CC BY
15Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 1 (2014 7) 48-54
УДК 532.528
Экспериментальное определение режима течения при радиальном движении жидкости
А.Ю. Радзюк*, Е.Б. Истягина
Сибирский федеральный университет, Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Received 20.1 1.2013, rec eived in revised form 224.12.2013, accepted 04.02.2014
Представлены результаты экспериментального исследования режимов течения при радиальном движении жидкости. Предложено использовать изменение зависимости скорости сдвига от сдвигающих напряжений в качестве критерия, позволяющего определить момент перехода от сплошного потока к кавитационному. Описана конструкция экспериментальной установки, представлен алгоритм построения номограммы для определения областей движения в сплошном и газожидкостном потоке воды.
Ключевые слова: радиальное движение жидкости, кавитация, реологические характеристики.
Введение
Радиальное движение жидкостей реализуется в большинстве типов насосов, аппаратах химических и пищевых отраслей, водном транспорте, металлургии, теплоэнергетике, нефтегазовой отрасли. Характеристики движения жидкостей лежат в о снове практической реализации процессов в таких аппаратах, причем режим течения при определенных условиях может быть не только ламинермым или турбулентным , но и с разрывом сплошности потока, кавитационным. Актуальность определения режима течения связана с его влиянием на гидравлические, энергетические и эксплуатационные характеристики различных устройств и систем.
Для характеристики кавитационным режимов течения обычно пользуются различными Жезразмерными параметрами, наиболее важным из которых является число кавитации, выражающее отношение сил давления к силам инерции:
2 (Р - Рк) (1)
1 pV2 ' к>
где р - давление набегающего потока, Па; рн - давление насыщенных паров жидкости при температуре потока, Па; р - пло тность среды, кг/м3; V- скорость потока на входе в систему, м/с.
Применение расчетных критериев в процессах с радиальным движением жидкости с учетом кавитации вызывает ряд трудностей, связанных, в частности, с определением полей скоростей, давлений и локальных плотностей жидкости.
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: d327@mail.ru
При экспериментальном изучении возникновения и развития кавитации используют следующие методы [1]:
и) визуальные и слуховые методы наблюдения;
б) фотографирование и высокоскоростная съемка;
в) гидравлические методы, основанные на изменении параметров потока (расхода, скорости, перепада давлений и т.п.);
с) акустические методы;
д) электрически; (омические, электриемкостные);
е) радиоективные.
Тем не менее существует ряд ситуаций, когда ни один из имеющихся методов не может быть применен по тем или иным причинам.
Экспериментальные результаты
В данней работе для определенир иевитационного режима предлагается использовать анализ зависимостей, аналогичных кривымиикучести в координатах скорость - напряжение сдвига в риологии. Определиние таких реологическии характеристик проводят для веществ различного рода с применеиием ротационных вискозиметрот [2]. По сути, такой прибор является гидродинамическим аппаратом с радиальным движением жидкости. Используя известные формулы [35] определения сдвигающего напряжения т, Па, и скорости сдвига Dr, с-1, для такого аппарата можно записать
zM
т =-7, (2)
2nlR2
D)r=--r-2 > (3)
22 "Г*
где z - численная постоянная используемого экспериментального устройства; М - момент на валу привода аппарата, Нкт; Г - ширина оонования вращающейся мешалки, м; R - радиус мешалки, м; rx - текущий радиус мешалки, ми; ст - угловая сморостьа с"1.
При иаб оте в ражимах, не сопровождающихся нарушением сплошности потока, отношение сдвигающего напряжения ее саорости сдвига до-жно быть равно известному для исследуемой
а
жидкости значению динамической вязкости п = —, Па-с. В кавитационном режиме течения
r
из-за нарушения сплошности по тока произойдет снижение плотности и, как следствие, уменьшение момента на валу приводо аппарата, что будет с оответствовать снижению величины п и изменению профиля кривой теяучести.
Для исследования реологичесиих характеристик сплошного и павитационного потока Зыла разработана экспериментальная уствновка. Установка собрана на бззе лабораторного блендера с двигателем постояннсго токз и регулятором частоты вращения, герметичной камеры и вакуумного насоса (рис. 1).
В вертикальной цилиндрической емкости установлена мешалка, представляющая собой двухлопастную клиновидную крыльчатку. Для предотвращения образования воронки в
8 9
10
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - рабочая емкость; 2 - конусная вставка; 3 - отражательные перегородки; 4 - двухлопастная клиновидная крыльчатка; 5 - привод лабораторного блендера; 6 -герметичная камера; 7 - вакуумный насос; 8 - вакуумметр; 9 - термометр; 10 - амперметр
ЛМ1 750()
п,о&./мнн. 3500 (¡000
Рис. 2. Зависимости затрачиваемой мощности оа чисаа оборо тов и давления в установке
емкость была помещена конусная вставка и три вертикальные отражательные перегородки, установленные перпендикулярно движению потока. В качестве рабочей жидкости взята отстоянная водопроводная вода, которую заливали в емкость перемешивающего аппарата. По ходу эксперимента в установке создавалось необходимое разряжение, затем происходил плавный набор скорости вращения до заданного числа оборотов. Опыты производили в диапазоне изменения абсолютного давления от 0,1 до 0,01 МПа при частоте вращения от 35000 до 9000 о б/мин. В качестве выход ного параметра снимали значение силы тока на приводе установки. Каждая экспериментальная точка снималась несколько раз на свежей порции воды. Результаты эксперимента представлены графически на рис. 2.
Анализ полученных данных
Физические условия, созданные в экспериментальной установке, гарантировали наличие режимов течения, характеризующихся нарушением сплошности потока. Это проявляется наиболее наглядно для случая, когда давление в вакуумной камере существенно отличается от атмосферного. Для дальнейшего анализа из массива полученных данных были выбраны значения, соответствующие атмосферному давлению (рейс. 3, верхняя кривая) и максимальному разряжению р = 0,01 МПа (рис. 3, нижняя кривая).
Преобразуя известные формулы расчета механических характеристик двигателя постоянного тока согласно (2) - (3), можно связать величину потребляемой электрической мощности с реологическими характеристиками. Момент на валу электродвигателя пропорционален потребляемому току, следователь но, можно записать:
х - к -2-1- (4)
п!Я2
где I - потребляемый ток; А, к - коэффициент преобразования, зтвисящий от характеристик электродвигателя -становки, электронного регуляторт частоты вращения и геоме трии гидродинамической части установки. В качестве характерного радиуса для подстановки в (3) была
выбрана середина вращающейся лопатеи (гх = 0Я), так ка- именно там происходит зарождение кавитационных полостей, что подтверждается результатами экспериментов. Место локализации начальной стадия кавитации на движущейся лопасти представлено на рис. 4.
Обрабатывая экспериментальные зависимости с учетом сказанного, получаем кривые текучести (рис. 5).
Полученные зависимости показывают, что при течении в области сплошного потока скорость сдвига близка к линейному закону, это соответствует реологическим параметрам тече-
Рис. 3. Зависимость величины тока от числа оборотов: ■ - р = 0,1 МПа; ▲ - р = 0,01 МПа
Кавитационные полости
гШт
Рис. 4. Место локализации начальной стадия кавитации на движущейся лопасти
Рис. 5. Зависимость скорости сдвига от сдвигающего напряжения: • - р = 0,01 МПа; ▲ - р = 0,1 МПа; ----кривая текучести ньютоновской жидкости
ния ньютоновской! жидкости (рис. 5, нижняя кривая). Кривая, лежащая выше, описывает неньютоновский характер течения, что свидете льствует об изменении свойств потока.
Таким образом, изменение режима течения может быть зарегистрировано по изменению реологических параметров, а именно переходу от линейной зависимости скорости сдвига от сдвигаю щих напряжений Б =/(т) к лел инейной форме.
Для определения параметров, при которых случается такой переход, были определены величины тангенса угла наклонов прямых, проходящих через начало координат Б-т и каждую точку, полученную по результатам обработки экспериментальных данных. Из полученного массива выбраны точки, вблизи которых идет отклонение от известного значения вязкости для ньтоновской жидкости (рис. 6).
На рис. 6 нанесены кривые, соответствующие посчитанным по (1) числам кавитации. Область перехода режима течения от сплошного к кавитационному находится в диапазоне 0,8 < х< 1,6. Несовпадение формы аппроксимирующей экспериментальные точки кривой с кри-
р. МП л О
0,01 и.«
0.05 0.04 0.05 О\Х>6 0.07
о.ое олэ 0.1
1
?<г N
ь—•-
$00(1
6000
юоо
п, сб./мин.
Рис. 6. Зависимость режима течения от числа оборотов и давления в установке
выми постоянных чисел кавитации можно объяснить сложностью применения формулы (1) для радиального движения жидкости и погрешностью эксперимента.
Полученная номограмма позволяет определить режим течения в гидродинамическом аппарате в широком диапазоне изменения давлений и скоростей и достаточной для технологического использования точностью. Зависимости, подобные приведенным на (рис. 6), моиут быть получены без явного испо льзования реологических характеристик, а только по изменению тангенса угла наклона в координатах 1-п (рис. 2).
Выводы
Предложена конструкция экспериментальной установки, позволяющей проводить исследования радиального движения жидкостей в кавитационном и докавитационном режимах в широком диапазоне скоростей и давлений окружающей среды. Разработан и апробирован метод, позволяющий по изменению сдвигающего напряжения и скорости сдвига определить режим течения при радиальном движении жидкости.
Список литературы
[1] Арзуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. М.: Энергия, 1978. 308 с.
[2] Полежаева Н.И., Радзюк А.Ю., Федоров В.А. // Перспективные материалы. 2008. № 6. С. 70-74.
[3] Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб.: Профессия, 2007. 560 с.
Experimental Determination of the Flow Regime in the Radial Motion of the Fluid
Alexander U. Radzyuk and Elena B. Istyagina
Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Presents the results of investigation of flow regimes radial motion of liquid. Proposed to use a change of the dependence ofspeed of the shiftfrom ofthe rate of the shiftfrom shifting stresses as the criterion, allowing to define a transition moment from a continuous stream to the stream cavitation. Described the design the experimental setup, an algorithm of constructing nomograms to determine the mode of movement in the continuous stream and gas-liquid stream by water.
Keywords: radial motion of the fluid, cavitation, rheology.
