Автореферат (Методология оптимизации параметров микрогенерирующих энергокомплесов на основе возобновляемых источников энергии), страница 9

40. приведены значения КГС вставок-завихрителей с различным числом канавок в диапазоне чиселРейнольдса Re=U0d / ν от 104 до 2×105. Полученные данныепо КГС обобщены степенной зависимостью 14:ξ /ξо = 1 + 2,65ε0,25(14)где ξо – КГС для вставки с гладкой внутренней поверхностью (без закрутки потока), практически совпадающейс формулой Блаузиса ξо = 0,316 / Re0,25Здесь же приведены значения КГС для труб с винтовой вставкой, рассчитанные для относительного шага закрутки, соответствующего углу φ=650.Рисунок 40.

Зависимость коэффиВставка-завихритель придает газо-жидкостному потокуциента гидравлического сопровращательно-поступательноедвижение с интенсивнотивления вставки завихрителя отчисла Rе (1, 2, 3 – вставки с числом стью, определяемой числом канавок и расходной скороканавок 6, 12 и 22; 4 – вставкастью потока. При снарядном режиме течения из жидкостс гладкими стенками; 5 – винтовая ной пробки формируется пристенный слой вдоль внутвставка с относительным шагом,ренней поверхности канала, т. е. режим течения станосоответствующим углу закрутки = 65)вится близким к дисперсно-кольцевому.Для образования устойчивого кольцевого слоя жидкости требуется определеннаятангенциальная (окружная) скорость Uφ закрутки, зависящая при выбранном угле закрутки от осевой скорости потока U0 или числа Рейнольдса жидкой фазы. Минимальное значение Rem для выполнения этого условия можно оценить из аналитическоговыражения скорости вращения при получении полых заготовок в процессах центро32бежного литья.

В терминах двухфазного газо-жидкостного потока при равенстве истинного и объемного газосодержания условием образования устойчивого кольцевогослоя в горизонтальном канале служит выражение (15):Rem > (1,2 π / tg φ) [gRo3 (1-0,14β)] / ν2 β0,5(15)где β – объемное газосодержание; Ro – радиус канала; g – ускорение силы тяжести; φ – уголзакрутки потока на выходе вставки–завихрителя; ν – кинематическая вязкость жидкости.Для условий опытного стенда с диаметром 40 мм и углом закрутки потока φ = 650значения Rem в соответствии с (15) составляли от 3,9 × 104 до 2,6 × 104 с увеличениемобъемного газосодержания от 0,2 до 0,7. Полученные значения Rem характеризуютравновесный режим взаимодействия слоя жидкости с газовой областью, которая образуется в центральной части канала.

Процесс сепарации (разрушения) жидкостнойпробки требует большей интенсивности закрутки и, следовательно, больших значений чисел Rem. Измерения значений вибрации трубопровода осуществлялись на вертикальных участках контура циркуляции за вставкой-завихрителем непосредственноза поворотным коленом.Методика проведения измерений и обработка данных, включающих определениеспектральных характеристик и среднеквадратичных значений (СКЗ) виброперемещений, приведена в работе. Заметное влияние закрутки двухфазного потока на уменьшение уровня вибраций наблюдалось при Re > 105.

Как видно из рис. 41, характер изменения СКЗ виброперемещений определяется значениями газосодержания потокаβ и числом канавок вставки-завихрителя.Полученные данные аппроксимировались в видеСКЗ виброперемещений участка трубопровода сразличными вставками-завихрителями δ по отношению к соответствующим значениям СКЗ длягладкой вставки δ0 в виде:δ /δ0 = 1_ 6,75 Red-0,15 β-2ε ε; Re = 4G / πdν ;(16)где G – объемный расход жидкости; d – диаметртрубопровода.В диапазоне изменения расхода жидкости сRe=4 × 105….. 2 × 106 и объемного газосодержанияβ = 0,1….0,7 погрешность обработки данных поформуле (16) не превышала 25 %.Рисунок 41.

Относительное снижениеЗначение  в формуле (16) характеризует начальСКЗ вибраций трубопровода опытноную энергию закрученного потока непосредственного стенда в зависимости от газосодержания потока и типа вставкиза вставкой – завихрителем, которая расходуется непри Rе=4 × 104 1, 2, 3 – вставкитолько на разрушение жидкостных пробок двухфазс 6, 12 и 22 канавкаминого потока, но и на преодоление дополнительногогидравлического сопротивления из-за вращательной составляющей скорости в пристенной области в направлении течения.

Эти факторы проявляются в снижении эффективности закрутки потока на уровень вибраций трубопровода с возрастанием числа Re.Для исследований структуры завихрения по сечению трубопроводабыл создан экспериментальный лазерный стенд с принудительной циркуляцией теплоносителя и впрыском воздушной смеси для формирования различных режимов двухфазного течения(рис.42).Рисунок 42. Схема экспериментальнойустановки.

1 – вставка-завихритель;2- рабочий участок канала; 3 – бак;4 –панель управления; 5 – насос;6 – компрессор; 7 – расходомер по воздуху; 8 –расходомер по воде;9 – демпфер; 10-узел смешения.33Стенд представляет из себя контур циркуляции теплоносителя (воды), оснащенустройством засева потока трассерами (генератор тумана Martin Magnum 1800).

Установка позволяет проводить исследования режимов течения при числе Рейнольдса 104106, что обеспечивает применимость полученных результатов для анализа аэродинамики установок реального масштаба. Диагностика закрученного потока осуществлялась методом цифровой трассерной визуализации (PIV).

PIV метод - полевой оптический метод измерения полей скорости жидкости и газа. Для измерения полей скорости в интересующих сечениях модели применялась PIV- система «Полис», разработанная в ИТ СО РАН.Система позволяет измерять две компоненты вектора скорости одновременно во всемзаданном сечении (D 50 мм). «Полис» включает в себя: двойной импульсный Nd:YAG-лазер Quantel EVG с энергией в импульсе 145 мДж; объектив для формирования лазерного ножа; цифровую кросскорреляционную камеру Видеоскан 4021 с разрешением 2048*2048 пикселей; широкоугольный объектив Nikon 28mm F/2.8D; синхронизирующий процессор; персональный компьютер с программным обеспечением ActualFlow.Расчетно-теоретические и экспериментальные данные, полученные на стенде,необходимо было проанализировать с помощью более совершенных методов и инструментов исследований микропотоков. Для верификации результатов математического моделирования в рамках данной задачи рассматривалось несколько методик сточки зрения возможности получения требуемого объема и точности результатов.Это:- метод теневых исследований Теплера;- фотографический метод стробоскопической визуализации;- метод лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА);- метод цифровой трассерной велосимметрии (particle image velocimetry, PIV).Из рассмотренных методов только последний удовлетворял требованиям поставленной задачи.

Он позволяет измерять поля скорости в каналах субмиллиметровогоразмера с разрешением векторного поля до 2-5 мкм/вектор в сечении, толщиной всегонесколько микрон. Метод PIV(цифровая трассерная визуализация) –оптический методизмерения мгновенных полей скорости жидкости или газа в выбранном сечении потока.

Импульсный лазер создавал тонкий световой нож и освещал мелкие частицы,взвешенные в исследуемом потоке. Положение частиц в момент двух последовательных вспышек лазера регистрировалось на два кадра цифровой камеры. Скорость потока определялась расчетом перемещения, которое совершают частицы за время между вспышками лазера.

Определение перемещения основано на применении корреляционных методов к трассерным картинам с использованием регулярного разбиенияна элементарные области.Источником световых импульсов в данной схеме являлся лазер, который состоитиз излучателя и системного блока. В излучателе расположены: 2 лазерных резонатора, 2 квантрона с активным веществом и лампой накачки, система сведения лучей,преобразователь частоты лазерного излучения и оптический аттенюатор.

В системном блоке расположены: источник питания импульсных ламп накачки лазера, системаохлаждения лазера и блок управления работой лазера. Фокусное расстояние оптической системы может меняться от 0,3 до 0,6 м. При этом толщина лазерного ножа меняется от 0,5 до 3 мм. Схема измерительного комплекса, примененного на экспериментальном стенде, показана на рис.43.34Рисунок 43. Схема измерительного комплекса «Полис» в составе лазерной установки, приемной камеры, синхронизатора, ПЭВМ-обрабатывающего комплекса.Регистрация отраженных оптических импульсов осуществлялась кросскорреляционной камерой, которая предназначена длядвукратной регистрации трассерных картинв потоке и может работать как в двухкадровом, так и в однокадровом режиме. Временная задержка между вспышками лазера при двухкадровом режиме регистрации кадров может варьироваться от 10 мкс до 259 мс.Турбулентность двухфазного и однофазного потоков представляет собой чрезвычайно сложный объект для исследования с очень большим количеством степеней свободы и обычно характеризуется широкополосным набором различных компонентдвижения внутренних сил, среди которых существенную роль играют мелкомасштабные и высокочастотные составляющие, измерение которых подразумевает высокоепространственное и частотное разрешение используемого метода.