CC BY
25
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА CIVIL ENGINEERING BUILDING AND ARCHITECTURE
УДК 629. 78. 064 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-112-119
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА
THE INFLUENCE OF VIBRATIONS ON THE CHARACTERISTICS OF TWO-PHASE FLOW STRUCTURE
© 2016 г. Ю.С. Левкин
Левкин Юрий Степанович - соискатель, зав. лаборатория- Levkin Yurij Stepanovich - competitor head of the Laboratory,
ми, кафедра «Промышленная электроника», Тольяттинский department «Industrial Elektronik», Togliatti State University.
государственный университет, г. Тольятти, Россия. Тел. Tolyatti, Russia. Ph. (8482) 36-19-88, (8482) 53-95-65. E-mail:
(8482) 36-19-88, (8482) 53-95-65. E-mail: [email protected] [email protected]
Экспериментально реализованы изменения дисперсной структуры водовоздушного потока. Классическая двухфазная жидкостно-газовая структура, попав в поле поперечной вибрации всей поверхностью упругой трубы, находится в исходном состоянии до определенного порога вибрационного ускорения. Графическим способом показана граница раздела двух структур, которая определилась изменениями направлений характерных кривых. Даны два графика и три номограммы, характеризующие наглядность ряда гидродинамических зависимостей от влияния на них вибрационных воздействий. В работе рассмотрены три частотные характеристики, на примере которых показан порог перехода дисперсной в плёночно-дисперсную структуру двухфазного потока. Для каждой частоты имеется фотографическая иллюстрация проведённого эксперимента. Представлено графическое пояснение этого перехода.
Ключевые слова: двухфазный поток; дисперсная структура; режим; поперечная вибрация; частота вибрации; вибрационное ускорение; дисперсно-пленочный режим.
As a result of experimental work changes of hydrodynamic processes in disperse structure were received. Classical two-phase structure, having got to a field of cross vibration of all surface of an elastic pipe, is in an initial state, to a certain threshold of vibration acceleration. By a graphic way the limit of the section of two structures which was defined by changes of the directions of curves is shown. Two schedules and three monograms characterizing presentation of hydrodynamic dependences on influence on them of vibration influences are given. In work three frequency characteristics on the example of which, the threshold of transition disperse in plyonochno - disperse structure of a two-phase stream is shown are considered. Each frequency has a photographic illustration, the made experiment. The graphic explanation of this transition is submitted.
Keywords: two-phase flow; the dispersed structure of dispersion-film mode; the lateral vibration frequency of vibration; the vibration acceleration.
Сложность исследовательской работы с мым ниже, относятся многие «развивающиеся»
двухфазными жидкостно-газовыми потоками течения, которые значительно сложнее, чем в
заключается в том, что некоторые их параметры, случае однофазного потока, в которых происхо-
а нередко их совокупность, приводят к измене- дит одновременно несколько процессов переноса
нию структур, что влечёт смену установившегося (тепло- и массообмен, обмен количеством дви-
потока неустановившимся [1]. жения, изменение фазы и химические реакции)
Нерешенные проблемы в области двухфаз- [2]. ных течений обычно не связаны со сложной гео- В ранее известных источниках [3 - 5] рас-
метрией либо с отсутствием точной равновесно- сматривались вопросы влияния вибрации на
сти. К проблемам последнего класса, обсуждае- движение жидкости по горизонтальным трубам.
Проблеме гидродинамики двухфазных систем и теплообмена при кипении посвящено большое количество экспериментальных и теоретических исследований. Было опубликовано несколько российских и зарубежных (переведённых на русский язык) монографий: Г. Уоллис, Дж. Хьюитт и Холл-Тейлор, С.С. Кутателадзе и М.А. Стыркевич, В.Е. Дорощук, Б.С. Петухов и др., А.М. Кутепов и др. [6 - 9].
В работе рассматриваются изменения первоначальной структуры двухфазного потока газожидкостной смеси - водовоздушного потока в поле поперечной вибрации при помощи варьирования вибрационных гидравлических сопротивлений, эти данные могут быть использованы во многих сферах деятельности специалистов, таких как гидравлика, гидродинамика, нефтегазовая и авиационная промышленности и везде, где встречаются двухфазные жидкостно-газовые потоки. Рассмотрение в настоящей работе высокочастотных вибрационных колебаний, приводящих к изменению дисперсной структуры двухфазного потока, является продолжением исследований [10, 11].
Несмотря на ключевую роль определе-
ния структуры двухфазных жидкостно-газовых потоков, работ в этом направлении проведено недостаточно. На базе ниже представленных табл. 1, 2 и 3 можно построить графические зависимости (рис. 1 и 2), скорости дисперсной структуры Лиг от её расхода ЛQг и живого сечения Люг в диапазоне высокочастотных колебаний = 120 и 200 Гц, а также вибрационных ускорений пв = (5^20)^, где g ~ 9,81 м/с2. На рис. 1 наблюдается пропорциональная зависимость вибрационной скорости Аи от вибрационного расхода ЛQг, а на рис. 3 вибрационная скорость Аи обратно пропорциональна живым сечениям Дюг , полученным от её воздействия.
За скорость газовой фазы условно принимается скорость всей дисперсной структуры, так как движение мельчайших фракций капель воды зависит от её скорости.
На рис. 1 и 2 приведены по две полиноминальных прямых влияния вибрационных частот /в = 120 и 200 Гц на зависимость изменений как вибрационных скоростей и расходов Лиг = f(ДQг), так и скоростей и живых сечений Ли = ДЛю) дисперсной структуры.
Таблица 1
Зависимость вибрационных параметров ДО, Дюг и Диг двухфазного водовоздушного потока от ускорения пв = (5^ 16)^ при ув = 120 Гц
AQ, л/с 0,1061 0,1058 0,1051 0,1048 0,1044 0,1045 0,1037 0,1028
Дю, см2 0,603 0,604 0,605 0,606 0,607 0,608 0,610 0,612
Au, м/с 1,760 1,752 1,737 1,729 1,720 1,719 1,700 1,680
njg 5 6 7 8 9 10 12 16
Таблица 2
Зависимость вибрационных параметров ДО„ Дюг и Диг двухфазного водовоздушного потока от вибрационного ускорения пв = (5^ 17)^ при ^ = 150 Гц
AQ, л/с 0,1070 0,1061 0,1060 0,1050 0,1056 0,1057 0,1058 0,1060
Дю, см2 0,602 0,603 0,604 0,605 0,606 0,607 0,608 0,611
Au, м/с 1,781 1,760 1,755 1,740 1,743 1,741 1,740 1,733
njg 6 7 8 9 10 11 13 17
Зависимость вибрационных параметров ДО„ Дюг и Диг двухфазного водовоздушного потока от ускорения пв = (8^ 20)^ при ^ = 200 Гц
AQr, л/с 0,1070 0,1060 0,1056 0,1055 0,1050 0,1046 0,1040 0,1030
Дюг,см2 0,6010 0,6020 0,6026 0,6032 0,6032 0,6034 0,6042 0,6050
Aur, м/с 1,779 1,759 1,752 1,749 1,739 1,734 1,730 1,711
Пв /g 8 10 11 12 13 14 15 20
Таблица 3
о 120 Гц д 200 Гц -Полиномиальный (120 Гц) -Полиномиальный (200 Гц)
Рис. 1. Влияние вибрационных частот /в = 120 и 200 Гц на зависимость изменения вибрационных скоростей и расходов газовой фазы дисперсной структуры
Диг, м/с
Дюг, см2
о 120 Гц д 200 Гц -Полиномиальный (120 Гц) -Полиномиальный (200 Гц)
Рис. 2. Влияние вибрационных частот /в = 120 и 200 Гц на зависимости изменений вибрационных скоростей и живых сечений дисперсной структуры
На рис. 3 и 4 рассмотрена отдельно частота /в = 150 Гц, экспериментальные аномалии разброса точек этой частоты можно объяснить возможными резонансными явлениями водовоз-душного потока в поле поперечной вибрации, приводящими к неожиданной смене структуры на плёночно-дисперсную. Увеличение расхода AQг прямо пропорционально, а живых сечений Люг обратно пропорционально скорости Диг дисперсной структуры.
Диг, м/с
Дбг, Л/С -о-150 Гц
Рис. 3. Влияние вибрационных частот /в = 150 Гц на зависимость изменения вибрационных скоростей и расходов газовой фазы дисперсной структуры
Диг, м/с
Дюг, см2 -о-150 Гц
Рис. 4. Влияние вибрационной частоты /в = 150 Гц на зависимость изменения вибрационных скоростей и живых сечений дисперсной структуры
В табл. 1, 2 и 3 при изменении пв в пределах табличных диапазонов параметры ЛQ, Лю и Ли изменяются примерно на 3 %. Это в пределах погрешностей аналогичных экспериментов, т.е. влияние вибрационных ускорений пв на величины ЛQ, Лю и Ли незначительно.
Исследование высокочастотных импульсных воздействий на дисперсную структуру на базе соответствующих фотографий и пространственно-графической номограммы позволяет сделать заключение, что варьирование вибраци-
онных ускорений в пределах пв = (5^16^ при /в = 120 Гц может привести к изменению первоначальной дисперсной структуры к плёночно-дисперсной структуре (рис. 5), если вибрационное ускорение пв > 9g. При пв < 9g дисперсная структура останется прежней. Параметры табл. 1 получены по данным [11]. В случае отсутствия тарированного датчика ускорений калибровку рабочего датчика можно производить путём измерения вибрационных смещений 5 стола вибратора с помощью вибрографа ВР-1 или микроскопа и по формуле из [12], вибрационное ускорение
Пв = 4п2 /в2 5 / 9810 к
в 500
Использование трёхмерных графических зависимостей (рис. 5, 6 и 7) позволяет определить параметрическую физическую связь параметров потока и определить раздел структур при изменении вибрационных ускорений.
В работе [11] (рис. 4, с. 67) приведена фотография с нулевыми вибрационными параметрами /в = 0, пв = 0.
Используя данные табл. 1, можно построить трёхмерную пространственную модель (рис. 5).
В первом октанте физический смысл пространственной кривой характеризуется увеличением скорости дисперсной структуры с уменьшением её живых сечений и увеличением расходной составляющей.
Увеличение вибрационных сопротивлений в четвёртом октанте пропорционально живым сечениям и обратно пропорционально расходу дисперсной структуры.
Скорость дисперсной структуры обратно пропорциональна её вибрационному сопротивлению.
Из рис. 5 следует:
1. При увеличении гидравлических сопротивлений из-за вибрации канала трубы уменьшался расход газовой среды пропорционально, -в зоне дисперсной структуры до пв = 12g и ЛQг = = 1,035 л/с, после чего увеличение вибрационных сопротивлений, характеризующих зону дисперсно-плёночной структуры, приводит к увеличению расхода газовой фазы.
2. В зоне дисперсной структуры до пв = 12g и Люг = 0,61 см2 наблюдается пропорциональное увеличение скорости живого сечения газовой фазы, а с увеличением вибрационных сопротивлений в зоне дисперсно-плёночной структуры увеличение живого сечения приводит к постепенному уменьшению роста скорости. С переходом критического значения скорость начинает плавно снижаться.
3. Максимальным значениям скорости дисперсной структуры соответствуют минимальные значения вибрационных сопротивлений. Таким образом, увеличение вибрационных ускорений снижает скорости рассматриваемых структур, являясь их гидродинамическим сопротивлением.
По табл. 2 и 3 построим пространственные модели (рис. 6 и 7).
Исследования высокочастотных импульсных воздействий на дисперсную структуру, на базе фото- и пространственно-графической номограммы (рис. 6), позволяют сделать заключение, что варьирование вибрационных ускорений в пределах пв = 6^17g при /в = 150 Гц может привести к замене первоначальной дисперсной структуры на плёночно-дисперсную структуру, если вибрационное ускорение пв > 1 1g. При пв < дисперсная структура останется прежней.
Исследование высокочастотных импульсных воздействий на дисперсную структуру на базе фото- и пространственно-графической номограммы (рис. 7) позволяют сделать заключение, что варьирование вибрационных ускорений в пределах пв = 8^20g при /в = 200 Гц может привести к замене первоначальной дисперсной структуры на плёночно-дисперсную структуру, если вибрационное ускорение пв > 12g. При пв < 12g дисперсная структура останется прежней. Регулятором этого перехода являются вибрационные сопротивления.
Пояснительные фотографии к рисункам фиксируют переход дисперсной в плёночно-дисперсную структуру, что сопровождалось сепарацией жидкой фазы, её перемещением в нижнюю часть трубы. Нормальные колебания частиц дисперсного потока принуждают изменять прямолинейно-поступательное движение газожидкостной смеси, что и приводит к изменению её скорости. Контакт микрочастиц со стенками трубки оказывает меньшее воздействие на скорость дисперсных структур в сравнении с другими режимами двухфазных потоков. При плёноч-но-дисперсном течении жидкая пленка оказывает сопротивление на скорость вновь образовавшейся структуры. Показания ротаметра также свидетельствуют об этом.
Параметры номограмм наиболее наглядно характеризуют процессы графических зависимостей. Линии связи, соединяющие эти параметры, определяют, как тот или иной параметр связан с другими и в какой зависимости он с ними находится. Замкнутые линии связи характеризуют точечные замеры эксперимента.
Ли, м/с
Зона дисперсной структуры
I
Зона
дисперсно-пленочной структуры
К ш
/в = 120 Гц ; nB=\6g Плёночно-дисперсная структура
/в = 120 Гц; nB=5g Дисперсная структура
Рис. 5. Количественные зависимости между параметрами AQ, Лю и Ли и пв = 5 ^ 16g при частоте /в = 120 Гц
На рис. 5, 6 и 7 горизонтальные плоскости являются связующим звеном между двумя трёхмерными четвертями (первой и четвёртой). На этих плоскостях позиционируют два параметра, обратно пропорциональные друг другу. С увеличением вибрационных характеристик происхо-
дит смена структур. На трёх номограммах (рис. 5, 6 и 7) показан переход и зональная несовместимость переходящих одна в другую структур. От увеличения вибрационных смещений скорость дисперсной структуры переходит в плёночно-дисперсную структуру, так как жидкая фаза час-
тично превращается в плёнку, которая заполняет часть живого сечения между участком дисперсности и поверхностью трубы, что видно на фотографиях рис. 5, 6 и 7. Классическое скольжение жидкой фазы по поверхности трубы исключено при воздействии на него поперечной вибрации.
Анализ рис. 5, 6 и 7 показывает изменение направления крутизны пространственных кри-
вых при изменении структур, тем самым подтверждая замеченную ранее закономерность изменения первоначальной дисперсной структуры. Жидкая фаза плёночно-дисперсной структуры в трубе распределена неравномерно, так как движущийся в середине трубы дисперсный поток прижимает жидкую плёнку, а вибрационные смещения отрывают её от стенок.
Рис. 6. Количественные зависимости между параметрами ДQ, Лю и Ли и пв = 9 ^ 23g при частоте /в = 150 Гц
Зона
дисперсно-пленочной структуры
Зона дисперсной структуры
/в = 200 Гц; пв = : Плёночно-дисперсная структура
/в = 200 Гц; ив = 10g Дисперсная структура
Рис. 7. Количественные зависимости между параметрами ДQT, Люг и Лиг и пв = 10 ^ 28g при частоте/в = 200 Гц
Графическое обоснование номограмм рис. 5, 6 и 7 можно представить так:
1. В первом октанте на фронтальной, профильной и горизонтальной плоскостях (Лиг, ДQг,), (Лиг, Люг) и (Люг, ДQг) на всех трёх рисунках кривые имеют ключевые точки, после которых изменяются их закономерности. Увеличение
частоты вибрации способствуют более чёткой фиксации этих изменений.
2. В четвёртом октанте на фронтальной, профильной и горизонтальной плоскостях (пв, ЛQг,), (пв, Люг) и (Люг, ЛQг) на всех трёх рисунках кривые имеют аналогичный характер.
3. Аксонометрия кривых октант подтвер- деухфазных средж. Hовоcибирcк, I979. С. 37 - 47.
ждает вышесказанное. С увеличением Лиг уменьшаются Люг и увеличиваются ЛQг. Места излома
Ковревский А.П. Экспериментальные и теоретические исследования свободных колебаний труб, содержащих протекающую жидкость. // Изв. вузов. Энергетика. 1964.
соответствуют смене режима. С увеличением пв № 4. С. 69 - 94. уменьшаются ЛQг и увеличиваются Люг. 6. Похвалов Ю.Е., Субботин В.И., Юнин А.А. Некоторые
Скорость вибрации двухфазных потоков в временные и структурные характеристики снарядного
поле поперечной вибрации вибрационного стола прямо пропорциональна расходу и обратно про-
режима течения пароводяной смеси // Вопросы теплофизики ядер реакторов. М., 1980, № 9. С. 31 - 35. 7. Сенькина Э.В. Профиль скорости газожидкостного пото-
порциональна живым сечениям, а увеличение ка // Теоретические основы химической технологии. вибрационного ускорения пропорционально жи- 1976. № 5. Т. Х. С. 21 - 28.
вым сечениям и обратно пропорционально рас- 8. Характеристики монодисперсной газожидкостной смеси
при течении в вертикальной трубе / Н.В. Валукина [и др.] //
ходу двухфазных структур.
Инженерно-физический журн. 1979. № 4. Т. XXXVI.
Графические и аналитические интерпрета- с. 13 - 15.
ции эксперимента являются анализаторами фи- 9. Григорьева В.А., Зорина В.М. Тепло- и массобмен: тепло-
зической сути технический экспериментальный справочник. М., 1982.
С. 102.
Литература 10. Левкин Ю.С. Влияние поперечной вибрации на изменения первоначальной дисперсной структуры // Динамика
1. Уоллис Г. Неравновесные двухфазные течения // Теоре- и виброакустика машин: тр. второй Междунар. науч.-тические основы инженерных расчётов. Серия D. 1974. № 3. техн. конф., СГАУ, 2014. Т. 1, С. 20 - 26.
2. Баттерворса Д. и Хьюитта Г. Теплопередача в двух- 11. Левкин Ю.С. Исследование влияния поперечной вибра-фазном потоке: пер. с англ. М.: Энергия, 1980. Т. 34. ции на скорость двухфазного потока дисперсной струк-
3. Латышев Л.А., Рутовский Н.В., Тихонов В.В. Экспери- турной модели // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. ментальное исследование влияния вибрации трубопро- науки. 2012. № 3. С. 63 - 67.
водов на параметры текущей в них жидкости // Тр. 12. Минприбор Главточмашприбор. Вибрационный элек-
МАИ. Вып. 119. 1965. тромагнитный стенд ВЭДС-200А: описание, инструк-
4. Шрейдер И.П. Многоволновые модели распределения ция по эксплуатации и паспорт / Завод «Виброприбор». возмущений // Гидродинамика и теплообмен в одно- и Таганрог.
References
1. Uollis G. Neravnovesnye dvukhfaznye techeniya [Nonequilibrium two-phase currents]. Teoreticheskie osnovy inzhenernykh raschetov, 1974, no. 3.
2. Battervorsa D., Kh'yuitta G. Teploperedacha v dvukhfaznom potoke [Heat transfer in a two-phase stream]. Moscow, Energiya Publ., 1980, vol. 34.
3. Latyshev L.A., Rutovskii N.V., Tikhonov V.V. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya vibratsii truboprovodov na parametry tekushchei v nikh zhidkosti [Pilot study of influence of vibration of pipelines on parameters of the liquid flowing in them]. Tr. MAI, 1965, vyp. 119.
4. Shreider I.P. Mnogovolnovye modeli raspredeleniya vozmushchenii [Multiwave models of distribution of indignations]. Gidrodinamika i teploobmen v odno- i dvukhfaznykh sredakh, 1979, pp. 37-47. [In Russ.]
5. Kovrevskii A.P. Eksperimental'nye i teoreticheskie issledovaniya svobodnykh kolebanii trub, soderzhashchikh protekayushchuyu zhidkost' [Pilot and theoretical studies of free fluctuations of the pipes containing the proceeding liquid]. Izv. vuzov. Energetika, 1964, no. 4, pp. 69-94. [In Russ.]
6. Pokhvalov Yu.E., Subbotin V.I., Yunin A.A. Nekotorye vremennye i strukturnye kharakteristiki snaryadnogo rezhima techeniya parovodyanoi smesi [Some temporary and structural characteristics of the snaryadny mode of a current of steam-and-water mix]. Voprosy teplofizikiyader reaktorov, 1980, no. 9, pp. 31-35. [In Russ.]
7. Sen'kina E.V. Profil' skorosti gazozhidkostnogo potoka [Profile of speed of a gas-liquid stream]. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii, 1976, no. 5, vol. X, pp. 21-28. [In Russ.]
8. Valukina N.V. [i dr.] Kharakteristiki monodispersnoi gazozhidkostnoi smesi pri techenii v vertikal'noi trube [Characteristics of monodisperse gas-liquid mix at a current in a vertical pipe]. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal, 1979, no. 4, vol. XXXV, pp. 13-15. [In Russ.]
9. Grigor'eva V.A., Zorina V.M. Teplo- i massobmen: teplotekhnicheskii eksperi-mental'nyi spravochnik [Warm and mass exchange: heattechnical experimental reference book]. Moscow, 1982, 102 p.
10. Levkin Yu.S. [Influence of cross vibration on changes of initial disperse structure]. Dinamika i vibroakustika mashin: tr. vtoroi Mezhdunar. nauch.-tekhn. konferentsii [Dynamics and vibroacoustics of cars: works of the second International scientific and technical conference]. SGAU, 2014, vol. 1, pp. 20-26. [In Russ.]
11. Levkin Yu.S. Issledovanie vliyaniya poperechnoi vibratsii na skorost' dvukhfaznogo potoka dispersnoi strukturnoi modeli [Research of influence of cross vibration on the speed of a two-phase stream of disperse structural model]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2012, no. 3, pp. 63-67. [In Russ.]
12. Minpribor Glavtochmashpribor. Vibratsionnyi elektromagnitnyi stend VEDS-200A: opisanie, instruktsiya po ekspluatatsii i pasport. Zavod «Vibropribor» [Minpribor Glavtochmashpribor. Vibration electromagnetic VEDS-200A stand: description, maintenance instruction and passport. Vibropribor plant]. Taganrog.
Поступила в редакцию после доработки 5 февраля 2016 г.
