Распыление жидкости при импульсном воздействии сжатым воздухом Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.45.042:532.592.2:544.772

РАСПЫЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

Н.В. Коровина, О.Б. Кудряшова, Б.И. Ворожцов, Э.Р. Шрагер

Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, г. Бийск E-mail: olgakudr@inbox.ru

Предложена физико-математическая модель импульсного распылителя, работающего от источника сжатого газа. Показана роль кавитации в процессе распыления. Приведен ряд результатов параметрических исследований модели, устанавливающих зависимости дисперсности аэрозоля, угла распыла и массового расхода жидкости от безразмерных параметров, характеризующих геометрические свойства распылителя. Физико-математическая модель позволяет подбирать характеристики распылителя с целью получения аэрозольных сред с заранее заданными параметрами.

Ключевые слова:

Аэрозоль, дисперсность, импульсное воздействие, кавитация, барботирование.

Key words:

Aerosol, dispersion, pulse influence, cavitation, bubling.

Существующие методы создания аэрозолей не всегда удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по дисперсности и времени генерации. Во многих практически важных приложениях требуется быстро, в течение нескольких секунд, создать облако аэрозоля с характерным размером капель 1...10 мкм или меньше микрона. Например, тушение пожара в замкнутом пространстве (телекоммуникационные шкафы, кабины, узкие коридоры, лифты), дезинфекция помещений, осаждение дыма и пыли, ингаляция в медицине и ветеринарии и т. п. требуют быстрой генерации аэрозольного облака с развитой поверхностью капель, что позволяет им наиболее полно взаимодействовать со средой. Развитие традиционных способов распыления жидкостей, видимо, достигло своего технологического предела по скорости создания и степени дисперсности аэрозолей, что определяет актуальность развития новых подходов к решению данной проблемы. Разработка импульсного распылителя позволит удовлетворить требованиям автономности и портативности генераторов аэрозолей, что также бывает важно в критических ситуациях. Как было показано в работах [1-3], где рассматривалась модель импульсного распылителя, использующего энергию ВЭМ, развитие ударно-акустической кавитации в такой модели ведет к уменьшению размеров получаемых частиц по сравнению с теми, которые можно наблюдать при использовании обычных способов распыления, основанных на аэродинамическом разрушении капель. Мелкодисперсный аэрозоль успешно получается и с применением ультразвуковых распылителей, что также основано на эффекте кавитации; однако время получения облака аэрозоля импульсным методом меньше в сотни раз.

Таким образом, импульсный метод распыления уже известен и хорошо себя зарекомендовал, но на небольших объемах распыляемой жидкости. Из соображений безопасности нельзя применять ВЭМ для распыления объемов жидкости, измеряемых литрами и кубометрами. Необходимо разработать более технологичный способ распыления

жидкости, основанный на тех же принципах, что и распылитель «взрывного» типа, с аналогичными характеристиками дисперсности и времени генерации облака. В работе предложена новая конструкция и физико-математическая модель такого распылителя.

Рассмотрим вариант конструктивной схемы распылителя, когда сжатый газ используется не только для создания ударного импульса, но и для раскрутки жидкости по принципу центробежной форсунки. В этом случае результирующую конструкцию можно отнести к классу комбинированного устройства, в котором заложены принципы как центробежной, так и пневматической форсунки импульсного типа.

Распылитель (рис. 1) состоит из компрессионной камеры 1, емкости с распыляемой жидкостью 2, объем которой ограничен мембранами 3. Площадь поперечного сечения конструкции - 3, высота емкости с жидкостью - Ь. Через отверстия 4 тангенциально поступает газ под давлением р. Выброс жидкости происходит из отверстия 5. Предсопловой блок имеет воздушный зазор 6 объемом УрпЬ.

Рис. 1. Схема ударно-волнового распылителя (сжатый воздух)

Сжатый газ, проходя через объем жидкости, раскручивает ее, барботирует и накапливается в пред-сопловом объеме 6. Частично газ растворяется в жидкости, образуя зародыши кавитации - сжатые под давлением микропузырьки. При достижении заранее заданного давления рсг происходит разрыв верхней мембраны. При этом происходит «вскипание» смеси - расширение пузырьков. Разгоняясь от перепада давления, жидкогазовая смесь двинется к сопловому торцу и, достигнув сопловой крышки, ударится об нее. Резкое повышение давления (гидроудар) формирует ударную волну навстречу потоку, доходит до основания, отражается и при определенных условиях обеспечивает кавитацию жидкости. Как будет показано ниже, импульс давления необходим для развития в жидкости ударно-волновой кавитации, что, в свою очередь, требуется для обеспечения более высокой дисперсности получаемого аэрозоля.

Чтобы оценить (в стационарном приближении) амплитуду ударной волны, возникающей при гидроударе, используем уравнение неразрывности на сечении сопла: 8и=8„и„, где и - скорость движения газожидкостной смеси внутри конструкции; 8„ - площадь отверстия распылителя; и уравнение Бернулли (без учета сжимаемости кавитированной жидкости, что справедливо для низких концентраций газа):

к Р1 2 2 Р + и = Ра +

2 2

где ра - давление во внешней среде. Тогда скорость, с которой смесь ударяется о сопловой торец, определится выражением

и =

2(Р - Ра )

кр ((5 / Бп )2 -1)

(1)

Скорость после истечения из сопла определится выражением

и = -

2(Р - Ра )

Бп\к р! ((5 / Бп )2 -1)

(2)

много больше времени прохождения волны, установятся резонансные акустические колебания с длиной волны Я=2Х и частотой а = ~• Интенсивность звукового поля за время прохождения волны

составит: / = где 0 - энергия ударного воздей-18

ствия, равная энергии, запасенной в сжатом газе в предсопловом объеме: 0=1/2Ущр^ где I - число степеней свободы молекулы газа (для трехатомного газа советуют принять 1=7 [4]). С другой стороны,

р\2т 2т2 с „

Отсю-

интенсивность волнового поля I = -

2

да получаем выражение для амплитуды смещения частиц в звуковой волне:

20с

Ьр1Бт с

Получим безразмерный параметр

Жо = -

Тогда в соответствии с формулой Жуковского амплитуда давления в результате гидроудара составит: рт=исртХ, где с - скорость звука; р^ - плотность газожидкостной смеси, ртХ=кр„ где к - коэффициент, характеризующий изменение плотности жидкости. Можно определить величину этого коэффициента, оценив количество растворенного в жидкости газа, которое в соответствии с законом Генри пропорционально парциальному давлению газа над жидкостью. Так, для воздуха под давлением 8,5 МПа растворенный газ изменит плотность жидкости в к=0,82 раза. При таком значении коэффициента к концентрация растворенного газа (порядка 10-4для воды при указанном давлении) достаточно мала, чтобы жидкость можно было считать несжимаемой.

Ударная волна в относительно плоском слое жидкости испытает ряд отражений с постепенным затуханием. Если время истечения жидкости будет

I

характеризующий эффективность процессов кавитации, - величина плоского разрыва по отношению к высоте столбика жидкости. Этот параметр определяется прежде всего величиной энергии сжатого газа по отношению к массе жидкости: чем больше это отношение, тем выше эффективность кавитации. Если данный параметр мал, то процессами ударно-волновой кавитации в задаче можно пренебречь.

Следующая за волной сжатия плоская волна разрежения с амплитудой 1т порождает пл-ский разрыв с эффективной толщиной 2,==ХШ/V2 [5]. Фаза сжатия приводит к преобразованию плоского разрыва в ансамбль шарообразных пузырьков диаметра Д,, заполненных водяными парами и ранее растворенными в воде газами. При равномерном наполнении жидкости такими пузырьками можно выделить элемент, частично заполненный водой, частично - газами и парами воды; его плотность составит кр,, Д=(1-к)2/ Тогда, с учетом (1), получим выражение для диаметра пузырька:

Ц1 - к)

пс

Газожидкостная смесь, представляющая собой водяной каркас с распределенными в нем кавитационными пузырьками, под действием давления сжатого газа вырывается через отверстие. В предположении, что в момент истечения кавитирован-ной жидкости каждый пузырек, находящийся под давлением р, раздуется до атмосферного и в этот момент разорвется на капли диаметром, равным толщине водяного слоя, в работе [1] получена оценка диаметра капель:

= т

VI - к

\1/ї Ґ \1/3г

(3)

Проведем оценки величин времени, характеризующих процесс. Время прохождения волны по слою жидкости толщиной Ь составит: 4=Ь/с, где с

- скорость звука в кавитированной жидкости. Время истечения можно оценить как 4х=Ь/и„, где ип -скорость истечения, определяемая по формуле (2). Тогда для воды (если скорость звука не меняется в кавитированной жидкости) отношение времени прохождения волны ко времени истечения: 1^/1е:тип/сх0,03+0,\<< \ при рассматриваемых уровнях давлений (порядка 1...5 МПа). Таким образом, в процессе истечения жидкости из сопла конструкции в ее толщине успевают развиться акустические колебания, вызывающие кавитацию, причем таких колебаний пройдет не менее 10. В этом случае устанавливается стационарный режим истечения. Поскольку жидкость движется, как показано в [7], схлопывания кавитационных пузырьков не происходит, и они разрывают сплошность жидкости, способствуя в дальнейшем образованию более мелких капель аэрозоля, чем при распылении не-кавитированной жидкости. Более подробно этот вопрос будет обсужден ниже.

Для описания первой стадии процесса рассмотрим истечение газа из камеры 1 через небольшое отверстие при поддержании в резервуаре постоянного давления. Будем считать, что размеры резервуара настолько велики по сравнению с размерами выходного отверстия, что можно полностью пренебречь скоростью движения газа внутри резервуара, и, следовательно, давление и плотность газа внутри резервуара будут иметь значения р, р. Давление во внешней среде обозначим через ра. Скорость истечения газа можно определять по формуле [6]:

1

2у

у-1

РР

2 у +1

Ґ V Ґ \—

где у - показатель адиабаты истекающего газа.

Из закона сохранения импульса находим тангенциальную скорость движения жидкости:

Р

=— V, ,

(4)

ния из форсунки, оценки основных эксплуатационных характеристик устройства в зависимости от параметров конструкции.

Необходимо рассчитать геометрический комплекс А (Абрамович Г.Н.):

А ==1Е -1! £ 1,

птп Б п ^ Б п п

где Я - радиус емкости с жидкостью; г п - радиус входного отверстия; гп - радиус сопла; 8к - площадь входных отверстий. Эквивалент геометрического комплекса, учитывающий вязкость (Клячко Л.А.):

А А

А =-

1+Я 2

Я

1+-І

2 I Б,

где г = . / — - эквивалентный радиус отверстий;

1,05

п 0,3

Яе

- коэффициент трения, критерий Рей-

2и. т.

нольдса Яе = —относится к жидкости в каме-

ре закрутки; V - кинематическая вязкость.

В центре сечения факела распыла возникает воздушный вихрь с давлением, равным давлению окружающей среды. Коэффициент живого сечения, характеризующий степень заполнения жидкостью факела распыла, обозначим е. Теория Абра-мовича-Клячко позволяет рассчитать коэффициент живого сечения, зная значение геометрического комплекса Ае, путем решения трансцендентного уравнения:

А = 1 -£

Ае ~ЄТ2

Угол факела распыла рассчитывается по формуле:

(1 -е)л/8

Объемный расход О и коакси-

где р - плотность жидкости.

В рассматриваемой конструкции импульсного распылителя происходит раскручивание жидкости, как в центробежной форсунке. Отличие от принципа центробежной форсунки заключается в том, что в отверстия 4 (рис. 1) втекает не жидкость, а сжатый газ, передавая импульс движения жидкости и раскручивая ее. Теория центробежной форсунки была разработана Г.Н. Абрамовичем и развита (с учетом сил трения) Л.А. Клячко. Поскольку в емкости с жидкостью создаются все условия, соответствующие классической центробежной форсунке, считая скорость «втекания» жидкости по формуле (4), пренебрегая сжимаемостью кавитированной жидкости, воспользуемся этой теорией для приближенного описания процессов истече-

(1 +т]\—£У\/£

альная составляющая выходной скорости потока щ рассчитываются в соответствии со следующими соотношениями: 0=жг2ппик=жг2пщв, отсюда и = .

г -и £

Время истечения можно оценить исходя из значе-

Iех

ния объемного расхода: 10({)Ж = Ы1 / р1.

о

Таким образом, имея в качестве исходных данных геометрические характеристики форсунки Ь, S(R), 8п(гп,п), £п(гп), а также импульс давления рт, мы получаем объемный расход жидкости, время истечения, угол распыла.

Определению дисперсности аэрозолей, полученных с помощью центробежных форсунок, посвящено множество работ ([6] и ссылки там же). В работе [8] получена полуэмпирическая формула для широкого

Я

V

ряда центробежных распылителей в диапазоне параметров: А=1,72—9,51; П1=8(10-6-10-2); Re=800-25 000. Опытные данные обобщены формулой:

■ = 47,8А-0'6Я.е-0'7 П-0Д,

(5)

где г - радиус капли; число Рейнольдса относится к исходящему потоку; параметр П1 характеризует соотношение инерционных и вязкостных сил в жид-

кости: П,

Л

1г„РР

, л - кинематическая вязкость;

а - поверхностное натяжение жидкости. Эта зависимость является наиболее общей среди подобных [6], учитывающих влияние большого числа входных параметров. Следует прежде всего отметить, что все подобные зависимости дают величины радиуса получаемых капель порядка 100 мкм и более, притом чем выше скорость потока (а следовательно, и Re), тем выше дисперсность получаемого аэрозоля. Это соответствует аэродинамическому механизму разрушения струй жидкости и разделения их на капли [9]. Оценки размеров капель аэрозоля по «кавитационному» механизму (3) дают для наших условий приблизительно на порядок более высокую дисперсность, чем полученные из рассмотрения аэродинамического механизма образования капель (5).

На рис. 2 приведены результаты расчета зависимости радиуса образующихся капель аэрозоля по кавитационному механизму и по аэродинамическому, в зависимости от Жо. Практическое следствие данных модельных расчетов таково: чтобы получить высокодисперсный аэрозоль (радиус капель около 1...10 мкм), необходимо создать условия для кавитации (Жо>0,01), ноне допускать слишком большого импульсного воздействия на жидкость Ж0~0,08...0,09.

пла; параметр Абрамовича А, являющийся комбинацией вышеуказанных параметров и количества входных отверстий п (9).

На рис. 3 приведена зависимость угла распыла от указанных безразмерных параметров. Из расчетов видно, что параметр Абрамовича (кривая 3) и параметр 8/8 п (кривая 1), характеризующий отношение площади емкости с жидкостью к площади входных отверстий, существенно увеличивают угол распыла: с ростом этих параметров угол факела распыла можно увеличить до 60° и выше.

Из трех перечисленных геометрических параметров лишь 8/8п оказывает влияние на объемный расход жидкости: с увеличением данного параметра (относительным уменьшением площади входных отверстий) объемный расход падает.

Проведем расчет для следующих параметров распылителя, изображенного на рис. 1: площадь поперечного сечения 8=0,0064 м2, вода общей массой 300 г, сжатый воздух под давлением р=85 атм, УрпЬ=50 см3. Давление в ударной волне составит рт=300 атм, скорость втекающего в воду сжатого воздуха 1920 м/с, скорость потока воды - 250 м/с, угол факела распыла - 70°, скорость истечения воды из отверстия распылителя - 20 м/с, время истечения 53 с. Экспериментальные данные: угол распыла 65°, скорость истечения 25 м/с, время истечения 50 с. Величина параметра Жо=0,014, характерный радиус капель г=6 мкм (в расчете по аэродинамическому механизму (5) г=23,5 мкм).

Рис. 2. Зависимость радиуса капель аэрозоля, соответствующая аэродинамическому (1) и кавитационному механизму (2)

Проведем параметрические исследования предложенной модели. Для этого выделим следующие безразмерные геометрические параметры, характеризующие процесс распыления: 8/8;„ - отношение площади сечения емкости с жидкостью к площади входных отверстий; 8/8п - отношение площади сечения емкости с жидкостью к площади сечения со-

Рис. 3. Зависимость угла распыла р от параметров S/Sln (1), S/S„ (2), А (3)

Пропорции конструкции играют большую роль в управлении дисперсностью аэрозоля. Если, оставляя объем компрессионной камеры и распыляемой жидкости постоянными, менять высоту столбика жидкости (и, соответственно, площадь 8), то радиус капель, рассчитанный по (3), будет меняться линейно от 2,7 мкм при Ь=3 см до 13,1 мкм при Ь=10 см.

Выводы

Предложена новая конструкция и физико-математическая модель центробежной пневматической форсунки при импульсном воздействии сжатого газа. На основе предложенной модели получены выражения для расчета основных определяющих параметров распыления от входных параметров форсунки; имея в качестве исходных данных

г

г

п

геометрические характеристики форсунки Ь, 8, 8п, 8п, мы получаем объемный расход жидкости, время истечения, угол распыла и дисперсность получаемого аэрозоля.

Показано, что для обеспечения более высокой дисперсности аэрозоля необходимо обеспечить импульсный характер воздействия на жидкость;

предложен безразмерный критерий Жо, характеризующий определяющий механизм диспергирования. Расчеты нашли качественное экспериментальное подтверждение.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований (№ 12-08-90810-мол_рф_нр).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И. Математическая модель взрывной генерации жидкокапельных аэрозолей // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 318. -№2. - С. 77-81.

2. Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И., Муравлев Е.В., Ишматов А.Н., Павленко А.А. Ударно-волновая генерация высокодисперсных жидкокапельных аэрозолей // Ползуновский вестник. - 2010. - №4-1. - С. 95-100.

3. Ворожцов Б.И., Кудряшова О.Б., Ишматов А.Н., Ахмадеев И.Р., Сакович ГВ. Взрывная генерация высокодисперсных жидкокапельных аэрозолей и их эволюция // ИФЖ. - 2010. -Т 83. - № 6. - С. 1084-2004.

4. Витман Л.А., Кацнельсон Б.Д., Палеев И.И. Распыливание жидкости форсунками / ред. С.С. Кутателадзе - М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1962. - 264 с.

5. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика. - М.: Энер-гоатомиздат, 1983. - 417 с.

6. Физическая энциклопедия / Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов, Б.К. Вайнштейн, С.В. Вонсовский, А.В. Гапонов-Грехов, С.С. Герштейн, И.И. Гуревич, А.А. Гусев, М.А. Ельяшевич, М.Е. Жаботин-ский, Д.Н. Зубарев, Б.Б. Кадомцев, И.С. Шапиро, Д.В. Шир-ков / под общ. ред. А.М. Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1988-1998.

7. Кедринский В.К. Газодинамика взрыва: эксперимент и модели. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. - 435 с.

8. Блох А.Г., Кичкина Е.С. Распыливание жидкого топлива механическими форсунками центробежного типа // Сб. Вопросы аэродинамики и теплопередачи в котельнотопливных процессах. - М.: Госэнергоиздат, 1958. - С. 132-140.

9. Пажи Д.Г., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. - М.: Химия, 1975. - 200 с.

Поступила 28.06.2012 г.

УДК 674.815-41

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСТУПАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ОРИЕНТИРОВАНИИ

С.М. Плотников, М.С. Лурье

Сибирский государственный технологический университет, г. Красноярск E-mail: smplotnikov@rambler.ru

Представлены результаты моделирования ориентирования плоских древесных частиц, используемых при изготовлении плит из крупноразмерной стружки. Получены зависимости времени падения и скорости разворота частиц отих параметров и высоты падения, позволяющие минимизировать угол укладки частиц в стружечном ковре.

Ключевые слова:

Плоская частица, имитационная модель, время падения, импульс вращения, коэффициент аэродинамического сопротивления.

Key words:

Flat particle, simulation model, fall time, momentum of rotation, drag coefficient.

Современная технология изготовления плит из крупноразмерной ориентированной стружки (Oriented Strand Board - OSB) предусматривает их ориентирование при формировании стружечного ковра, который в дальнейшем подвергается горячему прессованию. Благодаря укладке частиц наружных слоев брикета в продольном, а внутренних - в поперечном направлении возможно значительное повышение прочности на изгиб изготовляемых плит. Причем чем меньше угол разброса частиц, тем выше прочность готовой плиты, которая приближается к прочности исходной древеси-

ны. Ориентирование частиц является одной из основных операций в технологическом процессе изготовления OSB, что требует ее подробного изучения с целью совершенствования ориентирующих устройств.

Зная динамику движения древесной частицы, в частности изменение скорости и времени падения и разворота от ориентирующего органа до укладки в стружечный ковер, можно так подобрать действующий на частицу вращающий импульс, что она будет уложена в ковер с наименьшим углом отклонения. Это позволит значительно улучшить ос-