Диссертация (1025751), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Данный вывод был сделан на основе визуального наблюдения заисследуемым объектом во время экспериментальных испытаний. Таким образом,161в данном случае крупные капли, движущиеся со стороны спинки лопатки,являются первичной влагой, проходящей межлопаточный канал без контакта с егостенками и пересекающей кромочный капельный след. При этом вдольтраектории 1 могут также двигаться частицы жидкости, выбитые первичнойвлагой из кромочного капельного следа.Имеющиесяданныепозволяютпроанализироватьдвижениеполидисперсной среды в межлопаточном канале, основываясь на математическоммоделировании траекторий капель различных размеров путем решения уравнения(3.1).
Для этого использовалась математическая модель Discrete Phase Model(DPM), интегрированная в CFD код Ansys Fluent. На Рисунке 4.7 представленытраектории капель полидисперсного потока в исследуемой решетке. Необходимоотметить, что в данном расчете не учитываются процессы дробления икоагуляции капель, отрыва водяных пленок и взаимодействия частиц споверхностью профиля.Частицы дискретной фазы, проходящие межлопаточный канал без контактас его поверхностью, имеют диаметры d < 20 мкм, все остальные осаждаются напрофиле.
При этом, как видно из результатов расчета, капли диаметром 10 – 20мкм пересекают кромочный след лопатки со стороны вогнутой поверхности.Таким образом, можно сделать вывод, что крупная влага, наблюдаемая состороны спинки лопатки, формируется за счет потока первичных капель,образованныхпередисследуемойрешеткойпародутьевымифорсункамиэкспериментального стенда.На Рисунке 4.8 представлены средние по концентрации размеры капельвдоль траектории 1 (см.
Рисунок 4.5). Дисперсный состав жидкой фазы определенс помощью методики, описанной в Главе 3. Величина d вблизи выходной кромкис ростом начальной влажности практически не изменяется (размеры варьируютсяв пределах 1-2 мкм). По мере удаления частиц от сопловой решетки происходитнекоторое снижение средних диаметров, что вызвано в первую очередь слияниемрассматриваемой траектории с линиями тока других потоков крупнодисперсныхкапель (см.
Рисунок 4.7). Средний размер частиц дискретной фазы в162рассматриваемой области лежит в диапазоне 15 – 10 мкм, что подтверждаетрезультаты расчетного исследования, представленные на Рисунке 4.7. Нарасстоянии ≈ 0,3 от выходной кромки наблюдается тенденция к росту среднихдиаметров дискретных частиц, что, по всей видимости, свидетельствует обинтенсификации процессов коагуляции капель [29], а также началом смыканияобластей капельной структуры, образованной в соседних каналах.
Однаконеобходимодополнительноеисследованиедляподтвержденияданногопредположения.Рисунок 4.7.Траектории капель различного размера в исследуемом канале1614d, мкм121086y0 = 3,4%y0 = 5,4%42z00,10,150,20,250,30,350,4Рисунок 4.8.Распределение средних по концентрации размеров капель вдоль траектории 1 приразличной начальной влажности163Применениерасчетно-экспериментальногометодаприисследованииполидисперсного потока позволяет анализировать характер механическогомежфазного взаимодействия, которое проявляется при скольжении капельотносительно основного потока.
Данный подход основан на анализе условий, вкоторых движутся частицы, с использованием критериальной зависимости [117]:кр = ,(4.4)где кр - критическое число Вебера, при котором происходит разрушениекапель; On -число Онезорге, характеризующее соотношение между силамиповерхностного натяжения и диссипативными силами. Необходимо отметить, чтона рассматриваемых режимах величина Weкр напрямую определяется числомОнезорге. Значения и On определяются как: = п п −к 2 =,(4.5)к, к 0,5(4.6)где - коэффициент поверхностного натяжения воды; к – динамическая вязкостьводы. В случае превышения We критического значения интенсифицируютсяпроцессы дробления капель. Вдоль траектории, исходящей из точки 1, величинаOn не превышает 0,1, что соответствует Weкр = 12. При этом по мере движениядискретных частицзначениеWeне превышает 6.
Таким образом, врассматриваемой области механического дробления капель не происходит.Движение влаги внутри кромочного капельного следа, помимо ускоренияосновным потоком, сопровождается сложными процессами взаимодействия свихревыми дорожками, которые вызывают интенсификацию дробления икоагуляциичастицдискретнойфазы[14].Осредненныескоростныехарактеристики капель вдоль траектории 3 (см.
Рисунок 4.5), расположеннойвнутри кромочного капельного следа, представлены на Рисунке 4.9. Этирезультаты в полной мере характеризуют те процессы, которые протекают вкромочном следе. Повышение начальной влажности приводит к снижениюкоэффициентов скольжения капель вдоль всей траектории, что свидетельствует оросте средних размеров и концентрации крупных капель.164Угол отклонения капель (см.
Рисунок 4.9) непосредственно за выходнойкромкой с увеличением начальной влажности изменяется незначительно: от 4 о до4,5о, а максимальный рост Δ составляет 1,25о. По мере движения капель вдольтраектории происходят процессы разгона и дробления частиц, что приводит квыравниванию направления их движения по отношению к основному потоку испособствует уменьшению Δ. Важно отметить, что распределение Δ вкромочном капельном следе совпадает для режимов с начальной влажностью3,4% и 5,4% при достижении y0 = 8,4% характер изменения рассогласованности вуглах выхода фаз изменяется.В данном случае изменение скоростных характеристик жидкой фазы приувеличении начальной влажности пара напрямую связано с процессамиобразования крупнодисперсной влаги за выходной кромкой.
Формируемые в этойобласти капли являются результатом процесса разрушения водяной пленки присходе с поверхности профиля. Ее расход определяется массой оседающих налопатку частиц первичной влаги, количество которых напрямую зависит отначальной влажности парового потока.
Как показано в [14], характеристикикромочногоследасущественнозависятотструктурыпарокапельногопограничного слоя. Возможны 2 случая: парокапельный слой без развитойводяной пленки и с пленкой. Режим течения в пристеночной области и определяетособенности распределения скоростных параметров капель за кромкой. Дляполучения полной картины поведения частиц жидкой фазы в кромочном следе,результаты, представленные на Рисунке 4.9, необходимо дополнить данными охарактере формирования крупнодисперсной влаги в этой области.Система«ПОЛИС»позволяетвизуальноанализироватьмеханизмвлагообразования путем фотографирования засвеченных лазером дискретныхчастиц и капельных образований.0,75ν5Δα,Δαo0,7254,50,740,6753,50,653y0 = 3,4%y0 = 5,4%0,6252,5165y0 = 8,4%0,62ν0,5751,50,5510,5250,5z0,50,040,060,080,10,120,140,160,180,20,220,240,2600,28Рисунок 4.9.Распределение коэффициентов скольжения и углов отклонения капель вдоль траектории, исходящей из точки 3166На Рисунке 4.10 представлены фотографии строения капельного потокавблизи выходной кромки при различных начальных влажностях пара.
Основнойособенностью наблюдаемых картин является структурное изменение течениядискретной фазы при сходе с поверхности лопатки.При начальной влажности y0 = 3,4% сход с выходной кромки происходиткак отдельными дискретными частицами, так и бесформенными порциями(кластерами). При этом непосредственно схода сплошной водяной пленки наданном режиме не наблюдается. Таким образом, можно сделать вывод, что приначальной влажности y0 = 3,4% массовой составляющей капель, оседающих наповерхность лопатки недостаточно для формирования развитого пленочноготечения.
При повышении y0 до 5,4% концентрация частиц, засвеченных лазером,увеличивается, однако на кадрах продолжают наблюдаться отдельные образыкапель. В то же время периодически проявляются небольшие области, полностьюзасвеченные лазером, что свидетельствует о проявлении язычков сходящей слопатки водяной пленки.
Можно говорить о том, что при y0 = 5,4% наповерхности лопатки уже начинает формироваться сплошная пленка. Приповышении начальной влажности до y0 = 8,4% язычки сходящей пленки имеютболее протяженную форму, и их наличие проявляется на фотографиях заметночаще, чем на предыдущем режиме. В данном случае можно говорить о развитомпленочном течении в парокапельном пограничном слое. Важно отметить, что нарассмотренных режимах, сход язычков проявляется только с вогнутойповерхности профиля (засветка сплошной структуры на Рисунке 4.10 начинаетсяс вогнутой стороны). Процесс схода влаги со спинки профиля на всехрассматриваемых режимах имел не периодичный характер, и представлял собойсрыв отдельных частиц или их кластеров при этом сход язычков сплошнойпленки на рассматриваемых режимах не наблюдался.
Кроме того, при начальнойвлажности y0 = 8,4% количество фотографий, на которых было замеченоформирование капель в кромочном следе со стороны спинки, существенновозросло по отношению к режимам с малыми значениями y0. Полученные данные167визуальногоанализасогласуетсясимеющимисярезультатамиэкспериментальных исследований [14, 61, 80, 81].Рисунок 4.10.Форма капельной структуры за выходной кромкой при различныхначальных влажностяхНаблюдаемая картина формирования крупнодисперсной влаги в кромочномследе явно связывает отмеченное выше перестроение дисперсного состава влаги сфактом образования развитого пленочного течения на поверхности лопатки.Опыты, проведенные в [14], отчетливо показали, что изменение расхода жидкостивпарокапельномслоесущественновлияетнаразмерыобразованнойкрупнодисперсной влаги в кромочном следе.Изменение дисперсного состава вдоль рассматриваемойтраекториипредставлено на Рисунке 4.11. С увеличением y0 вблизи выходной кромкинаблюдается значительный рост средних по концентрации размеров капель от 85168мкм до 115 мкм.
Важно отметить, что начальная точка исследуемого движениячастиц жидкой фазы расположена на некотором отдалении от выходной кромкипрофиля, поэтому в данном случае нельзя говорить о размерах капель,формируемых непосредственно за лопаткой.По мере удаления от фронта решетки происходит активное дроблениекапельного потока за счет его ускорения паровой фазой, а также в результатевзаимодействия со сходящими с выходной кромки вихрями.120100d, мкмy0 = 3,4%y0 = 5,4%y0 = 8,4%80604020z00,020,040,060,080,10,120,140,160,180,20,220,240,26Рисунок 4.11.Распределение средних по концентрации размеров капель вдоль траектории 3На расстоянии = 0,14 дисперсный состав перестает существенноизменяться; в этой зоне средний размер крупных капель составляет 20 мкм длявсех рассматриваемых режимов.
В области безразмерных координат = 0,23начинается плавное увеличение средних диаметров дискретных частиц, чтосвязано с интенсификацией процессов коагуляции капель.Важно отметить, что данные (см. Рисунок 4.11), полученные с помощьюразработанной экспериментально-расчетной методики определения размеровкапель, не дают полной картины протекающих в кромочном следе процессов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
