ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОКАПЕЛЬНЫХ СТРУЙ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ЖИДКОСТИ В ГАЗЕ.

Лепешинский И.А., Воронецкий А.В., Зуев Ю.В., Онес В.И., Решетников В.А., Ципенко А.В.

Московский государственный авиационный институт (технический университет), 125871 Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

В настоящей работе представлены результаты численных и экспериментальных исследований газокапельных течений при высоком содержании жидкости в газе. На основе экспериментально полученных полей параметров в исследованных струях проведён анализ картины этих течений. Сделанные эксперименты позволили провести апробацию однопараметрической модели турбулентности для таких течений.

A experimental and theoretical studies of gaz-drop jets with high concentration of liquid in the gaz

Lepeshinsky I.A., Voronetsky A.V., Zuev Yu. V., Reshetnikov V.A., Ones V.I., Tsipenko A.V.

In this work are presented any resolts of numerical and experimental studies of gaz-drop flows with high concentration of liquid in the gaz. The analys of the structure of thats flows have been done on a base of experimental parametrs champs. These experimental studies have given a possibility to make a test of mathematical model of heterogeneous jet.

Введение

Высококонцентрированные газокапельные течения (массовый расход жидкости более чем в 5-10 раз превышает массовый расход газа) обладают рядом специфических свойств, одно из которых - существенное снижение скорости звука (до десятков метров в секунду) в двухфазной среде по сравнению с чистым газом. Эти течения отличаются от других газожидкостных течений (вспененных потоков и пузырьковых течений) тем, что в них несущей фазой, непрерывно распределённой в пространстве, является газ.

Теоретические расчёты высококонцентрированных газокапельных течений в соплах и струях, проведённые по моделям [1] и [2], соответственно, позволили определить основные факторы и область их изменения для проведения экспериментальных исследований, рассчитать и сконструировать модельную установку.

Основные результаты экспериментов

В ходе экспериментов, проведённых на модельной установке зондовым методом [3] измерены поля импульса и расходов фаз в высококонцентрированных водовоздушных струях на расстояниях 0, 10, 50, 70, 100, 200, калибров от среза сопла диаметром 11.4 мм, что явилось первичными экспериментальными данными, часть которых для случая отношения массовых расходов жидкости и газа А=30 и давления на входе в сопло Р=5 атм представлена на рис.1. Здесь Dp^* - импульс струи в точке поля, измеренный зондом, G_ж/F - удельный расход жидкости в точке поля, измеренный зондом, y_c - расстояние от оси симметрии струи, r_c - радиус сопла.

Рис. 1. Поля импульса и поля удельного расхода жидкости для двухфазной газокапельной

струи по результатам зондовых измерений (А=30, Р=5)

Измерения дисперсности были проведены в дальнем поле струи, на расстоянии 200 калибров от среза сопла методом интегрирующей диафрагмы [4] (рис. 2).

Рис.2. Объёмноповерхностный (заутеровский) диаметр капель d_p в дальнем поле газокапельных струй (200 калибров от среза сопла)

На основании зондовых измерений были рассчитаны поля скоростей фаз и концентрации жидкости в струе (рис. 3), при этом, методология обработки результатов для низкоконцентрированных потоков, была существенным образом изменена и доработана с учётом возможности возникновения скачка уплотнения в двухфазном потоке перед измерительным зондом [5]. Экспериментально полученные поля параметров для исследованных струй позволяют определить их радиальные границы и дальнобойность. За радиальную границу в данном сечении струи принимается точка, в которой имеет место 10-

Рис. 3. Поля скоростей газа (Wг) и капель (Wж) и поля массовой концентрации жидкости в струе (А=30, Р=5)

кратное ослабление максимального значения удельного расхода жидкости для этого сечения (рис. 4). По графику видно, что на режиме с отношением массовых расходов жидкости и газа 30 на расстоянии от 50 до 100 калибров происходит “шнурование” струи, выражающееся в локальном увеличении значений импульса на оси. При сопоставлении радиальной границы

Рис. 4. Радиальные границы газокапельных струй по экспериментальным данным

Рис. 5. Импульс на оси газокапельных струй по экспериментальным данным

струи и импульса на её оси (рис.5) видно, что после “шнурования” происходит увеличение угла раскрытия. На других режимах работы модельной установки данного эффекта обнаружено не было.

Результаты численного моделирования

Для сравнения результатов экспериментального и теоретического исследований был проведён расчёт струйного течения с начальными полями скоростей фаз и концентрации жидкости, соответствующими экспериментальным данным, по математической модели двухфазной струи с однопараметрической моделью турбулентности [2] (рис.6). Полученные результаты позволяют судить о возможности применения вышеназванной математической модели для расчётов высококонцентрированных газокапельных струй.

Рис. 6. Сопоставление экспериментальных данных по газокапельной струе (А=30, Р=5) с расчётом, в расчёт заложены начальные поля скоростей фаз и объёмной концентрации жидкости, полученные экспериментально.

Выводы

Проанализировав изменение полей параметров вдоль оси газокапельных струй, можно выделить их следующие основные особенности:

1. На срезе сопла скорость газа на оси существенно выше скорости капель, а вблизи стенок сопла скорости газа и капель почти одинаковы. Основной причиной этого, очевидно, является соответствующее распределение жидкости в газе - максимальная концентрация на периферии. Скольжение фаз уменьшается с ростом массовой концентрации жидкости.

2. Ниже по струе происходит увеличение скорости капель на оси струи за счёт скорости газа, капли начинают обгонять газ. По краям потока происходит торможение газа и капель из-за подмешивания в струю окружающего воздуха, происходит постепенное расширение струи. Скорость газа на периферии струи при этом несколько выше скорости капель, по краям капли крупнее чем в центре (по результатам измерений дисперсности), поэтому они хуже разгоняются. Профиль массовой концентрации жидкости остаётся подобным тому, что был на срезе сопла - по центру сохраняется локальный минимум.

3. В некотором сечении скорости газа и капель практически сравниваются. Капли за счёт большей инерционности поддерживают скорость газа. Профиль массовой концентрации капель имеет локальный максимум вблизи периферии струи, в центральной части - локальный минимум. Границы струи продолжают расширяться, абсолютные значения удельного расхода снижаются, также как и значения скоростей фаз. Здесь можно выделить участок, на котором профиль массовой концентрации, имеющий локальный минимум в центре и локальный максимум на периферии, переходит в профиль с максимумом в центре. Это объясняет резкое изменение значения импульса на оси струи, а также угла её раскрытия.

4. Дальнее поле (после приблизительно 100 калибров от среза сопла) рассматриваемых газокапельных струй характеризуется медленным (по сравнению с предыдущим участком) снижением скоростей фаз и массовой концентрации жидкости вдоль потока.

Результаты численных расчетов показали возможность применения математической модели [2] для расчётов высококонцентрированных газокапельных струй.

Авторы выражают признательность НИИ низких температур при МАИ, при поддержке которого выполнена настоящая работа.

Список литературы

1. Борисенко А.И., Селиванов В.Г., Фролов С.Д. Расчёт и экспериментальное исследование газожидкостного сопла при значительном содержании жидкости в газе. В кн. Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Тематический сборник научных трудов ХАИ. //Х.1974. С.83-93

2. Ю.В.Зуев, И.А.Лепешинский. Двухфазная многокомпонентная турбулентная струя с фазовыми переходами // Изв. РАН. Сер. МЖГ, 1995, № 5, с. 120 - 138.

3. Лепешинский И.А., Бузов А.А. Зондовый метод определения параметров двухфазного потока. В кн. “Исследования по теплообмену” М., ЭНИП, вып. 53, 1975.

4. Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Решетников В.А., Колесникова Л.А., Сальков Е.Р. Лазерный измеритель заутеровского диаметра и концентрации частиц. Сб. Тезисов Всесоюзной конференции “Измерения в потоках. Методы, аппаратура и применение. - М.: ИВТ АН СССР, 1990. - с.54.

5. Воронецкий А.В. Экспериментальные и теоретические исследования двухфазных газокапельных течений в соплах и струях с высокой массовой концентрацией жидкости в газе. //Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, МАИ, 2000.