Диссертация (1025751), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Ихнеобходимо дополнить результатами статистического анализа скоростныххарактеристик капель в этой области. Исследование характера трансформации169дисперсного состава жидкой дискретной фазы по мере удаления от выходныхкромок сопловых лопаток проводилось по мгновенным полям скоростей,определенных корреляционным методомPIV. В элементарных областях(размером 1 мм на 1 мм) производился расчет распределений коэффициентовскольжения. Рассматриваемые зоны расположены на траектории капель,исходящейизточки3.НаРисунке4.12представленораспределениекоэффициентов скольжения в трех точках. По оси абсцисс отложена величина ν, апо оси ординат – отношение количества капель с данной скоростью к суммарномуколичеству векторов, определенных алгоритмом.Рисунок 4.12.Распределение коэффициентов скольжения в элементарных областях натраектории, исходящей из точки 3Границы статистической выборки и число интервалов группированияэкспериментальных данных определялись на основе [49].
На распределенияхзакрашенныммаркеромобозначеныкоэффициентыскольжения,170соответствующие каплям, размеры которых определены на Рисунке 4.11.Представленная картина позволяет качественно охарактеризовать процессыформирования дисперсного состава дискретной среды за выходной кромкойлопатки.Как видно из Рисунка, в точке на расстоянии z = 0,05b с изменениемначальной влажности происходит перестроение дисперсного состава капельногопотока. Рост y0 от 3,4% до 5,4% приводит к смещению максимума концентрации кобласти более крупных капель, что вызвано в первую очередь ростом расходавлаги, оседающей на стенках профилей. Это способствует формированию тонкойпленки, срыв которой с выходной кромки образует капли большего размера, чемпри малой влажности.
При переходе от начальной влажности y0 = 5,4% до y0 =8,4% происходит существенное перераспределение дисперсного состава жидкойфазы: на рассматриваемом распределении формируется двухпиковая структура.Это говорит о проявлении второго источника образования крупной влаги,который, возможно, является процессом схода капель со спинки профиля. Какотмечалось выше (см. Рисунок 4.10), сход крупных частиц со спинки лопаткипрактически не наблюдается при начальных влажностях y0 = 3,4% и y0 = 5,4%.Это вызвано в первую очередь следующими факторами:Особенности геометрии профиля [81]: участок спинки в косом срезелопатки расположен в «аэродинамической тени» для движущихся со сторонывхода в канал капель (см. Рисунок 4.7).Режим течения пленки на вогнутой поверхности лопатки.
Известно,что при развитом пленочном течении, когда реализуются волновые процессы наее поверхности [64], срываемая с пленки влага может попасть на спинку профиля,формируя на ней пленочное течение. Кроме того процессы отражения ивыбивания капель с вогнутой поверхности также реализуются при условииобразования устойчивой пленки на вогнутой поверхности. При начальныхвлажностях пара y0 = 3,4% и y0 = 5,4%, как отмечалось выше (см.
Рисунок 4.10),171формирование водяной пленки на вогнутой поверхности не создает условий дляинтенсификации этих процессов.При y0 = 8,4% визуально наблюдается как сход язычков водяной пленки, таки срыв влаги со спинки профиля. При этом косвенные признаки говорят о том,что пику при ν = 0,45 (капли, размеры которых больше 120 мкм) соответствуетсход пленки с вогнутой поверхности, а пику ν = 0,55 – со стороны спинки (капли,размеры которых приблизительно равны 80 мкм).Концентрация наиболее крупных капель (ν = 0,4) при z = 0,05b практическиодинакова для всех начальных влажностей пара.
При этом их размеры превышают120 мкм (см. Рисунок 4.11, которому соответствуют закрашенные маркеры). Длявыявления физических аспектов проявления подобного поведения кривыхраспределенийприν=0,4необходимопроведениедополнительныхисследований, так как имеющиеся экспериментальные данные это сделать непозволяют.По мере удаления от выходной кромки протекают процессы активногодробления капель в потоке – возникают дискретные частицы, размеры которыхлежат в широком диапазоне диаметров. Это приводит к «размытию»рассматриваемых распределений (z = 0,1b). На режимах с y0 = 3,4% и y0 = 5,4%спектр размеров частиц становится практически сплошным – пики проявляютсяочень слабо на фоне режима с начальной влажностью пара y0 = 8,4%.
При этомконцентрация частиц с коэффициентами скольжения ν = 0,55-0,75 для этихрежимов одинакова, а существенные отличия наблюдаются для капель крупныхразмеров (диаметры которых больше 20 мкм). Их концентрация для начальнойвлажности 5,4% практически в 2 раза выше, чем для режима с y0 = 3,4%. Это впервую очередь связано с наличием тонкой водяной пленки на вогнутойповерхности лопатки. При начальной влажности y0 = 8,4% по мере удаления отвыходной кромки на расстояние z = 0,1b двухпиковая структура распределениятрансформируется в однопиковую.
Существенное различие в характере поведениярассматриваемой характеристики для этого режима относительно двух других172возможно связано с особенностями механизмов разрушения дискретных частиц(об этом будет показано ниже).На расстоянии z = 0,2b от выходной кромки, в области стабилизациидисперсного состава жидкой фазы режимам с начальными влажностями y0 = 3,4%и y0 = 8,4% соответствуют два различных по своему характеру распределения.Для y0 = 3,4% максимум расположен в области мелких капель (при ν = 0,85), а дляy0 = 8,4% - в области крупнодисперсной влаги (при ν = 0,62). В то же время режимс начальной влажностью y0 = 5,4% занимает промежуточное положение –присутствует пик, как в зоне мелких частиц, так и в зоне крупных.
Подобныеразличия так же могут быть связаны с различным проявлением механизмовдробления влаги в закромочной области.В зоне интенсивного уменьшения средних размеров капель ( = 0,05 −0,08) значение числа Вебера для капель составляет We = 13, а критическоезначение - Weкр = 12. Условие We > Weкр подтверждает предположение о том, чтов закромочной зоне имеют место процессы активного дробления влаги.
На основеанализа чисел Вебера можно говорить о характере разрушения капель. Всоответствии с [117] в данном случае может реализоваться 2 механизмадробления:Деформационное разрушение (см. Рисунок 4.13, а). Под действиемсилы аэродинамического сопротивления капля деформируется, при этом величинаперепада давлений паровой фазы на центральную часть капли увеличивается.Силы поверхностного натяжения уменьшают толщину центральной части капли,а жидкость перемещается к ее краям.
Это приводит к «разделению» капли нанесколько крупных. Данный механизм разрушения не приводит к полномудроблению капли и служит лишь промежуточным этапом в формированииполидисперсной дискретной среды за выходной кромкой лопатки.«Мешковое» разрушение (см. Рисунок 4.13, б). Под действиемвнешних сил происходит деформация капли, вследствие чего формируетсякольцо, из него потоком «выдувается» мешок, который разрушается основным173потоком.
Процесс дробления сопровождается образованием мелкодисперснойвлаги, чем может объясняться резкое уменьшение размеров в области выходнойкромки сопловой лопатки ( = 0,05 − 0,08 на Рисунке 4.11). После разрушениямешка, кольцо порождает поток крупных капель. Важно отметить, что последробления капли подобным образом, могут интенсифицироваться процессыкоагуляции дискретных частиц ввиду существенного различия в скоростныххарактеристиках образованной влаги и ее высокой концентрации.Рисунок 4.13.Схемы разрушения капель.
а: вибрационное; б: «мешковое»Для получения достоверных данных о процессе изменения дисперсногосостава влаги в кромочном следе необходимо учитывать также такие эффекты каккоагуляция капель, а также конденсация пара на поверхности дискретнойчастицы, чего в данном анализе сделано не было.На Рисунках 4.14 – 4.16 представлены распределения концентрации капельна траектории, исходящей из точки 3, в зависимости от их коэффициентовскольжения и относительного расстояния от выходной кромки. Данныехарактеристики довольно полно отражают характер изменения дисперсногосостава влаги в кромочном следе по мере ее разгона основным потоком. Напредставленных картинах также синей линией отложены средние коэффициенты174скольжения для каждой точки на траектории (см.
Рисунок 4.9), которымсоответствуют осредненные по концентрации размеры частиц (см. Рисунок 4.11).Важно отметить несколько некорректный с математической точки зрения подходк визуализации полученных данных – производилось сглаживание сплошнымсплайном [83] дискретных статистических данных, собранных в интервалахгруппирования экспериментальных результатов. Таким образом, в данном случаеэти распределения представляют собой в первую очередь качественную картинуизменения скоростных (а с ними и дисперсного состава влаги) характеристикпотока дискретных частиц в закромочной области.На основе представленных данных можно судить о влиянии начальнойвлажности пара перед исследуемой решеткой на процессы, протекающие вкромочном капельном следе.
При y0 = 3,4% вследствие активного дроблениякапель на расстоянии z = 0,12b начинает проявляться дополнительный пик вобласти коэффициентов скольжения ν = 0,8, что свидетельствeт о присутствии впотоке мелких капель, размеры которых ниже 20 мкм. По мере дальнейшегоудаления от выходной кромки их концентрация продолжает расти – происходитперераспределения концентраций частиц. С увеличением начальной влажностипик, соответствующий мелким каплям, начинает исчезать с распределений: еслипри y0 = 5,4% существует зона проявления быстрых (по отношению косредненным данным), а следовательно и мелких частиц, то при y0 = 8,4% онипрактически не наблюдаются. Возможно, подобное поведение скоростныххарактеристик капель в потоке связано с влиянием их концентрации. При малыхзначениях начальной влажности доля крупных капель в кромочном капельномследе значительно меньше, чем при больших величинах y0.
Как показано в [65],именно концентрация частиц больших диаметров в полидисперсном потокеявляется основным критерием интенсификации процессов коагуляции частиц. Сростом начальной влажности мелкие частицы, образованные в результатеразрушения более крупных капель на раннем участке траектории впоследствиипоглощаются медленной крупнодисперсной влагой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
