Исследование влияния углового распределения частиц на переход в псевдоожиженное состояние Текст научной статьи по специальности «Физика»

Процессы в газовом тракте теплового расходомера

Список литературы

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М., 1976.

Об авторах

К. В. Гуськов - инженер-метролог ФГУП ОКБ «Факел».

А. В. Румянцев - канд. физ.-мат. наук, доц. РГУ им. Канта; [email protected]

УДК 664.7.002.5

В. И. Таранов, Е.Д Тосунова

77

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ НА ПЕРЕХОД В ПСЕВДООЖИЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Приведены результаты эксперимента по переходу в псевдо-ожиженное состояние при различной начальной упаковке для семян подсолнечника. Исследовано угловое распределение семян в горизонтальном слое при разной начальной пористости. Экспериментальные данные аппроксимированы удобными для анализа формулами.

Experimental data for transformation into fluidized state on conditions of deferrent initial package applied to sunflowerseeds. Research set forth below concerning seed distribution in horizontal layer under different initial porosity. Experemental data is approximated with formulas convenient for analysis.

Переход в псевдоожиженное состояние для одного и того же материала зависит от характера упаковки и начальной пористости [1]. При этом чем более неправильной формы частицы, тем сильнее этот эффект.

Для выяснения влияния характера первоначальной упаковки частиц в слое на переход в состояние псевдоожижения был поставлен эксперимент на установке, схема которой Рис 1 Схема

приведена на рисунке 1. жспериментал™ установи

В прямоугольную камеру 1 снизу подавался воздух. С помощью передвижных треугольных призм 3 достигалось постоянство скорости в сечении 2. Затем в сечении 2 устанавливалась горизонтально жесткая металлическая сетка размером 70 х 400 мм, на которую засыпался слой семян подсолнечника со средней массой 87 10-3г и объемом 0,20 см3. Передняя стенка камеры выполнена из стекла. В эксперименте исполь-

Вестник РГУ им. И. Канта. 2008. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 77 - 80.

В. И. Таранов, Е. Д. Тосунова

78

зовалась одна и та же масса материала, но характер его первоначальной упаковки был разным. В опыте создавались три разных вида начальной упаковки:

1) засыпная, когда материал равномерно рассыпался по объему камеры, без дальнейших воздействий;

2) утрамбовочная, материал послойно (толщиной и 1 см) засыпался, а затем слегка утрамбовывался без деформации частиц;

3) остаточная, для этого материал предварительно переводился в псевдоожиженное состояние, причем высота слоя Ь превышала первоначальную Ьо в 2 раза. Затем скорость воздуха медленно уменьшалась до нуля.

Эксперимент заключался в продувке слоя с регистрацией средней высоты слоя и скорости и перед сеткой. За среднюю высоту слоя принималась такая горизонтальная линия, для которой площадь кипящих выступов материала над линией равнялась площади впадин ниже линии (рис. 1). Относительная погрешность Ь, определяемая по воспроизводимости измерений, составила 5,0 %. Объем материала был постоянным. Начальная высота Ьо и пористость уо до начала продувки составляли 52 мм и 0,40 для насыпной, 44 мм и 0,36 для утрамбовочной, 46 мм

На рисунке 2 представлены экспериментальные результаты зависимости пористости от скорости при различных начальных упаковках.

Для аналитического описания зависимости (у - уо) от скорости и была предложена эмпирическая формула

у - уо =Ь (и - ио)2/3, (1)

где ио — первая критическая скорость (скорость разрыхления слоя).

Коэффициент Ь оказался равным 0,16 с/м для насыпной, 0,18 с/м для утрамбовочной и 0,15 с/м для остаточной упаковки. На рисунке 2 они показаны пунктирными линиями. Различия в значении коэффициента Ь оказались за пределами погрешности эксперимента, что указывает на его зависимость от характера первоначальной упаковки слоя. Очевидно, характер упаковки определяется ориентацией частиц в слое, точнее, их угловым распределением.

Для определения связи между параметрами перехода в псевдоожи-женное состояние и характером упаковки слоя были проведены дополнительные исследования углового распределения частиц в начальном слое. Для этого после создания слоя из семян подсолнечника делался фотоснимок, который обрабатывался на компьютере. Анализ снимков показал, что ориентирующее влияние боковых и нижней стенок проявляется на расстоянии около трех-четырех длин семян. Измерялся угол наклона семян, прилегающих к стеклу относительно горизонта.

Измерения проводились только для семян с хорошо определяемой ориентацией. Полное число измерений в одной упаковке и для всех се-

и 0,52 для остаточной упаковки.

М'-Ч'о

0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

и (м/с)

Рис 2. Зависимость пористости слоя от скорости

Исследование перехода частиц в псевдоожиженное состояние

мян составляло 500. Диапазон углов в пределах от нуля до 90 градусов был разбит на 9 интервалов через 10 градусов. Определялось число семян ДМ в заданном интервале, и находилась плотность вероятности распределения семян р=ДМ/(Ы'*Дф) по углам. Для аппроксимации результатов, представленных на рисунке 3, было использовано выражение для плотности вероятности р((р) распределения частиц по углам ф в виде:

р(ф)=а*соэ4(ф+Р)+с. (2)

Выражение (2) содержит два независимых параметра, поскольку третий определяется из условия нормировки вероятности. Наиболее удобными для анализа являются значения плотности вероятности р0 при ф=0 и р1 при ф=п/2. Для постоянных а и с из (2) следует

Рис. 3. Зависимость плотности вероятности р от угла ф

а=(ро - р1)/соэ2р, с=ро - (ро - рі) *со84Р/со82р.

(3)

Угловая постоянная |3 может быть найдена из условия нормировки. Интегрируя (2), получим:

п(Ро ~Рг)

2соэ2в

Рі соэ в - Ро эт в эт 2в 3

---------------------------------1—

Ро-Рі П 8

Л

= 1

(4)

Задавая параметры р0 и р1 по (4), находим |3. Минимум в плотности вероятности р(ф) достигается при

фт=п/2 - р. (5)

На рисунке 3 приведены результаты измерений и аппроксимирующие кривые, рассчитанные по (2) с учетом (3) и (4). В таблице даны значения некоторых параметров для каждого вида упаковки, найденные из сопоставления с результатами эксперимента.

Значение фт , полученные по аппроксимирующей формуле (4)

79

Вид упаковки ф тіп теор. р(ф——о) теор. р(ф—9о) теор.

Остаточная ▲ 48 о,4о о,28

Насыпная ♦ 55 о,58 о,1б

Утрамбовочная ■ бо о,68 о,о8

Из данных таблицы четко следует наличие однозначной связи между р0, ^0 и 00. Однако для ее уточнения необходимы дополнительные эксперименты для разных видов упаковки и материалов.

Список литературы

1. Ейтс Д. Основы механики псевдоозжижения с приложениями. М., 1992.

В. И. Таранов, Е. Д. Тосунова

Об авторах

В. И. Таранов — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта. Е. Д. Тосунова — студ., РГУ им. И. Канта.

80

УДК 621.7.03

А. Н. Нестеренко, С. В. Солодова

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МОНОТОПЛИВНЫЕ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

Дан краткий обзор о последних достижениях в области применения перспективных видов «зеленого» топлива. Рассмотрены разработки иностранных ученых, а также последние достижения российских инженеров.

The short review about last achievements in a scope of perspective kinds of «green» fuel is given. Workings out of foreign scientists, and also last achievements of the Russian engineers are considered.

Для стабилизации и ориентации космического аппарата (КА) в полете нужны реактивные двигатели малой тяги. Для этой цели были разработаны однокомпонентные термокаталитические двигатели (ТКД). Двигательная установка (ДУ) на базе такого двигателя впервые была применена на КА «ГЛОНАСС» 25 лет назад [1]. Двигатель оказался достаточно эффективным, надежным и в дальнейшем использовался на различных КА. Вместе с тем другие разработчики КА не решались ставить на борт монотопливный ТКД, отчасти из-за повышенной токсичности топлива.

Поэтому актуальной становится задача разработки и применения в ЖРДМТ альтернативных монотоплив (ОАТ), которые, в отличие от токсичного монотоплива, обладали бы следующими достоинствами:

— были бы малотоксичными и экологически безопасными;

— обладали бы более высокими энергетическими характеристиками и создавали повышенный удельный импульс тяги;

— имели бы большую плотность, чтобы уменьшить объем баков ДУ, что особенно актуально с повышением сроков активного существования КА;

— имели пониженную температуру замерзания.

Начиная с середины 90-х годов в США и Западной Европе (Франции, Швеции, Нидерландах, Германии и других странах) осуществляется поиск, исследования и разработка жидких однокомпонентных топлив (ОТ) на основе твердых высокоэнергетических веществ, которые ранее отрабатывались в различных областях оборонной техники. К ним относятся следующие соединения:

1) динитроамид аммония, NH4N(NO2)2 — (АДНА);

2) нитрат гидроксиламмония, NH3OHNO3 — (НГ А);

Вестник РГУ им. И. Канта. 2008. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 80 — 84.