ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение......................................................................4
Глава 1. Обзор литературы, посвященной исследованию дисперснокольцевого течения 8
1.1. Свойства волн возмущения
1.1.1. Двумерпость волн возмущения...........................................9
1.1.2. Критерии разделения волн на рябь и волны возмущения...................9
1.1.3. Другие типы крупных волн, выделяемые в дисперсно-кольцевом
течении......................................................................11
1.1.4. Частота следования и пространственное разделение волн возмущения.....12
1.1.5. Амплитуда, скорость, форма волн возмущения...........................12
1.1.6. Профиль скорости в пленке жидкости в дисперсно-кольцевом режиме
течения......................................................................14
1.2. Интегральные характеристики потока: унос и осаждение жидкой фазы,
перепад давления в канале
1.2.1. Условия возникновения уноса, связь уноса с волнами возмущения........16
1.2.2. Критическое число Рейнольдса жидкости................................17
1.2.3. Изменение уноса и осаждения с расстоянием от входа в канал...........18
1.2.4. Гипотезы для объяснения механизма уноса..............................19
1.2.5. Изменение перепада давления с расстоянием от входа в канал. Влияние
воли возму щения и уноса на перепад давления.................................22
1.3. Теоретические подходы к описанию дисперсно-кольцевого течения
1.3.1. Модели, описывающие форму волн возмущения и развитие волновой
картины с расстоянием........................................................23
1.3.2. Модели, описывающие унос и осаждение в дисперсно-кольцевом
течении......................................................................24
1.4. Исследование свойств капиллярной ряби в дисперсно-кольцевом течении......................................................................25
1
Глава 2. Описание экспериментальной установки и методики измерений.
2.1 Описание экспериментальной установки...................................27
2.2 Измеряемые и контролируемые параметры эксперимента.....................30
2.3 Измерение расхода дисперсной фазы......................................31
2.4 Измерение локального перепада давления.................................33
2.5 Измерение локальной толщины пленки жидкости методом локальной электропроводности...........................................................34
2.6 Измерение локальной толщины пленки жидкости методом флуоресцентной визуализации.................................................................36
2.7 Погрешности измерений и точность управления входными параметрами.......40
Глава 3. Результаты измерений интегральных параметров течения и возникновения волн возмущения
3.1 Измерение расхода дисперсной фазы......................................42
3.2 Измерение перепада давления с расстоянием..............................43
3.3 Эволюция волновой картины с расстоянием, разделение волн на волны
возму щения и капиллярную рябь.............................................46
3.4 Режимные карты перехода к уносу и появления волн возму щения.
Околокритический режим в восходящем течении................................50
Глава 4. Исследование свойств волн возмущения.
4.1 Метод раздельной обработки свойств волн, распределенных в широком
интервале..................................................................52
4.2 Зависимость скорости волн возмущения от их амплитуды. Формулы, описывающие коэффициенты зависимости.........................................54
4.3 Число волн на единицу длины. Его инвариантность относительно скорости газа и вязкости жидкости..........................................................61
4.4 Обобщенные портреты волн возмущения. Количественное описание формы волн возмущения...................................................................66
2
Глава 5. Исследование свойств капиллярной ряби в дисперснокольцевом течении.
5.1 Сравнение методов проводимости и флуоресцентной визуализации.........74
5.2 Выбор порога фильтрации для исключения влияния шума камеры на результаты...............................................................75
5.3 Исследование амплитуды волн ряби.....................................76
5.4 Частотные характеристики волн ряби...................................79
5.5 Измерение скорости волн ряби.........................................81
Заключение...............................................................83
Список использовавшейся литературы.......................................85
3
Введение
Наиболее распространенным и имеющим наибольшую практическую ценность режимом пленочного течения жидкости совместно с потоком газа является дисперснокольцевое течение, представляющее собой совместное течение пленки жидкости, турбулентного потока газа и дисперсной фазы - капель, уносимых с поверхности пленки в ядро газового потока и осаждающихся обратно.
Дисперсно-кольцевое течение используется в широком спектре промышленных установок: в тепловых трактах АЭС, очистных пленочных аппаратах, химической промышленности.
В настоящее время можно говорить лишь о реализации достаточно грубых приближений к математическому описанию дисперсно-кольцевого течения. Применяющиеся в настоящее время модели имеют высокий уровень эмпиризма, что связано, прежде всего, со сложной гидродинамической структурой таких потоков. Интенсивный газовый поток взаимодействует с пленкой через турбулентные касательные напряжения на межфазной границе и содержит дисперсную фазу в виде капель с широким спектром размеров. Поверхность пленки в таких течениях имеет сложную структуру поверхностных волн, разделяющихся на капиллярную рябь и волны возмущения, амплитуда которых в несколько раз превосходит толщину остаточного слоя. Свойства волн эволюционируют во времени и в пространстве. Структура дисперсной фазы определяется непрерывными процессами коагуляции и, напротив, разбиения на более мелкие капли, а также массообменом с пленкой - уносом капель с поверхности пленки и, наоборот, их поглощением.
Для осаждения капель существуют модели, позволяющие выполнить расчет в строгой постановке и дающие удовлетворительное согласие с экспериментальными данными (см. Алипченков и др. (2001)). Для описания срыва и уноса капель с поверхности пленки в ядро потока газа в настоящее время моделирование возможно только в рамках полуэмпирического подхода (там же). Используемые расчетные модели чрезвычайно чувствительны к характеристикам межфазного взаимодействия и закладываемым механизмам отрыва капель с поверхности пленки. Вместе с тем, в силу сложности явления, работы по экспериментальному исследованию срыва капель носят единичный характер, а полученных экспериментальных данных явно недостаточно.
Наличие уноса всегда сопровождается наличием на поверхности пленки волн возмущения, и все предлагаемые исследователями гипотезы, описывающие механизм
4
уноса, так или иначе связаны с волнами возмущения. Таким образом, для понимания явления уноса необходимо исследование динамики волн возмущения.
Теоретические модели, описывающие волны на пленке в присутствии потока газа, как правило, рассматривают периодические, слабонелинейные волны при достаточно малых напряжениях со стороны потока газа, и не годятся для прямого сравнения с экспериментом. Большинство экспериментальных работ ограничивается измерением средних характеристик волн возмущения, хотя свойства волн при одних и тех же параметрах течения могут очень сильно различаться. Экспериментальное исследование свойств капиллярной ряби выполнялось при помощи методов, которые, как будет показано в данной работе, малоприменимы для исследования мелкомасштабных волн. Целью данной работы является:
• детерминистское изучение свойств волн возмущения;
• исследование свойств волн капиллярной ряби при помощи новых экспериментальных методик.
Научная новизна главных положений работы заключается в том, что автором впервые:
• Применен метод условного осреднения для обработки экспериментальных записей локальной толщины пленки жидкости, позволяющий получать зависимости свойств волн возмущения от амплитуды с высокой точностью.
• При помощи этого метода получена зависимость скорости волн возмущения от амплитуды при фиксированных параметрах течения в широком диапазоне амплитуд и предложены формулы, удовлетворительно описывающие коэффициенты этой зависимости.
• Показано, что расстояние между волнами возмущения не зависит от скорости газа и вязкости жидкости.
• Получены обобщенные портреты волн возмущения, исследовано влияние параметров течения на форму волн возмущения.
• Впервые к исследованию дисперсно-кольцевого течения применен метод флуоресцентной визуализации, при помощи которого показано, что использовавшиеся ранее экспериментальные методы малоприменимы для исследования свойств капиллярной ряби в дисперсно-кольцевом течении.
• Получены новые данные по амплитудным и частотным свойствам ряби, поведению шероховатости пленки с изменением параметров течения и скорости волн ряби.
5
На защит}' выносятся
1. Экспериментальные результаты по влиянию параметров течения волн на характеристики волн возмущения в зависимости от их амплитуды: формулы, описывающие зависимость скорости волн возмущения от амплитуды; независимость числа волн на единицу длины от скорости газа и вязкости жидкости; универсальность зависимости крутизны волн возмущения от амплитуды для разных скоростей газа.
2. Экспериментальные результаты по свойствам капиллярной ряби: полученные зависимости амплитуды, длины, крутизны и скорости волн ряби от параметров течения.
3. Метод условного осреднения волновых характеристик для исследования свойств волн возмущения и применение метода флуоресцентной визуализации для исследования дисперсно-кольцевого течения.
Достоверность результатов основывается на использовании отработанных на других объектах экспериментальных методик, на тщательной проверке тарировочных зависимостей, на сравнении методик на общих объектах, на использовании новых статистических методов обработки данных, на стабильной воспроизводимости результатов опытов.
Практическое значение
Полученные автором результаты по влиянию параметров течения на свойства волн возмущения могут быть использованы при построении моделей, описывающих форму и динамику волн возмущения; в частности, для упрощения моделей, возможному благодаря экспериментальным данным об инвариантности отдельных волновых характеристик относительно конкретных параметров течения. Данные по шероховатости покрытой рябыо пленки и длине волны ряби могут использоваться для коррекции эмпирических корреляций по касательному трению со стороны газа.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: V мировой конференции “Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics” (Салоники, Греция, 2001); III международной конференции «Transfer Processes in
6
- Київ+380960830922