Научная статья на тему 'Гидродинамика свободно всплывающих газовых снарядов в наклонных трубах с зернистой насадкой'

Гидродинамика свободно всплывающих газовых снарядов в наклонных трубах с зернистой насадкой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
160
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГАЗОВЫЙ СНАРЯД / ГИДРОДИНАМИКА МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ / GAS SHELL / THE HYDRODYNAMICS OF MULTIPHASE SYSTEMS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Покусаев Б. Г., Некрасов Д. А., Карпенко А. С., Храмцов Д. П.

Выполнены экспериментальные исследования гидродинамики свободно всплывающих газовых снарядов в наклонных трубах в системах (газ–жидкость) и (газ–жидкость-твердые частицы). Рабочими веществами являлись вода и этанол. Показано, что скорость всплытия в зависимости от угла наклона имеет немонотонный характер, а максимумы скоростей, при добавлении твердой фазы, смещаются в сторону больших углов наклона трубки относительно горизонта.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Покусаев Б. Г., Некрасов Д. А., Карпенко А. С., Храмцов Д. П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Hydrodynamics of free floating gas shells in inclined pipes with granular nozzle

The paper presents an experimental research on hydrodynamics of floating free gas shells in inclined pipes with granular nozzle in the systems gas-liquid and gas-liquid-solid particles. Working substances were water and ethanol. It is shown that the speed of ascent, depending on the angle, has nonmonotonic character and maximums of speeds, when adding a solid phase, shift in the direction of large angles of the handset relative to the horizon.

Текст научной работы на тему «Гидродинамика свободно всплывающих газовых снарядов в наклонных трубах с зернистой насадкой»

Dynamics of transition processes and structure formation in critical heat-mass transfer regimes during liquid boiling and cavitation // Journal of Engineering Thermophysics. 2009. T. 18. № 1. c. 20-38.

6. Хауф В, Грнгуль У. Оптические методы в теплопередаче. М.: Мир. 1973, 240 с.

7. Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Шрейбер И. Иммерсионная томография газожидкостной среды в зернистом слое. // Теор. основы хим. технологии. 2004. Т. 38. № 1. с. 3.

8. Казенин Д.А., Карлов С.П., Покусаев Б.Г., Скочилова Ю.Н. Некоторые современные оптические методы диагностики процессов в многофазных зернистых средах. // Теор. основы хим. технологии. 2007. Т. 41. № 6. с. 602.

9. Meissner S., Herold J., Kirsten L., Schneider C., Koch E. 3D optical coherence tomography as new tool for microscopic investigations of nucleate boiling on heated surfaces // International Journal of Heat and Mass Transfer 2012. V.55. P. 5565.

Гидродинамика свободно всплывающих газовых снарядов в наклонных трубах с зернистой насадкой

чл.-корр. РАН Покусаев Б.Г., к.т.н. Некрасов Д. А., Карпенко A.C., Храмцов Д.П.

Университет машиностроения artem-karpenko@list.ru Аннотация. Выполнены экспериментальные исследования гидродинамики свободно всплывающих газовых снарядов в наклонных трубах в системах (газ-жидкость) и (газ-жидкость-твердые частицы). Рабочими веществами являлись вода и этанол. Показано, что скорость всплытия в зависимости от угла наклона имеет немонотонный характер, а максимумы скоростей при добавлении твердой фазы смещаются в сторону больших углов наклона трубки относительно горизонта.

Ключевые слова: газовый снаряд, гидродинамика многофазных систем. Проблема исследования микроструктуры и динамики двухфазных газожидкостных потоков в зернистых и пористых средах остается актуальной для целого ряда отраслей современной техники, таких, как химические и биотехнологии, теплоэнергетика, нефте- и газодобыча. Одной из таких проблем является задача гидродинамики движения газовых снарядов в наклонных трубах. Не смотря на довольно значительное количество работ в этой области, начиная с ранних экспериментальных [1] и заканчивая целым рядом современных [2, 3], остается много неисследованных вопросов, связанных с динамикой движения и процессами массопереноса при свободном и вынужденном всплытии газовых снарядов в засыпках. Одними из немногих работ в этой области являются экспериментальные работы [4, 5], в которых представлены результаты по скорости всплытия как одиночных пузырьков, так и газовых снарядов в вертикальных трубах. При этом работы по исследованию гидродинамических процессов в системе газ-жидкость-твердые частицы в наклонных трубах практически отсутствуют.

Экспериментальный стенд для измерения скорости всплытия газовых пузырей

Скорость всплытия газовых пузырей исследовалась на экспериментальном стенде, показанном на рисунке 1(a). Стенд состоит из вращающегося на 360° штатива 1, установленного на подшипнике 2. Рабочий участок 3 крепится с двух сторон зажимами 4. На нижнем конце трубки закреплен U-образный резиновый шланг 5. Шприц 6 предназначен для подачи газа определенного объема. На расстоянии ~ 0,5 0,7 м установлена видеокамера в нормальной плоскости по отношению к штативу. На трубку нанесена измерительная шкала с ценой деления 10 см. Подсветка обеспечивается матовыми светодиодными экранами 7, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В качестве рабочего вещества использовались дистиллированная вода и этиловый спирт 96%. Эксперименты проводились на трубах с

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы, внутренним диаметром 11,8 мм и 24 мм. В качестве элементов засыпки использовались стеклянные шарики с диаметром 5, 7, 10 мм. На рисунке 1(6) изображена укладка засыпки из стеклянных шариков диаметром 10 мм в стеклянной трубке диаметром 24 мм.

Рисунок 1 - Экспериментальный стенд для измерения скорости всплытия газовых снарядов в наклонных трубах: 1 - штатив; 2 - подшипник; 3 - стеклянная трубка;

4 - зажим; 5 - прозрачный резиновый шланг; 6 - шприц; 7 - подсветка

Методика измерений

Для измерения скорости всплытия газового снаряда использовался времяпролетный метод, суть которого заключается в следующем: на трубку наносятся деления с определенным шагом, при прохождении каждого деления фиксируется время. После чего методом компьютерной обработки с раскадровкой рассчитывается скорость движения снаряда.

Шаг по углу наклона трубки относительно горизонта составляет 10°. В трубке с1 = 11,8 мм объем снаряда составлял 1 и 5 см3, а в трубке с1 = 24 мм - 10 и 20 см3. Длина измеряемого участка - 40 см.

Порядок проведения эксперимента

Перед опытом трубка заполняется жидкостью и устанавливается на нужный угол наклона. После чего в и - образный входной участок при помощи шприца вводится необходимый объем газа. Далее видеокамера включается в режим записи и снаряд запускается в основную часть трубки. Для стабилизации скорости предусмотрен входной участок длиной порядка 15 см. При прохождении снарядом начальной и конечной меток фиксируется время и 12. После чего при помощи компьютерной обработки видеофайла вычисляется экспериментальная скорость по формуле:

У = ■ (1)

По полученным результатам строятся графики в системе координат угол наклона скорость.

Экспериментальные результаты

На рисунке 2 приведены результаты по скорости всплытия газовых пузырей различного объема в отсутствии засыпки. Из графиков видно, что зависимости скорости от угла наклона

имеют экстремальный характер, при этом максимальные значения как для воды, так и этанола приходятся на угол ~ 30 40 градусов. Показано также, что скорость зависит и от объема пузыря для обеих жидкостей. Однако, когда сечения пузыря и трубки в плоскости перпендикулярной направлению движения начинают совпадать, дальнейшее увеличение объема пузыря не приводит к изменению скорости при прочих равных условиях и задачу можно рассматривать, как слив жидкости из трубы бесконечно большой длины. Данные по скоростям подъема хорошо соответствуют качественно и количественно результатам, полученным в [ 1, 6] для данного диапазона диаметров труб.

V, мм/с 160

150

140

130

120

110

100

90

80

10

20

30

40

50

60

70

Я0 90

а, град

Рисунок 2 - Экспериментальная зависимость скорости всплытия газового снаряда от угла наклона трубки диаметром 11,8 мм: 1 - этанол, пузырь 5 мл; 2 - этанол, пузырь 1 мл; 3 - вода, пузырь 5 мл; 4 - вода, пузырь 1 мл; точки - эксперимент, кривая - расчет по формуле (2)

На рисунке 2 представлены также расчетные значения скорости всплытия, полученные по следующей методике. Скорость рассчитывалась по представленной в [7] формуле:

У = Л-^Л •-(2)

2л-(1 +л-Е-эта )

где Я - радиус кривизны мм; В - константа (В = 25); а - угол наклона между осью трубы и горизонтом, град; - внутренний диаметр трубы, мм; g - ускорение свободного падения, м/с2; 1< = с/ Ар-g■d2 - безразмерный параметр. Для определения кривизны поверхности снаряда, всплывающего в наклонных трубах, использовались результаты цифровой видео- и фотосъёмок. Съёмка проводилась сразу в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (главные нормальные сечения канала). Основные измерения кривизны проводились в трубе диаметром 11,8 мм. Кривизна поверхности определялась во всех точках поверхности раздела фаз однако, для дальнейшего анализа использовалось усреднённое значение кривизны в окрестности вершины пузыря — критической точки. Это связано с тем, что кривизна в окрестности критической точки наиболее полно отражает изменение формы снаряда в зависимости от угла наклона и диаметра канала, а также свойств жидкой и газовой фаз. Кривизна поверхности пузыря в окрестности критической точки определяется как средняя кривизна к.. ;

кт =(к1+к2)/2 = (1/^+1/1^/2, (3)

где: Яг, К^ - главные радиусы кривизны (к], к2 - кривизна линий сечения поверхности плоскостями главных нормальных сечений ху и хг, соответственно). Кривизна линий сечения поверхности снаряда плоскостями главных нормальных сече-

нии равна:

т

dx(t) d2y(t) dy{t) d2x(t)

dt dt

dt dt

dx(t) V Г

dt

+

л2

dt

3/2

(4)

где: x(7) и - параметрические функции, t - параметр.

В настоящей работе для описания поверхности пузыря используются неравномерные рациональные билинейный сплайны (NURBS), которые хорошо зарекомендовали себя для описания сложных кривых и поверхностей [8].

Кроме того, в приближении эллиптичности поверхности снаряда в его поперечном сечении, программа позволяет восстановить его трёхмерную геометрию. В качестве примера на рисунке 3 представлена геометрия пузыря, всплывающего в трубе диаметром 24 мм, наклонённым под углом 20 градусов. Здесь же точками показан экспериментальный контур головки пузыря в плоскости х-у.

Рисунок 3 - Трёхмерная геометрия снаряда в наклонном канале, с! = 11,8 мм, а = 20 градусов; точки - эксперимент, плоскость х-у

На рисунке 4 приведены экспериментальные значения по скоростям в зависимости от угла для трубки с внутренним диаметром 24 мм. Из рисунка видно, что порядок скоростей выше, чем для трубки с1 = 11,8 мм. Заметим также, что вклад капиллярных сил здесь заметно меньше.

260 240 220 200 180 160 140

V, мм/с

0 10 20 30 40 50 60

70 80 90

а, град

Рисунок 4 - Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона: диаметр трубки - 24 мм, рабочее вещество: 1- этанол; 2 - вода

На рисунке 5 представлены экспериментальные результаты скорости всплытия газовых снарядов при различных углах наклона трубки диаметром 24 мм относительно горизонта в присутствии твердой фазы (стеклянные шарики диаметром 5 мм).

Видно, что характер зависимости скорости от угла наклона трубки так же, как в системе газ-жидкость, имеет немонотонный вид. Однако максимум скорости смещается в сторону больших углов ~ 60-70°. Важным результатом является также то, что с добавлением твердой фазы, скорость всплытия газового снаряда в воде становится выше, чем в этаноле.

По-видимому, это означает возрастающую роль капиллярных сил. Влияние капиллярных чисел в двухфазных системах достаточно хорошо разобрано в [7], там же выдвинуты гипотезы, объясняющие такой характер зависимости скорости от угла наклона. Основная идея в [7] состоит в том, что с изменением угла наклона трубки вместе со скоростью всплытия газовый снаряд меняет свою форму.

V, мм/с

330 305 280 255 230 205 180 155 130

а, град

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рисунок 5 - Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона в зернистом слое: диаметр трубки - 24 мм, рабочее вещество: 1 - вода; 2- этанол;

диаметр шариков 5 мм

На рисунках 6 и 7 приведены экспериментальные значения скоростей подъема в присутствии шариков диаметром 7 и 10 мм соответственно.

Из рисунка 6 видно, что, как и на предыдущем графике, скорость всплытия газового пузыря в воде выше, чем в этаноле.

V, мм/ с 295

270

245

220

195

170

10

20

30

40

50

60

70

80 90 а, град

Рисунок 6 - Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона в зернистом слое: диаметр трубки - 24 мм, рабочее вещество: 1 - вода; 2- этанол;

диаметр шариков 7 мм

Приведенные на рисунке 7 данные для диаметра засыпки 10 мм показывают, что значения скорости всплытия в этаноле становятся выше, чем в воде.

Из рисунка 8 видно, что значения максимальных скоростей в зависимости от диаметра шариков для воды монотонно убывают, и при этом для этанола значения скорости имеют максимум в районе = Ю мм, что объясняется различием физических свойств.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Выявленная особенность имеет важную роль для дальнейшего моделирования процессов абсорбции в системах такого рода.

V, мм/с

• • -

260

240

220

>00

г

а, град

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Рисунок 7 - Скорость всплытия газового снаряда в зависимости от угла наклона в зернистом слое: диаметр трубки - 24 мм, рабочее вещество: 1 - вода; 2- этанол;

диаметр шариков 10 мм

V, мм/с 320

300

280

260

240

220

200 180

10

15

1 йш,мм 20

Рисунок 8 - Максимальные значения скоростей газожидкостного потока в зернистой среде. Диаметр трубки - 24 мм. Рабочее вещество: 1- этанол; 2 - вода

Выводы

Исследована гидродинамика всплытия газового пузыря в наклонных трубах различного диаметра. Показано, что в системе (газ-жидкость) скорость всплытия газового снаряда не зависит от объема газа с момента, когда снаряд заполняет все сечение трубки. Видно, что в системе (газ-жидкость-твердые частицы) скорость выше, чем в системе (газ-жидкость). Выявлено также, что максимум скорости в присутствии засыпки смещается в сторону больших углов. Скорость всплытия газового снаряда в двухфазной системе при использовании этанола в качестве рабочего вещества выше, чем при использовании дистиллированной воды. В трехфазных системах эта закономерность наблюдается только в тех случаях, когда диаметр шариков менее ~ 8 мм. При дальнейшем увеличении диаметра шариков максимумы скоростей монотонно убывают, при этом скорость всплытия снаряда становится выше в этаноле.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 11-08-00368-а, 12-08-00734-а, 12-08-31243 мол_а).

Литература

1. Zukoski Е Е. Motion of long bubbles in closed tubes // J. Fluid Mech. 1966. V. 25. № 4. P. 821.

2. Taha Т., Cui Z. F. CFD modelling of slug flow in vertical tubes // Chem. Eng. Sci. 2006. V. 61. P. 676.

3. Абиев Р.Ш. Моделирование гидродинамики снарядного режима течения газожидкостной системы в капиллярах // ТОХТ. 2008. Т. 42. № 2. с. 115.

4. Покусаев Б.Г., Зайцев А.А., Зайцев В.А. Процессы переноса в снарядном режиме течения трёхфазных сред // ТОХТ. 1999. Т. 33. № 6. с. 595

5. Покусаев Б.Г. Процессы переноса в многофазной среде//ТОХТ, 2007. Т. 41. № 1. с. 35.

6. Серавин А.С., Карпенко А.С. Измерение скорости движения газовых снарядов в наклонных трубах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 11. с. 4 - 5.

7. Покусаев Б.Г., Казенин Д.А., Карлов С.П., Ермолаев B.C. Скорость движения газового снаряда в наклонных трубах // ТОХТ. 2011. Т. 45. № 5. с. 550.

8. Piegl L., Tiller W. The NURBS Book. 2nd ed. Springer-Verlag Berlin. 1997.

Определение полей скоростей, давления и температуры в конвергентном канале центробежного экструзионного гранулятора

к.т.н. доц. Мишта П.В, Мишта Е.А., к.т.н. доц. Щербакова Н.Л.

ФГБОУВПО Волг1 ТУ + 7-84422-248028, mapl avslii.ni Аннотация. На основе системного подхода рассмотрен процесс течения неньютоновской жидкости в конвергентном криволинейном канале многосекционного ЦЭГ и разработана модель многосекционного центробежно-экструзионного гранулятора. Рассмотрен процесс течения неньютоновской среды, реологические свойства которой описываются «степенным» законом Оствальда - де Виля, во вращающемся конвергентном криволинейном канале.

Ключевые слова: центробежное поле, неньютоновская жидкость, грануляция, проницаемость, центробежный экструзионный гранулятор.

Рассмотрим физическую модель многосекционного центробежно-экструзионного гранулятора (ЦЭГ) (рисунок 1).

гР

Рисунок 1 - Схема многосекционного ЦЭГ

Рисунок 2 - Схема секции ЦЭГ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.