УДК 532.529

ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ГАЗОКАПЕЛЬНОГО СОПЛА

А.В.Ципенко

Статья представлена доктором технических наук, профессором Зуевым Ю.В.

На основании сопоставления экспериментальных данных с идеальными теоретическими зависимостями сделан вывод о распределении фаз в соплах с различным способом смешения газа и жидкости. Для системы «смесительное устройство + разгонное сопло» предложен способ расчетно-экспериментального нахождения оптимального режима по передаче кинетической энергии от газа к жидкости.

При создании устройств разгона капель, например, для газокапельных систем пожаротушения, установок для нанесения различных покрытий и т.п. одна из задач – оценить эффективность работы опытной установки. Дело в том, что источником энергии движения в таких устройствах является газ, и хорошо бы использовать эту энергию с максимальной отдачей. При этом, с одной стороны, надо получить поток капель с заданными параметрами (размер, объемная концентрация). С другой стороны, надо дать каплям максимальную скорость. Для этого используют различные способы смешения газа и жидкости, сопла различного профиля. Так как доля жидкости в таких соплах может быть весьма значительна, то остается загадкой структура потока в сопле. Тяжело определить параметры пленки жидкости на стенке, состояние газовой и жидкой фаз (дисперсный состав включений, термодинамические характеристики, скорость и другие параметры поперек сопла, в частности, на срезе сопла).

Из-за трудности моделирования процессов смешения жидкости и газа конструктивные решения чаще всего отрабатываются экспериментально. При таком подходе, если установка не дает поток с заданными характеристиками, трудно сказать, где кроется причина. То ли «плохое» сопло не разгоняет «хороший» поток капель, то ли наоборот, то ли неверно подобран режим работы. Поэтому необходимо для конкретной конструкции найти оптимальный режим работы и сделать это с наименьшими затратами. Возможный способ решения этой задачи излагается ниже.

За идеальный (в смысле передачи энергии от газа к каплям) примем так называемый «равновесный» поток, в котором капли мгновенно принимают скорость газа. Такой поток можно рассматривать как некий “фиктивный” газ, параметры которого определяют по известной методике /1/. Для заданного сопла расход газа однозначно определяется при заданных параметрах жидкости на входе в сопло и полном давлении газа. Зависимость расхода газа от расхода жидкости можно определить экспериментально. Такую же функцию можно построить теоретически для «равновесной» смеси. Из анализа работы сопел различной конфигурации и с различным способом смешения газа и жидкости перед соплом (рис.1,2 /2/, рис.3,4 /3/, рис.5,6 /4/) видно, что взаиморасположение экспериментальной и теоретической зависимостей расходов фаз характеризует распределение фаз поперек потока, а именно: при расположении на графике теоретической кривой выше экспериментальной поток достаточно однороден, различие зависимостей вызвано разницей скоростей фаз, при обратном расположении различие вызвано тем, что в потоке много пленки или существует достаточно плотное жидкое ядро (струя) внутри сопла, или, что одно и то же, существуют зоны, в которых мало жидкости по сравнению со средним.

Выдвинутое предположение позволяет достаточно просто выбрать режим работы и направление совершенствования установки. Оптимальный режим находится в окрестности точки пересечения теоретической и экспериментальной кривых. При расположении теоретической кривой выше экспериментальной основные усилия стоит направить на от

работку профиля канала. В противном случае надо совершенствовать камеру смешения.

Рис.1. Эскиз плоского сопла и смесительного устройства, использованных в /2/

Рис.2. Расход воздух [г/(с·см²)] на единицу площади горла сопла относительно массовой концентрации воды для установки /2/. Р – давление на входе в сопло, Hout – высота сопла на выходе, H* - высота горла

Рис.3. Эскиз осесимметричного сопла и смесительного устройства, использованных в /3/

Рис.4. Расход воздух [г/(с·см²)] на единицу площади горла сопла относительно массовой концентрации воды для установки /3/

Рис.5. Эскиз осесимметричного сопла и смесительного устройства, использованных в /4/

Рис.6. Расход воздух [г/(с·см²)] на единицу площади горла сопла относительно массовой концентрации воды для установки /3/

ЛИТЕРАТУРА

1. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. «Многофазные течения газа с частицами». -М., Машиностроение, 1994.

2. Селиванов В.Г., Сопленко К.И., Фролов С.Д. “О течении газожидкостной среды в соплах заданной геометрии.” //Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Тематический сборник научных трудов. Вып. 2, Харьков, 1975, ХАИ, с. 19-27.

3. Lemonnier H., Selmer-Olsen S. «Experimental investigation and phisical modelling of two-phase two-component flow in a converging-diverging nozzle»./Int. J. Multiphase Flow, vol. 18, No. 1, pp.1-20, 1992.

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

ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ГАЗОКАПЕЛЬНОГО СОПЛА

Tsipenko A.V.

Сведения об авторе

Ципенко Антон Владимирович, 1966 г.р., окончил МАИ (1989), к.т.н., старший научный сотрудник НИИ НТ при МАИ, автор 33 научных работ, область научных интересов – экспериментальное исследование и моделирование гетерогенных потоков в соплах и струях.