Диссертация (1143334), страница 33
Текст из файла (страница 33)
128. Завихрители с эвольвентными канавками (3, 6, 9, 12)и углом закрутки 1800Размеры канавок составляли 2×2 мм при длине всей вставки 200 мм, причемугол закрутки канавок равнялся φ =650 для всех вставок. Интенсивность закрутки229потока определялась числом канавок на внутренней поверхности вставок, равным 3,6, 9, 12, 22 и 30. В качестве энергетической характеристики интенсивности закруткииспользовалось соотношение между кинетической энергией закрученной части потока и энергией поступательного (осевого) потока на выходе из завихрителя [143].ε = (tg φ)2 nf/F0; tg φ = Uφ/U0(5.1)где n – число канавок завихрителя;f и Fo – значение суммарной площади поперечного сечения канавок и цилиндрического канала;Uφ и Uo – тангенциальная и осевая скорости потока.Гидравлические характеристики вставок-завихрителей находились по измерениям перепада давления в уравнении Дарси-Вейсбаха для однофазного потока:ξ = 2 (d / L) (Δp/ρUо2)(5.2)где ξ – коэффициент гидравлического сопротивления (КГС) вставки;d и L – гидравлический диаметр и длина вставки.На рис.
129 приведены значения КГС вставок-завихрителей с различным числом канавок в диапазоне чисел Рейнольдса Re=U0d / ν от 104 до 2×105Рис. 129. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивлениявставки-завихрителя от числа Rе(1, 2, 3 – вставки с числом канавок 6, 12 и 22; 4 – вставка с гладкими стенками; 5 – винтоваявставка с относительным шагом, соответствующим углу закрутки =65)230Полученные данные по КГС обобщены степенной зависимостью:ξ /ξо = 1 + 2,65ε0,25(5.3)где ξо – КГС для вставки с гладкой внутренней поверхностью (без закруткипотока), практически совпадающей с формулой Блаузиса ξ о = 0,316 / Re0,25 .Здесь же приведены значения КГС для труб с винтовой вставкой, рассчитанные для относительного шага закрутки, соответствующего углу φ=650.Вставка-завихритель придает газо-жидкостному потоку вращательно-поступательноедвижениесинтенсивностью,определяемойчисломканавоки расходной скоростью потока.
При снарядном режиме течения из жидкостнойпробки формируется пристенный слой вдоль внутренней поверхности канала, т. е.режим течения становится близким к дисперсно-кольцевому [144].Для образования устойчивого кольцевого слоя жидкости требуется определенная тангенциальная (окружная) скорость Uφ закрутки, зависящей при выбранном угле закрутки от осевой скорости потока U0 или числа Рейнольдса жидкойфазы.
Минимальное значение Rem для выполнения этого условия можно оценить изаналитического выражения скорости вращения при получении полых заготовок впроцессах центробежного литья. В терминах двухфазного газо-жидкостного потока при равенстве истинного и объемного газосодержания условием образованияустойчивого кольцевого слоя в горизонтальном канале служит выражение:Rem > (1,2 π / tg φ) [gRo3 (1–0,14β)] / ν2 β0,5(5.4)где β – объемное газосодержание;Ro – радиус канала;g – ускорение силы тяжести;φ – угол закрутки потока на выходе вставки-завихрителя;ν – кинематическая вязкость жидкости.Для условий опытного стенда с диаметром 40 мм и углом закрутки потокаφ=650 значения Rem составляло от 3,9 × 104 до 2,6 × 104 с увеличением объемногогазосодержания от 0,2 до 0,7.
Полученные значения Rem характеризуют равновесный режим взаимодействия слоя жидкости с газовой областью, которая образуется231в центральной части канала. Процесс сепарации (разрушения) жидкостной пробкитребует большей интенсивности закрутки и, следовательно, больших значений чисел Rem.Измерения значений вибрации трубопровода осуществлялись на вертикальныхучастках за вставкой-завихрителем непосредственно за поворотным коленом. Заметноевлияние закрутки двухфазного потока на уменьшение уровня вибраций наблюдалосьпри Re > 105. Как видно из рис.
130, характер изменения СКЗ виброперемещений определяется значениями газосодержания потока β и числом канавок вставки-завихрителя.Рис.130. Относительное снижение средне-квадратичных значений вибраций трубопровода опытного стенда в зависимости от газосодержания потока и типа вставки при Re 4 х 104Полученные данные аппроксимировались в виде СКЗ виброперемещенийучастка трубопровода с различными вставками-завихрителями δ по отношениюк соответствующим значениям СКЗ для гладкой вставки δ 0 в виде:δ /δ0 =1– 6,75 Red-0,15 β-2ε ε; Re = 4G/πdν(5.5)где G – объемный расход жидкости; d- диаметр трубопровода.Кривые, представленные на графике, демонстрируют, что величина относительного перемещения δ/δ0 существенно снижается при использовании вставок-завихрителей с большим числом канавок.
Это объясняется более эффективным разрушением ламинарного подслоя жидкости и более равномерным рассредоточением232ее объема по внутренней и внешней стенкам трубопровода в повороте, что снижаетградиент давления жидкости внутри трубы.В диапазоне изменения расхода жидкости с Re=4×105….. 2×106 и объемногогазосодержания β = 0,1….0,7 погрешность обработки данных по формуле (5.5) непревышала 25 %.Исследование внутренней структуры теплоносителя методом трассерной велосиметрии (PIV-метод)Значение в формуле (5.5) характеризует начальную энергию закрученногопотока непосредственно за вставкой -завихрителем, которая расходуется не толькона разрушение жидкостных пробок двухфазного потока, но и на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления из-за вращательной составляющейскорости в пристенной области в направлении течения.
Эти факторы проявляютсяв снижении эффективности закрутки потока на уровень вибраций трубопровода свозрастанием числа Re.Для исследований внутренней структуры завихрения по сечению трубопроводав 2016 г. в УрФУ был создан лазерный экспериментальный стенд с принудительнойциркуляцией теплоносителя и впрыском воздушной смеси для формирования различных режимов двухфазного течения (рис.131) [146].Рисунок 131. Схема экспериментальной установки. 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.233Стенд 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 104- 106, что обеспечивает применимость полученных результатов для анализа аэродинамики установок реального масштаба.
Диагностика закрученного потока осуществлялась методом цифровой трассерной визуализации (PIV). МетодPIV - полевой оптический метод измерения полей скорости жидкости и газа. Дляизмерения полей скорости в интересующих сечениях модели применялась PIV- система «Полис», разработанная в ИТ СО РАН.Система позволяет измерять две компоненты вектора скорости одновременново всем заданном сечении (D 50 мм). «Полис» включает в себя: двойной импульсный Nd:YAG -лазер Quantel EVG с энергией в импульсе 145 мДж; объектив дляформирования лазерного ножа;цифровую кросскорреляционную камеру Ви-деоскан 4021 с разрешением 2048*2048 пикселей; широкоугольный объективNikon 28mm F/2.8D; синхронизирующий процессор; персональный компьютер спрограммным обеспечением Actual Flow.Расчетно-теоретические и экспериментальные данные, полученные настенде, необходимо было проанализировать с помощью более совершенных методов и инструментов исследований микропотоков.
Для верификации результатовматематического моделирования в рамках данной задачи рассматривалось несколько методик с точки 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 визуализации (particle image velocimetry, PIV).Из рассмотренных методов только последний удовлетворял требованиямпоставленной задачи. Он позволяет измерять поля скорости в каналах субмиллиметрового размера с разрешением векторного поля до 2-5 мкм/вектор в сечении,толщиной всего несколько микрон.
Метод PIV(цифровая трассерная визуализация)234–оптический метод измерения мгновенных полей скорости жидкости или газа в выбранном сечении потока. Импульсный лазер создает тонкий световой нож и освещает мелкие частицы, взвешенные в исследуемом потоке. Положение частиц в момент двух последовательных вспышек лазера регистрируются на два кадра цифровой камеры. Скорость потока определяется расчетом перемещения, которое совершают частицы за время между вспышками лазера. Определение перемещения основано на применении корреляционных методов к трассерным картинам с использованием регулярного разбиения на элементарные области.Источником световых импульсов в данной схеме является лазер, который состоит из излучателя и системного блока. В излучателе расположены: 2 лазерныхрезонатора, 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 лампнакачки лазера, система охлаждения лазера и блок управления работой лазера. Фокусное расстояние оптической системы может меняться от 0,3 до 0,6 м. При этомтолщина лазерного ножа меняется от 0,5 до 3 мм. Схема измерительного комплекса, примененного на экспериментальном стенде, показана на рис.132..Рисунок 132. Схема измерительного комплекса «Полис» в составе лазерной установки, приемной камеры, синхронизатора, ПЭВМ-обрабатывающего комплексаРегистрация отраженных оптических импульсов осуществляется кросскорреляционной камерой, которая предназначена для двукратной регистрации трассерных235картин в потоке и может работать как в двухкадровом, так и в однокадровом режиме. Временная задержка между вспышками лазера при двухкадровом режимерегистрации кадров может варьироваться от 10 мкс до 259 мс.Турбулентность двухфазного и однофазного потоков представляет собойчрезвычайно сложный объект для исследования с очень большим количеством степеней свободы и обычно характеризуется широкополосным набором различныхкомпонент движения внутренних сил, среди которых существенную роль играютмелкомасштабные и высокочастотные составляющие, измерение которых подразумевает высокое пространственное и частотное разрешение используемого метода.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
