Характеристики и структура низконапорного двухфазного потока в плоских соплах при истечении жидкости в разреженную среду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Характеристики и структура низконапорного двухфазного потока в плоских соплах при истечении жидкости в разреженную среду

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Коченков Азат Геннадьевич

Казань 2008

Работа выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Гортышов Ю.Ф.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Глебов Г.А.

доктор физико-математических наук, профессор Зарипов Ш.Х.

Ведущая организация - Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН, г. Казань

Защита состоится «27» февраля 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул.К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Автореферат разослан 23 января 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

Общая характеристика работы

Актуальность темы (в научном руководстве работой принимал участие к.т.н. доцент Тонконог В.Г.)

Течение капельной жидкости в каналах различной геометрии может сопровождаться фазовыми переходами, если в потоке создаются условия для зарождения и развития паровой фазы. Такие условия могут иметь место в случае течения жидкостей из состояний лежащих выше левой пограничной кривой в двухфазную область состояний. В общем случае фазовые переходы в таких процессах происходят с нарушением термического и динамического равновесия. Поток капельной жидкости превращается в гетерофазный поток, содержащий жидкую, паровую, а иногда и твёрдую фазы.

Исследованию двухфазных потоков уделяется достаточно много внимания вследствие их широкого практического приложения, например в аэрокосмических системах, энергетике, в химических производствах при переработке углеводородного сырья и т.д. Достаточно большое количество работ посвящено изучению процессов высоконапорного истечения жидкостей, характеризующихся давлениями много больше атмосферного и величиной относительного расхода j > 2•10⁴ кг/м²с. Для определения характеристик двухфазного потока предлагаются расчётные методики, базирующиеся на моделях гомогенного и гетерогенного образования и дающие удовлетворительное согласование с экспериментальными данными по критическому расходу, импульсу тяги, паросодержанию. Распространение существующих расчётных схем на область низконапорного истечения (истечение жидкостей в разреженную среду, при начальных давлениях порядка 10⁵Па и менее) затруднительно, поскольку для таких процессов практически отсутствуют данные по структуре потока, механизму парообразованию, режиму течения.

На сегодняшний день разработан ряд математических моделей, с удовлетворительной точностью определяющие интегральные характеристики потоков с фазовыми переходами. При проектировании различного массообменного оборудования требуется информация о локальных характеристиках потоков (частота зарождения паровых пузырей, скорость их роста и т.п.). При высоконапорном истечении экспериментальное измерение таких характеристик затруднительно вследствие высоких скоростей потока. Экспериментальные данные по локальным характеристикам низконапорных потоков, где скорости значительно меньше, могут стать базисом математических моделей для проектирования различных массообменных устройств.

Таким образом, исследование низконапорного истечения жидкости в разреженную среду с целью получения информации о структуре потока, механизме парообразования, расходных и локальных характеристиках потока в соплах является актуальной задачей.

Цель работы - режимы течения и структурные формы потока, условия критического истечения, интегральные и локальные характеристики двухфазного потока, образующегося в процессе низконапорного истечения воды в разреженную среду, обобщающие зависимости для определения критического расхода жидкости и локальных характеристик потока.

Задачи исследования:

1. Спроектировать и создать стенд для исследования структуры и характеристик двухфазного потока, образующегося при низконапорном адиабатном течении жидкости в плоских соплах.

2. Разработать методику измерения локальных характеристик двухфазных потоков вскипающих жидкостей.

3. Выполнить комплексное экспериментальное исследование характеристик низконапорного двухфазного потока при истечении жидкости из сопел в разреженную среду.

4. Определить характерные структурные формы потока при низконапорном истечении, их зависимость от режимных параметров, а так же установить механизмы зарождения новой фазы при соответствующих структурных формах потока.

5. Определить влияние режимных параметров потока и геометрии канала на критический расход жидкости и локальные характеристики фаз по длине сопла.

6. Предложить расчётные зависимости для определения критического расхода и локальных характеристик потока при низконапорном истечении жидкости в разреженную среду.

Научная новизна работы:

1. Создан оригинальный экспериментальный стенд для исследования характеристик и структуры двухфазного потока при низконапорном истечении жидкости в разреженную среду.

2. Разработан и апробирован способ определения локальных характеристик низконапорного двухфазного потока вскипающей жидкости в плоских каналах на основе обработки результатов фото- и видеорегистрации потока.

3. Установлено, что при низконапорном истечении жидкости процесс носит нестационарный периодический характер; нестационарность процесса обусловлена механизмом зарождения паровой фазы, а именно в центрах турбулентных вихрей, генерируемых в потоке жидкости.

4. Определены критические и докритические режимы течения двухфазной среды и соответствующие им структурные формы потока.

5. Определены локальные характеристики вихревого движения двухфазного потока: частота образования вихрей, скорость движения и циркуляция вихрей.

6. Предложены обобщающие зависимости для определения критического расхода и локальных характеристик потока в процессах низконапорного адиабатного расширения жидкости.

Практическая ценность результатов работы: Полученные результаты позволяют определять локальные и интегральные характеристики двухфазного потока при проектировании и разработке вакуумных систем, эксплуатации ракетно - космической техники в условиях низконапорного истечения в разреженную среду, а так же прогнозировать безопасную и управляемую работу энергооборудования.

Автор защищает:

1. Результаты исследования механизма парообразования и структуры двухфазного потока образующегося в процессах низконапорного адиабатного течения воды в соплах.

2. Экспериментальные данные по условиям критического и докритического низконапорного истечения воды в каналах переменного сечения .

3. Результаты экспериментального определения локальных характеристик потока (частота вихреобразования, циркуляция вихря, размер и динамика роста паровых кластеров в центре вихря)

4. Критериальные зависимости для расчёта критического расхода и локальных характеристик низконапорного двухфазного потока в разреженную среду.

Личный вклад автора в работу. Автором спроектирован и создан экспериментальный стенд для исследования процессов низконапорного истечения жидкости в разреженную среду, проведены экспериментальные исследования, апробирован способ определения локальных характеристик потока, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные, выполнено обобщение полученных результатов.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 публикация в журнале, рекомендованном ВАК РФ для опубликования.

Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех глав и списка использованной литературы. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 3 таблицы. Список литературы включает 131 наименование.

Апробация работы: Основные материалы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах, проводимых кафедрой ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева, а так же на международной конференции "Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений". г.Жуковский, ЦАГИ; VI школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова г.Казань; XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, Москва-Новосибирск; международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения"; международной молодежной научной конференции "XIV Туполевские чтения", XVI Школе семинаре молодых учёных и специалистов под рук. ак. РАН А.И. Леонтьева г. Санкт - Петербург.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы и формулируется цель исследования, изложены основные научные результаты и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведён обзор современного состояния вопроса по особенностям течения внутренних потоков в каналах переменного сечения, условиям и механизмам зарождения паровой фазы в жидкости, моделям течения и экспериментальным исследованиям параметров двухфазных потоков других авторов, формулируются задачи исследования.

Из анализа литературных данных следует, что в экспериментальном плане наиболее полно изучено высоконапорное течение вскипающих жидкостей через каналы различной геометрии. Подавляющее число опытов выполнено для случая истечения воды.

В литературе приводятся математические модели, описывающие характеристики высоконапорных потоков, которые отличаются строгостью допущений: поток замороженного состава, поток со скольжением фаз, модель неравновесного гетерофазного потока. Эти модели дают удовлетворительное согласование с экспериментальными данными по интегральным характеристикам потока. Для определения локальных характеристик потока эти модели требуют знания реальных механизмов межфазных взаимодействий или привлечения эмпирической информации.

Для определения критического расхода высоконапорного потока вскипающих жидкостей через каналы различной геометрии предлагаются критериальные уравнения, учитывающие влияние параметров процесса и геометрии канала на величину расхода.

В литературе имеется ограниченное количество работ, посвящённых исследованию низконапорного истечения жидкости в разреженную среду, большинство из которых посвящено определению достижимого перегрева жидкости [Исаченко В.П., Мальцев А.П., Балунов Б.Ф. и др.]. Среди работ по исследованию характеристик и структуры низконапорного потока вскипающей жидкости в цилиндрических каналах и соплах можно выделить лишь единичные работы [Малаховский И.В., Муравьев И.Ф.]. Установлено, что существующие зависимости для определения критического расхода высоконапорных потоков непригодны для случая низконапорного истечения вскипающей жидкости. Одной из возможных причин данного явления называется недостаточная информация о механизмах образования паровой фазы.

В конце первой главы дана постановка задач исследования.

Во второй главе дано описание экспериментального стенда, разработанного и изготовленного в соответствии с требованиями поставленных задач, представлена методика измерения характеристик потока, их обработки и приводится оценка погрешности измерений.

Стенд выполнен по схеме разомкнутого расходного контура (рис. 1) и состоит из трёх основных элементов: расходного бака с вмонтированными нагревателями, средствами измерения температуры жидкости и уровнемером; рабочего участка с исследуемым каналом; системы создания разряжения, включающего сепаратор и вакуумный насос РВН - 75. В ходе проведения опытов измерялась температура жидкости в расходном баке, давление на входе и выходе из рабочего участка, а так же вдоль оси канала, расход жидкости. В опытах проводилась непрерывная фото- и видеорегистрация потока в проходящем свете в канале и за срезом. Объектом исследований являлись плоские сопла, установленные горизонтально и отличающиеся геометрией расширяющейся части. Длина сужающейся части исследуемых сопел 20 мм, угол раствора 30⁰. Геометрия расширяющейся части каналов представлена в таблице. Боковыми стенками исследуемых каналов являлись плоские стёкла рабочего участка.

Номер сопла	Высота*ширина минимального сечения, мм	Угол раствора, , град	Степень расширения
1	2*4	6	8
2	2*4	12	17
3	2*4	12	27
4	2*4	17	27

В качестве рабочей жидкости использовались дистиллированная и техническая вода. При видеосъёмке для усиления контрастности изображения в воду добавлялся краситель - перманганат калия в количестве 0,05 гр/литр. В ходе тестовых опытов влияние добавок перманганата калия и качества воды на характеристики и структуру потока не обнаружено.

Экспериментальное исследование структуры и параметров низконапорного двухфазного потока, образующегося в процессах адиабатного расширения воды, проводилось для случая, когда на вход в канал поступала капельная жидкость (паросодержание объёмное =0). Начальное давление р₀ в опытах поддерживалось на уровне 80±3 кПа. Начальная температура жидкости t₀ задавалась в диапазоне 3 - 70 ⁰С, противодавление p₁ в диапазоне 8 - 72 кПа.

Проведена оценка погрешности измерения характеристик потока: расхода G (G = 3,5 %), температуры t (t = 2,1 %), давления p (p = 1,5 %), частоты вихреобразования х (х = 3,5 %), скорости дрейфа W (W = 6,8 %) и угловой скорости вращения вихря щ (щ = 16,4 %).

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований структуры, расходных и локальных характеристик низконапорных двухфазных потоков при течении вскипающей воды в плоских соплах в разреженную среду. Проведён анализ влияния режимных параметров и геометрии каналов на механизм зарождения паровой фазы, критический расход и локальные характеристики двухфазного потока.

По результатам фото - и видеорегистрации потока выявлены три основные структурные формы потока, которые реализуются в плоском сопле. Определяющим условием реализации той или иной структурной формы является относительный перепад давлений в = р₁/р₀. При истечении жидкости через сопло в разреженную среду с в > 0,65 - 0,7 в расширяющейся части происходит отрыв потока от верхней образующей, наблюдается расслоённое волнообразное движение жидкости вдоль нижней образующей (рис. 2а). По мере уменьшения в точка отрыва потока смещается к срезу сопла.

При уменьшении в до значений равных 0,65 - 0,7 во всём тракте канала, за исключением области горла, наблюдается сплошный поток капельной жидкости. В области горла сопла образуются отрывные зоны (рис. 2б). Форма отрывных зон и их количество зависит от угла раствора сопла. В сопле с углом раствора 6⁰ наблюдались две отрывные зоны, по одной у каждой образующей. Они имеют плоскую вытянутую форму и занимают незначительную часть площади поперечного сечения. Увеличение угла раствора приводит к увеличению объёма отрывных зон. Из литературных данных известно, что увеличение угла раствора сопла более 10⁰ приводит к вырождению одной из отрывных зон [Чжен П.]. В опытах, вследствие влияния массовых сил, в сопле с углом раствора 12⁰ объём нижней зоны отрыва был меньше, чем объём верхней. В сопле с углом раствора 17⁰ наблюдалась только одна отрывная зона, что совпадает с опытными данными в работе П. Чжена. В точке присоединения потока часть жидкости устремляется в отрывную зону, где сворачивается в вихрь. По мере поступления жидкости в отрывную зону диаметр вихря увеличивается, что приводит к оттеснению основного потока жидкости к противоположной образующей (рис. 3). В опытах наблюдался периодический срыв вихрей из отрывных зон. Вследствие колебания центрального потока жидкости, периодического отрыва вихрей из отрывных зон и их уноса течение жидкости имеет нестационарный периодический характер. Разворот сопла на 90⁰ вокруг оси не повлиял на расход жидкости и частоту образования вихрей. Влияние массовых сил сказывалось только на размерах отрывных зон и образующихся в них вихрях. Уменьшение в до величины, менее 0.6 - 0.65 приводит к появлению в ядре вихрей вращающихся паровых кластеров, состоящих из одного большого парового фрагмента и группы малых пузырёй, окружающих его (рис. 2в).

При противодавлениях превышающих давление насыщения p_s(t₀) на 3 - 5 кПа, в расширяющейся части сопла за минимальным сечением на стенках образовывается паровая фаза. За горлом сопла наблюдается ярко выраженный фронт испарения (рис. 2 г), который совершает колебательные движения от одной образующей к другой. За фронтом испарения наблюдается развитый двухфазный поток. На некотором удалении от горла происходит конденсация паровой фазы с образованием фронта конденсации (рис. 2.г), за которым имеет место поток капельной жидкости с вихрями. В ядрах вихрей чётко прослеживаются паровые кластеры. При дальнейшем уменьшении противодавления положение фронта конденсации смещается к срезу сопла. Истечение жидкости с противодавлением менее давления насыщения характеризуется тем, что за фронтом испарения наблюдается развитый гетерофазный поток практически во всей расширяющейся части сопла. низкопарный вскипающий жидкость



Рис 2. Структура потока при истечении воды в разреженную среду с противодавлением более давления насыщения (p₁ > p_s(t_o)). Направление потока слева - направо. Угол раствора сопла б=12⁰. а - t₀ = 46 ⁰C, p₀=80 кПа, p₁=73,1 кПа; б - t₀ = 44,3 ⁰C, p₀=81 кПа, p₁=52 кПа; в - t₀ = 43 ⁰C, p₀=80 кПа, p₁=32,6 кПа; г) t₀ = 46 ⁰C, p₀=80 кПа, p₁=20,3 кПа

Рис. 3. Унос вихря из отрывной зоны в области горла и отклонённый им центральный поток жидкости (фотография увеличена). Сопло: б = 12⁰, F_ср/F_г = 17. Вода, t₀ = 30C, p₀=79900Па, p₁ = 21478 Па



Рис. 4. Структура потока при истечении воды в разреженную среду с противодавлением менее давления насыщения (p₁ < p_s(t_o)). Угол раствора сопла 12⁰. а - t₀ = 70 ⁰C, р₀ = 80 кПа, p₁ = 27 кПа; б - t₀ = 70 ⁰C, p₀ = 80 кПа, p₁ = 8 кПа

Длина фронта испарения зависит от начального перегрева жидкости. В экспериментах установлено, что фронт испарения совершает колебательное движение, сопровождающееся прилипанием жидкости к образующим (рис. 4а). Вследствие динамической неустойчивости на некотором удалении от горла сопла происходит разрушение центральной жидкой струи, с образованием фрагментов и капель различного размера. При течении жидкости с малым перегревом в пристеночном слое наблюдается жидкая плёнка. В зависимости от перегрева жидкости толщина жидкой плёнки составляет от долей миллиметра до 1-3 мм. При больших перегревах пристеночной плёнки жидкости в расширяющейся части сопла не наблюдается (рис. 4б).

Таким образом, при истечении жидкости в разреженную среду можно выделить три основные структурные формы:

§ Расслоенная структура - при в>0,65 - 0.7;

§ Вихревая структура - при в ? 0,65 - 0.7, но при р₁>р_s(t₀);

§ Развитый двухфазный поток - при противодавлении р₁?р_s(t₀).

Распределение осреднённого во времени статического давления по длине сопла для различных режимов течения представлена на рис. 5. Отбор статического давления осуществлялся на плоской образующей по оси канала. На всех режимах имели место пульсации давления.

Градиент давления в расширяющейся части сопла практически отсутствует. При истечении жидкости с противодавлением р₁ < p_s(T₀) в расширяющейся части сопла за горлом имеет место развитый двухфазный поток. При таком режиме истечения в сопле механизм зарождения паровой фазы связан с такими факторами как: генерирование пузырей в турбулентных вихрях, струйной неустойчивостью (разрешение струи вследствие её колебаний) и срывом капель с поверхности.

В потоке с вихревой структурой, осреднённое статическое давление в расширяющейся части сопла превышает давление насыщения. Но существование паровых кластеров возможно вследствие локального понижения давления в ядре вихря. В литературе приводится соотношение для определения разности давления между ядром вихря и основным потоком жидкости [Прандтль Л.]:

(1)

где: р₀ и р_m - давление в невозмущённом потоке и в ядре вихря, соответственно, Па; с - плотность жидкости, кг/м³; Г - циркуляция вихря, рад^*м²/сек; r - радиус вихря, м. Следовательно, при низконапорном истечении жидкости в разреженную среду, с противодавлением в интервале от в?0,6 до p₁?p_s(T₀), в сопле реализуется вихревой механизм зарождения. Паровая фаза образуется в ядре вихрей, генерируемых в отрывных зонах.

Рис. 5. Эпюра распределения статического давления по оси расширяющейся части сопла. Сопло: б = 12⁰, F_ср/F_г = 27. а - t₀ = 51⁰C, р₀ = 82 кПа, p₁ = 9,2 кПа; t₀ = 47⁰C, р₀ = 83 кПа, p₁ = 37 кПа

В результате анализа опытных данных установлено, что в исследуемом диапазоне режимных параметров и геометрии каналов имеет место критический режим истечения жидкости по расходу, т.е. расход жидкости при неизменных начальных параметрах потока не зависит от противодавления (рис. 6). Критический режим истечения наступает при в = 0,65 - 0,7, что согласуется с результатами Малаховского И.В. Из совместного анализа экспериментальных данных по расходу и структуре потока установлено, что критическому режиму истечения жидкости в разреженную среду соответствуют вихревая структура и структура развитого двухфазного потока. Докритический режим истечения характеризуется расслоенной структурой потока. Величина расхода, при такой структуре, зависит от перепада давления.

При критическом режиме истечения сечение (область потока) лимитирующее расход располагается за горлом сопла в расширяющейся части канала. В этой области происходит формирование двухфазного потока, имеющего дисперсную или пузырьково - вихревую структуру. Формально можно считать, что скорость потока в этой области достигает скорости звука. Из опытных данных следует, что среднерасходная скорость потока в этой области соответствует расчётным значениям скорости звука в двухфазной среде при ц = 0,5, рассчитанная по уравнению [Токноног В.Г.]:

(2)

Так среднерасходная скорость потока в горле W_г = 16,6 м/с (при р₀ = 80 кПа, t₀ = 17 ⁰С), а W_кр = 17,1 м/с.

На критический расход жидкости оказывают влияние режимные параметры и геометрия канала. При неизменном начальном давлении понижение начальной температуры жидкости приводит к увеличению её плотности, критическая скорость потока увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Удельный расход воды при истечении в разреженную среду. Сопло, б = 12⁰. ¦ - t₀ = 3⁰С, р₀ = 80 кПа; ? - t₀ = 45⁰С, р₀ = 80 кПа; ^ - t₀ =70⁰С, р₀ = 80 кПа; Ў - эксперимент Малаховского И.В., t₀ = 94⁰С, р₀ = 97 кПа

Рис. 7. Влияние относительной длины расширяющейся части сопла на удельный расход

В исследуемом диапазоне длин расширяющейся части сопла (22<l/d_экв<100) величина критического расхода не зависит от длины сопла (рис. 7). Это согласуется с экспериментами по высоконапорному истечению других авторов, в которых установлено, что влияние длины проявляется в каналах с l/d<3.

На рис. 8 приведена зависимость удельного расхода жидкости от угла раствора сопла. При низконапорном истечении максимальный критический расход устанавливается в сопле с углом раскрытия 9 - 10⁰. Из работ П. Чжена известно, что пульсации течения в таком сопле достигают максимальных значений. Интенсивность пульсаций связана с образованием, ростом и уносом вихрей в области горла сопла. При течении жидкости в сопле с углом раствора менее 9⁰ имеет место снижение величины критического расхода, т.к. поток в сопле находится в стеснённых условиях. В сопле с углом раствора 6⁰, наблюдались отрывные зоны, генерирующие вихри, но вследствие стеснённости площадь поперечного сечения, которую они занимают, составляет порядка 10% от площади проходного сечения. В потоке наблюдались пульсации давления, амплитуда которых увеличивалась с увеличением угла раствора сопла. Это явление обусловлено изменением размеров вихрей, образующихся в отрывных зонах. Максимального значения амплитуда колебаний принимает в сопле с углом раствора 9 - 10⁰. Дальнейшее увеличение угла раскрытия приводит к вырождению одной из отрывных зон. В результате диаметр вихрей срывающихся поочерёдно с верхней и нижней образующей различен. Для образования вихря в верхней отрывной зоне затрачивается больше времени. Колебания центральной жидкой струи происходит преимущественно вблизи нижней образующей сопла, период колебаний центральной жидкой струи увеличивается. Вырождением одной из отрывных зон объясняется уменьшение критического расхода при увеличении угла раствора сопла более 9 - 10⁰. В сопле с углом раствора 17⁰ наблюдалась только одна отрывная зона. Течение основного потока жидкости осуществлялось вдоль одной из образующих сопла. Пульсации давления в таком сопле практически вырождаются.

Рис. 8. Влияние угла раствора сопла на удельный расход

В экспериментах исследовались локальные характеристики двухфазного потока, которые определялись по разложению полученного видеоизображения на кадры. Временной интервал между кадрами составлял 0,04 с.

На рис. 9 приведена зависимость частоты образования вихрей от удельного критического расхода жидкости. Частота образования вихрей определялась по числу вихрей, проходящих сечение среза сопла за определённый промежуток времени. Из работы Л. Прандтля известно, что при равенстве скоростей на внешней поверхности вихря и на поверхности основного потока жидкости, омывающего его, рост вихря прекращается и происходит его отрыв. Увеличение критического расхода в канале с неизменной геометрией приводит к увеличению частоты вихреобразования. В условиях опытов максимальная частота вихреобразования устанавливалась в сопле с углом раствора 6⁰, см. рис. 9.

С увеличением угла раствора сопла увеличивается объём отрывных зон. В результате увеличивается время на создание вихря. Снижение критического расхода в сопле с углом раствора более 10⁰ приводит к снижению частоты вихреобразования. При разбиении видеоизображения потока, с развитой гетерофазной структурой на кадры установлено, что пристеночная плёнка жидкости не является сплошной (рис. 4а), что обусловлено поочерёдным срывом фрагментов плёнки с верхней и нижней образующей сопла. Установлено, что частота срыва фрагментов плёнки с образующих сопла соизмерима с частотой образования вихрей при истечении жидкости с противодавлением p₁ ? p_s(T₀).

На рис. 10 представлены результаты сравнения среднерасходной скорости потока со скоростью движения центра вихря, определённой путём обработки видеоизображения. Поскольку скорость движения вихря практически не отличается от среднерасходной скорости потока, то при выполнении практических расчётов можно принимать скорость движения вихря равной среднерасходной скорости потока.

Результаты измерения угловой скорости вращения вихря на границе раздела фаз большого пузыря в кластере представлены на рис. 11, 12.

Рис. 9. Влияние удельного расхода жидкости на частоту образования вихрей в соплах с различными углами раствора

Рис. 10. Распределение скорости движения вихря по сечениям в расширяющейся части сопла

Динамика роста большого пузыря в кластере по длине расширяющейся части сопла представлена на рис. 13. По мере продвижения вихря по расширяющейся части сопла средний радиус центрального парового пузыря увеличивается. С уменьшением противодавления циркуляция вихря остаётся постоянной, в результате, согласно уравнению (1) давление в ядре вихря уменьшается. В момент образования вихря в отрывной зоне, перепад давления между основным потоком жидкости и ядром вихря недостаточен для зарождения паровой фазы. В области горла сопла за минимальным сечением происходит резкое уменьшение давления основного потока до величины, равной противодавлению. Именно на этом участке сопла происходит зарождение паровой фазы в ядре вихря. Дальнейшее продвижение вихря в расширяющейся части сопла сопровождается уменьшением его угловой скорости вращения, увеличением его диаметра и связанного с этим процесса дробления и коагуляции паровых образований. С увеличением начальной температуры жидкости увеличивается средний радиус центрального парового фрагмента (рис. 14).

Рис. 11. Распределение угловой скорости вихрей по длине расширяющейся части сопла в зависимости от начальной температуры жидкости

Рис. 12. Распределение угловой скорости вихрей по сечениям расширяющейся части сопла в зависимости от угла раствора сопла

Зависимость динамики роста парового пузыря в соплах с разными углами раствора приведена на рис. 15. В сечениях с равной площадью, при прочих равных условиях, средний диаметр больших пузырей в ядре вихря одинаков. В опытах зависимость скорости роста пузыря от удлинения сопла не обнаружена, т.к. в исследуемом диапазоне циркуляция вихря не зависит от длины расширяющейся части сопла.

Распределение по размерам пузырей, составляющих паровой кластер в ядре вихря, представлено на рис. 16. Диаметр центрального парового фрагмента существенно превосходит по размерам окружающие пузырьки (в три и более раз). Рост большого пузыря в кластере происходит как за счёт испарения в него жидкости, так и поглощение им более мелких пузырей, обусловленных действием массовых сил в вихре.

Результаты измерения локальных характеристик потока позволили установить следующее: на характер течения жидкости в сопле в разреженную среду оказывают влияние только гидродинамические факторы и геометрия канала. Действие сил гравитации сказывается на размере вихря и паровых кластеров. Вихрь, развивающийся у верхней образующей, превосходит по размерам вихрь, развивающийся у нижней образующей (см. рис. 2 в. и г.). В опытах с соплом, плоскость которого была развёрнута на 90⁰, расход оставался прежним, и образовывались вихри примерно одинакового размера.

Рис. 13. Увеличение среднего радиуса центрального пузыря в ядре вихря по длине сопла при разных противодавлениях

Рис. 14. Динамика роста среднего диаметра центрального парового фрагмента при движении вихря в расширяющейся части сопла в зависимости от начальной температуры жидкости

Рис. 15. Изменение площади поперечного сечения, занятой паровым пузырём, по длине расширяющейся части сопла

Рис. 16. Распределение пузырей по размерам в паровом кластере в ядре одного вихря. Измерения проводились по вихрям на срезе сопла. Сопло: б = 12⁰, F_ср/F_г = 27. Вода, t₀ = 3,8⁰C, р₀ = 80 кПа, p₁ = 21,5 кПа

В четвёртой главе предложены обобщающие зависимости для определения критического расхода и локальных характеристик двухфазного потока, образующегося в плоских соплах при низконапорном истечении вскипающей воды в разреженную среду. Обобщение проводилось с учётом, как собственных данных, так и данных других авторов.

Для определения критического расхода жидкости предложено следующее уравнение:

(3)

где: J_от - относительный удельный расход; j - удельный расход, кг/м²с; с' - плотность жидкости, кг/м³; W_кр - критическая скорость звука, рассчитанная по уравнению (2) при паросодержании ц=0,5, м/с; И=1-(р_s(t₀)/p₀) - относительный начальный недогрев жидкости; Sh = х*d_экв/W - число Струхаля, безразмерный параметр определяющий частоту пульсаций потока, вследствие образования вихрей. х - частота образования вихрей, Гц; d_экв - эквивалентный диаметр горла сопла, м; W - скорость потока в горле, м/с.

Уравнение (3) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±5% при доверительной вероятности 0,95 в интервале значения относительного недогрева И от 0,105 до 0,98. Результаты расчёта критического расхода по уравнению (3) представлены на рис. 17.

Для определения частоты вихреобразования при критическом режиме истечения воды в разреженную среду предложено уравнение:

(4)

где: h_ср и h_г высота среза и горла сопла соответственно, м; l - длина расширяющейся части сопла, м.

Зависимость (4) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±9% при доверительной вероятности 0,95 в интервале значения относительного недогрева И от 0,105 до 0,98. Результаты расчёта частоты образования вихрей по уравнению (4) представлены на рис. 18.

Рис. 17. Сравнение собственных экспериментальных данных и данных Малаховского И.В. со значениями, полученными по уравнению (3)

Рис. 18. Сравнение экспериментальных данных со значениями, полученными по уравнению (4)

Для определения среднего радиуса большого пузыря в ядре вихря в различных сечениях расширяющейся части сопла предлагается уравнение:

(5)

где: r_i - средний радиус пузыря в i-ом сечении расширяющейся части сопла, м; W_i - среднерасходная скорость потока в i-ом сечении, м/с; W_крг - критическая скорость потока в горле сопла при ц=0,5, м/с; И_i = 1-p_s(t₀)/ p_i - местный относительный недогрев; p_i - местное давление в i-ом сечении расширяющейся части сопла, Па (принимается равным противодавлению)

Зависимость (5) описывает с доверительной вероятностью 0,95 все экспериментальные точки с отклонением не более ±15% при вихревом режиме истечения жидкости в разреженную среду. Результаты расчёта среднего радиуса пузыря в различных сечениях канала представлены на рис. 19. На основе уравнения (1) предложена зависимость для расчёта угловой скорости вращения на границе раздела фаз большого пузыря в ядре вихря:

(6)

где: у - коэффициент поверхностного натяжения.

Уравнение (6) описывает с доверительной вероятностью 0,95 все экспериментальные точки с отклонением не более ±20% при вихревом режиме истечения жидкости в разреженную среду. Результаты расчёта радиуса пузыря в различных сечениях канала представлены на рис. 20. Необходимо отметить, что зависимости (6) и (7) справедливы только для той части расширяющейся части сопла, в которой местное давление можно считать равным противодавлению.

Рис. 19. Сравнение экспериментальных данных по динамике роста пузыря с результатами расчётов, полученными по уравнению (5)

Рис. 20. Сравнение экспериментальных данных по угловой скорости вращения границы раздела фаз с результатами расчётов по уравнению (6)

В ходе обобщения экспериментальных данных предложены критериальные уравнения для определения критического расхода жидкости, частоты вихреобразования, динамики роста пузыря для случая низконапорного истечения жидкости в разреженную среду. Кроме того, на основе уравнения для определения распределения давления в окрестности прямолинейного вихря предложена зависимость для определения угловой скорости вращения вихря на границе раздела фаз. Исходными данными для использования полученных уравнений являются начальная температура и давление воды, противодавление и геометрия расширяющейся части сопла. Для расширения диапазона применения полученных уравнений и распространения их на другие жидкости необходимо проведение дополнительных исследований.

Основные результаты и выводы

Выполненная работа и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и заключения:

1. Создан экспериментальный стенд для исследования характеристики и структуры низконапорного адиабатного потока вскипающей жидкости в плоских каналах при истечении в разреженную среду.

2. Разработан и апробирован способ измерения локальных характеристик низконапорного двухфазного потока (частоты образования вихрей, скорости движения паровой фазы, угловой скорости вращения на границе раздела фаз и динамики роста парового пузыря в различных сечениях канала).

3. В результате комплексных исследований определены условия течения жидкости с фазовыми превращениями, соответствующие различным структурным формам двухфазного потока: расслоённый поток [в > 0.65-0.7]; вихревой поток [р1/р0 < 0.65-0.7, при р1> ps(t0)]; дисперсный поток [р1< ps(t0)].

4. Выявлены основные структурные формы двухфазного потока в сопле при истечении жидкости в разреженную среду: расслоенная структура при перепаде давления в > 0.65 - 0.7; вихревая структура при в < 0.65 - 0.7, но при противодавлении p₁ > p_s(t₀); структура развитого гетерофазного потока при p₁<p_s(t₀).

5. Установлено определяющее влияние турбулентных вихрей на механизм образования паровой фазы и условия формирования структуры потока.

6. Установлены области режимных параметров, разграничивающие критический и докритический режимы течения (в = 0,65 - 0,7). Предложено критериальное уравнение для определения критического расхода при истечении воды через сопла в разреженную среду с приведенным начальным давлением р < 0.0038, в диапазоне относительного начального недогрева 0.12 <И< 0.97.

7. Определена частота образования вихрей в области горла сопла и её зависимость от режимных параметров и геометрии канала при критическом истечении жидкости. Предложено критериальное уравнение для определения частоты образования вихрей при низконапорном истечении воды через сопла с р < 0.0038, в диапазоне относительного начального недогрева 0.12 <И< 0.97.

8. Для течения двухфазного потока с вихревой структурой определены скорость движения вихрей в расширяющейся части сопла, угловая скорость вращения на границе раздела фаз, размер, состав и динамика роста парового кластера. Предложены зависимости для определения этих локальных характеристик двухфазного потока.

Список публикаций

Научные статьи, опубликованные в изданиях, определённых ВАК

1. Коченков А.Г. Структура двухфазного потока вскипающей воды при низконапорном адиабатном истечении через сопло Лаваля. /Гортышов Ю.Ф., Тонконог В.Г., Коченков А.Г.// Изв. Вузов. Авиационная техника, № 3, 2007 г., с. 12 - 15.

Работы, опубликованные в других изданиях

2. Коченков А.Г. Реакция гетерофазных струи, образующихся в процессах истечения низкокипящих жидкостей. /Тонконог В.Г., Коченков А.Г.//Тезисы докладов Международной научно - технической конференции “Проблемы и перспективы двигателестроения”, Самара 26 - 27 июня 2003 г. с. 132 - 133.

3. Коченков А.Г. Режимы течения высоковлажной двухфазной среды. /Тонконог В.Г., Гортышов Ю.Ф., Лопатин А.А., Коченков А.Г., Бакоуш А.М.//Тезисы докладов Международной научно - технической конференции “Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений”, ЦАГИ - Жуковский 21 - 24 сентября 2004 г. с. 404 - 406.

4. Коченков А.Г. Расход вскипающей воды через каналы постоянного сечения различной длины./Лопатин А.А., Коченков А.Г.// VI Школа - семинар молодых учёных и специалистов под рук. ак. РАН В.Е. Алемасова “Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении”. Материалы докладов, сентябрь 2004 г., Казань, 2004, с. 226 - 230.

5. Коченков А.Г. Реактивный импульс тяги двухфазной среды. /Тонконог В.Г., Гортышов Ю.Ф., Лопатин А.А., Коченков А.Г., Бакоуш А.М.// Тезисы докладов XXVII Сибирского теплофизического семинара посвящённого 90 - летию ак. С.С. Кутателадзе. Москва - Новосибирск 1 - 5 октября 2004 г. с. 116 - 118.

6. Коченков А.Г. Исследование расчётных и нерасчётных режимов течения вскипающей жидкости в соплах. /Лопатин А.А., Коченков А.Г.// Материалы международной молодёжной научной конференции “XII Туполевские чтения” 10 - 11 ноября 2004 г., Казань, 2004, т.1, с. 180 - 181.

7. Коченков А.Г. Структура двухфазного потока вскипающей воды истекающей в разреженную среду. /Коченков А.Г.// Материалы международной молодёжной научной конференции “XIV Туполевские чтения” 10 - 11 ноября 2006 г., Казань, 2006, т.1, с. 229 - 230.

8. Коченков А.Г., Лопатин А.А. Влияние геометрических параметров на тяговые и расходные характеристики сопел и каналов. /Лопатин А.А., Коченков А.Г.// Труды XVI Школы семинара молодых учёных и специалистов под рук. ак. РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках” 21 - 25 мая 2007 г. Санкт - Петербург, т.1, с. 206 - 209

9. Коченков А.Г. Истечение вскипающей жидкости в разреженную среду. /Гортышов Ю.Ф., Тонконог В.Г., Коченков А.Г.// Труды XVI Школы семинара молодых учёных и специалистов под рук. ак. РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках” 21 - 25 мая 2007 г. Санкт - Петербург, т.1, с. 435 - 437.

10. Коченков А.Г. Установка для поверки расходомеров и счётчиков жидкости (варианты) /Тонконог В.Г., Глухов В.В., Коченков А.Г.// патент на изобретение № 2246704, опубл 20.02.2005, бюл. № 5.

11. Коченков А.Г. Установка для поверки расходомеров и счётчиков жидкости. /Глухов В.В., Коченков А.Г., Тонконог В.Г., Лопатин А.А.// Энергосбережение в республике Татарстан, вып. № 23 - 24, 2006 - 2007 г., с. 43 - 45.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная

Печ. л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Усл.кр.-отт. 1,16. Уч.-изд.л. 1,05

Тираж 120. Заказ К

Типография Издательства Казанского государственного

технического университета

420111 Казань, К. Маркса, 10

Размещено на Allbest.ru