CC BY
11
УДК 534.63:64
ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-ПУЗЫРЬКОВОЙ ЭМУЛЬСИИ В ГАЗОЖИДКОСТНОЙ ПРОБКОВОЙ СТРУКТУРЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ПОПЕРЕЧНОЙ ВИБРАЦИИ
© 2014 г. Ю.С. Левкин
Левкин Юрий Степанович - соискатель, зав. лаборатория- Stepanovich Yurij Stepanovich - competitor, head of the ми, кафедра «Промышленная электроника», Тольяттинский Laboratory, department of «Industrial Electronics» Togliatti государственный университет. Тел. (8486)50-73-36. E- State University. Ph. (8486)50-73-36. E-mail:catry@titsu.ru mail: catry@titsu.ru
Рассмотрен пробковый двухфазный газожидкостный поток, подвергаемый поперечной вибрации. Получена новая вибрационная структура двухфазного газожидкостного потока. Найдены вибрационные параметры, ограничивающие её влияние, и соответствующая эмпирическая формула.
Ключевые слова: двухфазный поток; поверхностно-пузырьковый; эмульсионный; гидравлические расчёты; газовая фаза; жидкая фаза; вибрационные параметры; поперечная вибрация.
We consider a cork mode subjected to transverse vibrations. Received new vibrating structure. The boundaries of its influence and the empirical formula.
Keywords: two-phase flow, surface-bubble; emulsion; hydraulic calculations; gas phase liquid phase; vibration parameters; the lateral vibration.
Известно, что характер движения жидкого топлива в системах некоторых энергетических установок представляет научный и практический интерес. Исследования пробковой структуры двухфазного газожидкостного потока, в частности, применительно к топливам авиационных и других тепловых двигателей (бензин, керосин и другие) отражены в работах [1 - 3]. Известны гидравлические расчёты горизонтальных, восходящих и нисходящих двухфазных потоков, в которых описаны закономерности движения топлива. Эти потоки часто подвержены вибрации, существенно изменяющей их структуру. К таким потокам, в частности, относятся авиационные бензины Б91/92 и Б91/115 с давлением насыщенных паров 220 - 360 мм ртутного столба. Эти и другие жидкие топлива работают в разных температурных режимах. Изменения температуры потока жидкой фазы способствуют превращению указанных топлив в двухфазную смесь. При высоких рабочих температурах образуются пузырьки газовой фазы, а при низких - растворённая в углеводородном топливе вода превращается в лёд. Температурный режим, сопутствующий массовому обмену газожидкостного топлива, проявляется даже при неработающих двигателях. Сравнительно небольшое в межфазном процентном отношении количество свободного газа вызывает пробковую структуру двухфазного потока. В данной работе рассматривается аналогичная структура. Наложение поперечной
вибрации на поток испытанной жидкости - воды приближено имитирует рабочую двухфазную смесь указанных топлив. Экспериментальный диапазон частот варьировался в пределах 30 ^ 400 Гц, что укладывается в вибрационный диапазон частот топливных трубопроводных систем самолётов, в частности, с турбовинтовыми двигателями.
Экспериментальные опыты проводились на стационарном стенде ДЭВС - 200-А [4, 5]. Температуры воды 7,5 ^ 8,0 °С и воздуха 8,7 ^ 9,2 °С. Небольшая разница температур сводит к минимуму объёмное расширение фаз газожидкостного потока. Воздух подавался в поток воды заводской компрессорной установкой, расход которого определялся ротаметром РС-5, а расход воды - рычажными весами. Совокупность фаз двухфазных потоков определяет характер их структур. Сочетание расходов жидкой фазы Qв от 1,9 до 2,7 (л/мин) и воздуха Qг от 0,03 до 0,06 (см3/с) позволило получить пробковую структуру с размерами поперечного сечения 4x20 мм и длиной около 8 м. Размеры трубы приближенно соответствовали геометрическим параметрам топливопроводов типов энергетических установок. В результате эксперимента обнаружена чётко сформировавшаяся вибрационная структура по всему участку трубы. На нее оказывали воздействие частота вибрации и вибрационное ускорение.
Истечение воды происходило из алюминиевого бака. Уровень водяного столба составлял 2660 мм. Газожидкостная смесь, при прохождении через прозрачную трубу, фотографировалась на участке, удалённом от входного сечения 0,2 м. Опыты проводились при частотах от 30 до 400 Гц и вибрационном относительном ускорении от пв=1 до технически разрешённых пределов:
Пв = nJg,
где пв - фактическое ускорение; g =9,8 м/с2.
Классическая пробковая структура без воздействия на нее поперечной вибрации, попадая в поле такой вибрации, трансформируется в новые структурные модели [5], образование которых связано с определёнными частотами вибрации / и вибрационным ускорением пв. Фактический материал серии соответствующих фотоснимков путём визуального их сравнения позволяет разделить пробковую структуру на четыре типа. Каждая из перечисленных структурных моделей может быть отражена эмпирическими формулами. Классическая пробковая структура под действием вибрации может трансформироваться в четыре новые вибрационные структуры, одна из которых представляет поверхностно-пузырьковую эмульсию.
Все указанные структурные типы специфически разнообразны своими физическими характеристиками. Изменения сечений труб и их конфигураций оказывают существенное влияние на параметры двухфазного потока. На поверхности раздела фаз возникают силовые, а при неизотермическом течении и тепловые взаимодействия, которые существенным образом влияют на изменение скорости течения, давления и температуры потока. Поперечная вибрация стабилизирует двухфазные потоки, делает структурную модель узнаваемой для оценки целесообразности её реализации в конкретных системах. Вибрационное разложение пробковой структуры двухфазных потоков способствует их применению в различных технологических процессах. Рассматриваемые режимы течения поверхностно-пузырьковой эмульсии могут быть полезными при анализе работы топливных, масляных и других жидкостных систем различных силовых установок. В таблице приведены сочетания параметров / и пв при воздействии поперечной вибрации на водо-воздушный поток.
По табличным данным построена зависимость вибрационных ускорений от частоты вибрации для
режимов образования поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсии (рис. 1).
п — ^ 7Т n (f Л 11
" в 3,11- в) 11
20 40 60 80 100 /в, Гц
Рис. 1. Зависимость пв= f (/в)
Графическую кривую можно выразить эмпирической формулой (1)
Пв= 3,7 Ln (/в) - 11. (1)
Для участка кривой пв= / (/) при / < 100 Гц применена формула (2)
4,1 Ln (/в) - 11,2 > Пв> 6^п(/в) - 24. (2)
Формула (2) показывает, что модель поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсии находится между структурами вибрационно-пробковой и вибра-ционно-деформированной газовой взвеси.
Режим течения поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсии образуется при воздействии указанных в таблице вибрационных параметров. Происходит дробление пузырей газовой фазы волнами жидкой фазы на более мелкие фрагменты. Эта структурная модель представлена фотографиями (рис. 2). Картина модели поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсионной структуры заканчивается при / = 100 Гц; уже при / > 100 Гц начинается структура вибрационной-деформированной газовой взвеси.
Таким образом, режим поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсии получен в упругих горизонтальных трубах от наложения поперечной вибрации на пробковую двухфазную структуру и характеризуется измельчением первоначальных пузырей газовой фазы вибрационными импульсами жидкой фазы в диапазоне, отражаемом формулой (2).
Вибрационное измельчение газовых пузырей способствует увеличению подвижности двухфазного потока. Поперечная вибрация стабилизирует его структуру.
Параметры режима поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсии
/в, Гц 30 40 50 60 70 80 90 100
Пв = Пв/g 2 - 3 2 - 3 2 - 3 2 - 4 3 - 4 3 - 4 6 - 7 7 - 8
/в = 30 Гц nB = 3 g
/в = 40 Гц Пв = 3 g
/в = 70 Гц Пв = 4 g
/в = 80 Гц Пв = 4 g
/в = 90 Гц Пв = 7 g
/в = 100 Гц пв = 8 g
Рис. 2. Структура поверхностно-пузырьковой вибрационной эмульсии
Применительно к движению углеводородных двухфазных потоков, например при газировании нефтепродуктов, может происходить образование пробковых структур - пузырей рабочего тела в трубопроводах, что снижает их пропускную способность. Традиционному сжиганию содержимого этих пузырей факельным способом существует рассмотренная альтернатива. Вибрационное воздействие на двухфазный поток может исключить необходимость сжигания указанных пробок факельным способом.
Литература
1. Латышев Л.А., Рутовский Н.В., Тихонов В.В. Экспериментальное исследование влияния вибрации трубопроводов на параметры текущей в них жидкости // Тр. МАИ. 1965. Вып. 119.
2. Шрейдер И.П. Многоволновые модели распределения возмущений // Гидродинамика и теплообмен в одно и двухфазных средах. Новосибирск, 1979. С. 37 - 47.
3. Ковревский А.П. Экспериментальные и теоретические исследования свободных колебаний труб, содержащих протекающую жидкость // Изв. вузов. Энергетика. 1964. № 4. С. 69 - 94.
4. Левкин Ю.С. Исследование влияния поперечной вибрации на скорость двухфазного потока дисперсной структурной модели // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 3. С. 63 - 67.
5. Лиманова Н.И., Левкин Ю.С. Диагностика состояния газожидкостных потоков в поле поперечной вибрации // Вестн. Самарского гос. аэрокосмического ун-та им. акад. С.П. Королёва (национального исследовательского университета). Проблемы и перспективы развития двигате-лестроения. Самара, 2011. Ч. 3. С. 20 - 27.
Поступила в редакцию
19 сентября 2013 г.
