РОЗДІЛ 2
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ КОАГУЛЯЦІЇ
КРАПЕЛЬ З ПЛІВКОЮ РІДИНИ НА ТВЕРДІЙ ПОВЕРХНІ
Зіткнення крапель зі змоченою твердою поверхнею - важливе явище в багатьох природних та технічних процесах. Вивчення динамічної взаємодії крапель з плівкою рідини являє собою значний інтерес для вирішення багатьох прикладних задач (течія вологої пари в паропроводах вологої пари, двофазових продуктів згоряння в соплах реактивних двигунів, рух літальних апаратів через аерозолі атмосфери, робочий процес в розпилювальних та плівкових тепломасообмінних апаратах, розпилювання розплавлених металів для отримання покрить з заданими властивостями, паливоприготування в двигунах внутрішнього згоряння та ін.). Результатом взаємодії окремої краплі з поверхнею може бути як повна коагуляція краплі з поверхнею плівки, так і часткова коагуляція. При повній коагуляції краплі об'єднуються з плівкою рідини, а при частковій коагуляції з плівки рідини вибиваються вторинні краплі (осколки). В деяких випадках інтенсивна коагуляція краплі з поверхнею бажана, наприклад, при нанесенні різноманітних покрить поверхні шляхом напилювання. В інших випадках відбивання крапель від стінок жадане, наприклад, в паливних системах. Але в будь-якому випадку треба прогнозувати результат взаємодії, тобто знати кількісні характеристики цієї взаємодії. Для цього в даній роботі були проведені експериментальні дослідження процесів коагуляції крапель з плівкою рідини на твердій поверхні та утворення вторинних крапель.
2.1 Опис експериментальної установки. Методика вимірювань
Експериментальні дослідження переносу маси та імпульсу при зіткненнях крапель з плівкою рідини на твердій поверхні проводились на спеціально спроектованому та змонтованому експериментальному стенді, загальний вигляд якого показаний на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Загальний вигляд експериментальної установки.
Схема дослідної установки зображена на рис. 2.2. Стенд складався з таких основних вузлів: генератора монодисперсних крапель, модельної стінки, засобів візуалізації та вимірювання.
Робота генератора крапель 1 була такою. При обертанні пустотілого барабана 4, закріпленого на осі тришвидкісного асинхронного мотору (на схемі не показаний), робоча рідина під дією відцентрових сил подавалася до капіляра 5. Після проходження торцем капіляра натягнутої стальної нитки 8 в точці О починала формуватися крапля 9 (снаряд), яка відривалася від капіляра в точці O1 та рухалася по траєкторії O1-А під заданим кутом ? до горизонтальної площини у напрямку до модельної стінки 12 (ванночки, заповненої рідиною). За один оберт барабана утворювалася значна кількість крапель, але в якості робочої використовувалася тільки перша крапля, яка утворювалася після проходження торцем капіляра поблизу натягнутої стальної нитки. Краплі, які утворювалися в інших точках кола, яке окреслював кінець капіляра, участі у взаємодії з плівкою рідини не брали. Для надійного "зрізання" надлишку рідини з кінця капіляра за допомогою координатника 7 регулювався зазор між стальною ниткою та кінцем капіляра. З протилежної сторони капіляра на пустотілому барабані 4 була закріплена противага 6 для балансування елементів, що обертаються.
Рис. 2.2. Схема експериментального стенду по дослідженню взаємодії крапель
з плівкою рідини на твердій поверхні:
1 - генератор крапель; 2 - система візуалізації; 3 - плоско-паралельний механізм; 4 - пустотілий барабан; 5 - капіляр; 6 - противага; 7 - координатник; 8 - стальна нитка; 9 - крапля-снаряд; 10 - гнучка пересувна смужка; 11 - допоміжна шторка; 12 - ванночка; 13 - підставка; 14 - вловлювач осколків; 15 - магніт; 16 - геркон; 17 - пристрій управління стробоскопічним освітленням; 18 - імпульсна лампа;
19 - пристрій зовнішньої синхронізації стробоскопа.
Положення отвору для вильоту краплі з генератора крапель змінювалося гнучкою пересувною смужкою 10. Для відсіювання можливих "супутників" снаряда (малих крапель, які з різних причин рухалися поблизу траєкторії основної краплі) використовували допоміжну шторку 11.
Крапля 9 взаємодіяла з плівкою рідини заданої товщини у ванночці 12, розміщеній на підставці 13. Вибиті з плівки вторинні краплі (осколки) збиралися у вловлювач 14. Необхідне положення ванночки встановлювалося за допомогою паралелограмного механізму 3, який забезпечував їй незмінні горизонтальне положення при переміщенні та відстань від точки відриву краплі О1 до точки взаємодії з поверхнею рідини А.
Кут взаємодії ? можна було змінювати в межах 0 - 90 град. шляхом повороту генератора навколо своєї осі та переміщенням площадки паралелограмного механізму, на якій були розміщені модельна стінка та вловлювач.
Швидкість польоту снаряда змінювали за допомогою східчастого перемикання частоти обертання вала електродвигуна (швидкість без ковзання становила 750, 1500 та 3000 об/хв), який був побудований на основі одношвидкісного асинхронного двигуна АОЛ-11/2. Для цього для електродвигуна були зроблені нові обмотки. При визначених комбінаціях вмикання цих обмоток отримували різні швидкості обертання вала електродвигуна. Швидкість руху снарядів змінювали також за рахунок довжини капіляра.
Для візуального спостереження процесу взаємодії крапель зі змоченою поверхнею використовувалася система візуалізації 2 (рис. 2.2), основана на стробоскопічному ефекті. Закріплений на валу електромотора постійний магніт 15, проходячи поблизу геркону 16 (герметизованого контакту, який замикається під дією магнітного поля), замикав його контакти. Сигнал з геркону надходив на спеціально розроблений та сконструйований пристрій управління стробоскопічним освітленням 17 (ПУСО). Завдяки ПУСО вдавалося неперервно спостерігати від однієї до трьох фаз процесу взаємодії в задані моменти та встановлені проміжки часу між ними. Вихідні сигнали ПУСО надходили на контакти зовнішньої синхронізації стробоскопа 19 та призводили до спалаху імпульсної лампи 18. В третій частині дисертаційної роботи приведено детальний опис, електронна схема