохраняется неизменным, хотя абсолютное содержание пузырьков и их размеры могу~ изменяться в зависимости от условий эксперимента. На основании анализа экспериментальных данных было показано, что с достаточной вероятностью (равной по результатам эксперимента 0,99) распределение размеров газовых пузырьков совпадает с нормально-логарифмическим законом распределения.