CC BY
9
УДК 629. 78. 064 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-3-77-83
зависимость изменения скорости дисперснои и плёночно-дисперсной структуры от вибрационных
ускорений высокочастотных колебаний
changes of speed of disperse and film and disperse structure from vibration accelerations of high-frequency fluctuations
© 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]
Проведены исследования дисперсного двухфазного газожидкостного потока, подвергаемого поперечной вибрации. Получена зависимость изменения скорости двухфазного газожидкостного потока. Предложена новая единица её измерения - шаг вибрационной волны. Получен способ определения шага вибрационной волны в дисперсной структуре. С помощью графической структурной пространственной модели, использование которой позволяет определять вибрационную скорость при любом точечном замере реального времени, стало возможно понятие физической сути рассматриваемого процесса. При использовании графической карты в виде совмещённых пространственных моделей возможно решение технологических задач по стабилизации дисперсной структуры. Доказано, что изменение параметров рассматриваемого режима одной структуры изменяет её технологический режим, превращая в другую. Работу можно использовать во многих отраслях научной деятельности, в которых встречаются двухфазные потоки с дисперсной структурой.
Ключевые слова: двухфазный поток; газовая фаза; жидкая фаза; вибрационные параметры; поперечная вибрация; скорость двухфазной структуры; шаг вибрационной волны; вибрационное ускорение.
Conducted study of dispersed two-phase gas-liquid flow, subjected to transverse vibration. The obtained dependence of the rate of gas-liquid two-phase flow. The proposed new unit of measurement, the pitch of the vibration wave. Received method determining step of vibrational waves in a dispersed structure. Using the graphical structural spatial model, which allows to determine the vibration velocity at any spot metering realtime, made possible the concept of the physical nature of the considered process. The use of the graphics card, in the form of a combined spatial models, it is possible to solve technological problems and to stabilize the dispersed structure. It is proved that changes the parameters of the mode of one structure, changes its process mode, turning to another. The work can be used in many branches of scientific activity, in which there are two-phase flows with a dispersed structure.
Keywords: two-phase flow; gas phase; liquid phase; vibration parameters; transverse vibration; velocity two-phase structure, the pitch of the vibration; wave of the vibration acceleration.
Для современного уровня знаний неравно- 1) недостаточность понимания физических
весных двухфазных течений характерно сле- процессов;
дующее: 2) ненадёжность расчётов [1].
Проблему двухфазных течений нельзя считать окончательно решенной. Это связано со значительными трудностями теоретического исследования в общем случае неустановившихся, нестационарных и неравновесных двухфазных систем. Причём структуру и гидродинамику потока определяют не только гидравлическое сопротивление и истинные объемные паросодер-жания, но и интенсивность теплоотдачи, действительные объёмные паросодержания, устойчивость течения, степень термической неравновесности потока, условия возникновения кризиса теплообмена и пр. Полный теоретический анализ таких процессов возможен лишь в отдельных частных случаях, а поэтому значительная часть исследований, проводимых в этой области (в отличие от исследований однофазных систем), до настоящего времени остаётся в области эксперимента [2].
Кольцевая или дисперсная структуры потока практически всегда имеют место при входе в обогревательные каналы кипящих реакторов и парогенераторов. В отечественной и зарубежной литературе эти два режима течения часто объединяют одним названием «дисперсионно-кольцевой поток». Между тем проведённые во Всесоюзном теплотехническом институте исследования убеждают, что переход от кольцевого потока к дисперсионному существенно влияет на такие процессы, как кризис гидравлического сопротивления, отложение накипи на поверхности нагрева, ухудшение теплоотдачи. Отсюда возникает настоятельная необходимость чёткого определения параметров, при которых этот переход имеет место [3, 4].
На основе вышеперечисленных цитат и выводов в литературных источниках находим, что достоверность работы определяет её экспериментальное начало, то же мнение и у автора работы [5].
Существенным недостатком такого рода диаграмм является то, что они построены без учёта физических свойств газожидкостных потоков и их практическое применение возможно только для условий, сравнимых с теми, при которых производились эксперименты [6].
Вибрация на современном техническом уровне является неотъемлемой характеристикой большинства производственных процессов. Поэтому задачи управления вибрационными процессами и качественно более глубокое изучение физических процессов, связанных с воздействием вибрации, являются весьма актуальными.
Обзор литературных источников позволяет сделать вывод, что, несмотря на значительное количество проведённых исследований, физика вибрационных процессов, насколько нам известно, фактически не учитывает новизну полученных структурных моделей (их отличие от классических гидравлических структур). В настоящее время отсутствует описание природы физических процессов, происходящих при наложении вибрации на трубопроводные системы. Ясность как физических, так и гидравлических процессов возможна при визуальной регистрации эксперимента. С этой целью выбрана прямоугольная форма прозрачной трубы. Круглая труба визуально искажает реальность структурных образований потока.
Экспериментальные опыты проводились на стационарном стенде ДЭВС - 200-А (рис. 1).
О 1
„ 4,1 > „
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Вибрационный стол с вентиляционной продувкой - 1. Воздух подавался заводской компрессорной установкой, его расход определялся ротаметром РС-3 № 6091649 - 5, а расход воды рычажными весами ВМ-150 - 2. Прозрачная экспериментальная трубка - 3. Истечение воды происходило из алюминиевого бака 4, уровень водяного столба составлял 2260 мм. Блок питания и блок измерения вибрационного стенда - 6. Температура воды 7,5^8,1 °С и воздуха 8,7^8,9 °С, варьировались в узком диапазоне, да и температурная разница между носителями фаз была незначительной, что позволило исключить ощутимость массообмена.
2
Совокупность расходов фаз двухфазного потока является определителем её структуры. Сочетание расхода жидкой фазы Qв = 1,5 ^ 1,8 л/мин с газообразным Qг = 1,3 1,6 л/с позволило получить дисперсную структурную модель в прозрачной трубе с прямоугольным сечением (4*20 мм).
Зависимость скорости от расхода и живого сечения дисперсной структуры в поле поперечной вибрации можно выразить формулой
(1) [7].
Ли = Д®. (1)
Дю
Под влиянием вибрационных параметров происходят изменения в двухфазном потоке. Живое сечение начинает сужаться от поперечных колебаний, изменяя расход и скорость движения дисперсной структуры. Варьирование вибрационных ускорений воздействует на всю поверхность упругой трубы, изменяя скорость течения потока, по точечным замерам за время изменения живых сечений, что и отражено в формулах (2)
и (3).
t = Пв/Ли; (2)
Ли = (3)
где пв - вибрационное ускорение, g; t - время, с; Ли - вибрационная скорость газовой фазы, м/с; g = 9,81 м/с2, т.е. ускорение свободного падения; пв = пв^; пв - относительное ускорение. Вибрационное ускорение пв и вибрационная скорость газовой фазы Ли получены экспериментально, а время t и относительное ускорение пв - расчётным путём.
Символ Дивг заменим Ли, так как фактически имеем дело со скоростью газа, а дисперсионная фаза воды является её сателлитом.
Для ясности графического восприятия воспользуемся многомерной номограммой (рис. 7 из нашей работы [8]), продублированными на рис. 2, и номограммой рис. 3.
Необходимы геометрические преобразования, чтобы, мгновенную вибрационную скорость (Ли), точечного замера (любую конкретную точку номограмм), при помощи линий связи, как это показано на рис. 2, в октантовом исполнении, получить опытные параметры любого точечного замера, который фактически определяется при помощи двух номограмм.
Связывающим звеном двух номограмм является их общая ось z (Ли). По правилам вращения
геометрических тел (точек, прямых, поверхностей) вокруг оси вращения z (Ли) поворачиваем рис. 3 вокруг указанной оси на 180 °. Таким образом, положение вращаемой номограммы займёт шестую и седьмую октанты.
Вращая вокруг оси z, объединяем рис. 2 и рис. 3 в общую номограмму, где совместятся на оси ж (Люг с 0, а ось у (ЛQг с /) при иррациональном и не иррациональном их направлениях. При помощи линий связи можно получить соответствие вибрационной скорости расходу и живым сечениям, а также их соотношение с вибрационными ускорениями и временем, которое фиксируется в момент точечного замера скорости движения рассматриваемого потока, буквально по всем его экспериментальным точкам (мгновенная скорость).
Возможно построение технологической карты процесса по поддержанию одной из конкурирующих структур путём совмещения двух ранее рассматриваемых номограмм. Регулированием абсолютных величин параметров можно получить линии связи, по которым их изменения могут привести к смене структур. Совмещение двух номограмм не показано в связи с разностью их графического получения.
Воспользуемся одной из выбранных для иллюстраций частот / = 200 Гц и на базе экспериментальных данных (фотографий), вычертим номограмму рис. 2, иллюстрирующую переход дисперсной в дисперсионно-плёночную структуру. Двухфазный поток разделён плоскостью на две структурные зоны, которые определяются своими параметрами [8].
Генезис параметров поперечной вибрацией изменяет физическую закономерность гидравлических параметров.
Исследуем функциональные (результирующие) фронтальную (Лиг, Люг, пв) и профильную (Лиг, ЛQж, пв) плоскости (рис. 2).
Фронтальная плоскость (Лиг, Люг, пв).
1. Как в первой, так и в четвёртой октанте наблюдается расхождение в направлении кривых. Происходит смена структур.
2. Увеличение вибрационного ускорения приводит к снижению скорости потока обеих структур и к увеличению сопротивления.
3. Снижение скорости потока обеих структур обусловлено увеличением живого сечения, что возможно только при увеличении проходного отверстия трубки (штуцера).
/в =200 Гц пв =28 я /в =200 Гц пв =10 я
Плёночно-дисперсная структура Дисперсная структура
Рис. 2. Количественные зависимости между параметрами ДQг, Аюг и Аиг и пв = 10 ^ 28 g,
при частоте / = 200 Гц [8]
Профильная плоскость (Аиг, AQж, пв). 2. Увеличение вибрационных ускоре-
1. Как в первой, так и в четвёртой октанте ний приводит к уменьшению скорости обеих наблюдается излом направления кривой. Крити- структур, вызывая вибрационное сопротивле-ческая точка смены структур. ние.
3. Место излома превращает кривую в две автономные кривые, дисперсную и плёночно-дисперсную структуры.
На рис. 2 горизонтальная плоскость не служит объектом исследования, так как является двухмерной зависимостью, определяющей рассматриваемую структуру потока (аргументаль-ной плоскостью, т.е. не решающую вопрос, который поставлен в названии статьи, Ди = 0, пв = 0).
Сведём интересующие нас параметры в табл. 1, 2 и 3 и получим зависимость изменений скорости газовой фазы от времени и вибрационных ускорений (рис. 3).
Экспериментальные и расчётные данные, представленные в табл. 1 - 3, удовлетворительно аппроксимируются средствами MS Excel по методике, изложенной в [9, 10]. На рис. 3 получена зависимость вибрационной скорости от вибра-
ционного ускорения, выраженная эмпирическом формулой (4).
Ди = (0,00068/в Н7687К^000002-/в2+0,0006/в-0,0044.
(4)
Эмпирическая формула (4) имеет очень малую абсолютную величину степени, которой можно пренебречь.
Ди = (0,00068/в +1,7687)*ив; (5)
Ди =
8«
(0,16 /в +1,7687)1,45t
(6)
где / - частота вибрации, 1/с2; t - время, с, точечного замера вибрационной скорости Ди, м/с.
Для вибрационного ускорения получена эмпирическая формула (6), т.е. решение математическим способом физических величин.
Таблица 1
Зависимость изменения скорости газовой фазы в поле поперечной вибрации от вибрационных смещений и время, за которое это смещение происходит при частоте вибрации 120 Гц
Ди, м/с 1,760 1,752 1,737 1,729 1,720 1,719 1,700 1,680
«B(g) 5 6 7 8 9 10 12 16
«в = «B/g 0,51 0,61 0,71 0,81 0,91 1,02 1,22 1,63
t, с 0,091 0,107 0,124 0,141 0,157 0,175 0,208 0,274
Таблица 2
Зависимость изменения скорости газовой фазы в поле поперечной вибрации от вибрационных смещений и время, за которое это смещение происходит при частоте вибрации 150 Гц
Ди, м/с 1,781 1,760 1,755 1,740 1,743 1,741 1,740 1,733
«B(g) 6 7 8 9 10 11 13 17
«в = «B/g 0,61 0,71 0,81 0,91 1,02 1,12 1,32 1,73
t, с 0,11 0,127 0,144 0,161 0,181 0,198 0,234 0,306
Таблица 3
Зависимость изменения скорости газовой фазы в поле поперечной вибрации от вибрационных смещений и время, за которое это смещение происходит при частоте вибрации 200 Гц
Ди, м/с 1,779 1,759 1,752 1,749 1,739 1,734 1,730 1,711
«B(g) 8 10 11 12 13 14 15 20
«в = «B/g 0,81 1,02 1,12 1,22 1,32 1,42 1,53 2,04
t, с 0,146 0,182 0,200 0,217 0,233 0,251 0,270 0,349
Исследуем функциональные плоскости рис. 3 (Лиг,/в, Пв) и (Лиг, Г, Пв).
Фронтальная плоскость (Лиг, /в, пв).
1. Увеличение вибрационного ускорения не влияет на частоту вибрации, так как эти две величины и характеризуют саму вибрацию.
2. Увеличение вибрационных ускорений приводит к уменьшению скорости потока или сопротивлению на пути его движения.
Профильная плоскость (Лиг, t, пв).
1. Увеличение вибрационного ускорения приводит к уменьшению времени точечного замера. Уменьшается расстоянием между импульсами воздействия на опытную трубку.
Из сравнения поверхностей рис. 3, описываемых формулами (5) и (6) и рассчитанных в области изменения параметров, соответствующих проведенным экспериментам, следует, что пв существенно зависит от параметра t и слабее от частоты вибрации /в .
25 к
n
Рис. 3. Изменения скоростей дисперсной и плёночно-дисперсной структур Ди, подвергаемых вибрационным нагрузкам, от изменений параметров / и Г, пв
Полученная поверхность близка по форме цилиндрическому параболоиду; Ди имеет сравнительно более сложную зависимость. В области низких г имеем локальный минимум на частоте
порядка 140 150 Гц. С повышением Г указанный минимум нивелируется.
С физической стороны локальный минимум, возможно, характеризует резонансную частоту. Резкое увеличение смещений вибрационного стола приводит к уменьшению времени шага волны. Под шагом волны следует понимать расстояние между импульсами воздействия, которые вызывают волнообразования. Увеличение частоты вибрации приводит к уменьшению между гребнями или впадинами волн расстояния. Наглядность гармонических колебаний показана на псевдоламинарном потоке [11, с. 16]. Это совершенно другая структура, но возбудитель её (частота вибрации) прежний. Доминирующей фазой дисперсного потока является воздух - носитель жидкой фазы (капель). Воздействие вибрации на газообразную фазу, по-видимому, адекватно.
Отсюда возникает настоятельная необходимость чёткого определения параметров, при которых этот переход имеет место. В настоящей работе физическая связь параметров показана на рис. 3 и рис. 2 (рис. 7 в работе [8]), даны причины, влияющие на раздел структур (вибрационное воздействие на первоначальную структуру). Результаты исследования сведены в номограмму рис. 2, критические точки которой характеризуют смену структур. Каждая структура имеет определённый диапазон своих параметров. Так, аварийно безопасная дисперсная структура плавно, минуя критические точки, переходит в проблемную плёночно-дисперсную структуру, с вытекающими аварийными последствиями.
Литература
1. Уоллис Г. Неравновесные двухфазные течения // Теоретические основы инженерных расчётов. 1974. № 3. Сер. D.
2. Баттерворс Д., Хьюитт Г. Теплопередача в двухфазном потоке : пер с английского. М.: Энергия, 1980.
3. Хьюитт Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения. М.: Энергия, 1974. 408 с.
4. Дорощук В.В., Левитан Л.Л, Ланцман Ф.П. Определение границы между кольцевой и дисперсной структурами двухфазного потока // Тепломассообмен. Т. 3, № 22. Минск, 1976. С. 3 - 12.
5. Shreyder I.P. It is a lot of - wave models of distribution of indignations // Hydrodynamics and heat exchange in one and two-phase environments. Novosibirsk, 1979. P. 37 - 47.
t
6. Левкин Ю.С. Метод пространственно-графической интерполяции экспериментальных исследований двухфазных потоков // Ашировские чтения: тр. VII Междунар. науч.-практ. конф., г. Туапсе, 6 - 9 октября 2010. Самара, 2010. Т. 2. С 255 - 262.
7. Левкин Ю.С., Лушкин И.А. Влияние вибрационных сопротивлений 3g и 4g на дисперсную структуру низко- и среднечастотных колебаний // Вестн. Самарского аэрокосмического ун-та. 2015. Т. 14, № 4. С. 135 - 142.
8. Левкин Ю.С. Влияние вибрационных колебаний на характеристики структуры двухфазного потока // Изв. вузов.
Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2016. № 2. С. 112 - 119.
9. Хрипунов Н.В., Асанова О.Я., Панюкова Е.В. Применение EXCEL для обработки результатов инженерного эксперимента // Проведение научных исследований в области машиностроения: сб. материалов Всерос. науч.-техн. конф. с элементами научной школы для молодежи: в 3 ч. Тольятти, ТГУ, 2009. Ч 2. С. 111 - 116.
10. Хрипунов Н.В., Панюков Д.И. Компьютерные технологии в науке и производстве / ТГУ. Тольятти, 2013. 113 с.
11. Левкин Ю.С. Псевдоламинарный двухфазный режим: монография. Самара, 2013. 94 с.
References
1. Uollis G. Neravnovesnye dvukhfaznye techeniya [Nonequilibrium two-phase currents]. Teoreticheskie osnovy inzhenernykh raschetov, 1974, no. 3.
2. Battervors D., Kh'yuitt G. Teploperedacha v dvukhfaznom potoke [Teploperedacha in a two-phase stream]. Moscow, Energiya Publ., 1980.
3. Kh'yuitt Dzh., Kholl-Teilor N. Kol'tsevye dvukhfaznye techeniya [Ring two-phase currents]. Moscow, Energiya Publ., 1974.
4. Doroshchuk V.V., Levitan L.L, Lantsman F.P. [Definition of border between ring and disperse structures of a two-phase stream]. Teplomassoobmen: sbornik [Heatmass exchange: collection]. Minsk, 1976, pp. 3-12. [In Russ.]
5. Shreyder I.P. It is a lot of - wave models of distribution of indignations. Hydrodynamics and heat exchange in one and two-phase environments. Novosibirsk, 1979. Pp. 37-47.
6. Levkin Yu.S. [Ashirovsky readings]. Metod prostranstvenno-graficheskoi interpolyatsii eksperimental'nykh issledovanii dvukhfaznykh potokov: Trudy VII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Method of spatial and graphic interpolation of pilot studies of two-phase streams: Works VII of the International scientific and practical conference]. Tuapse, 2010, pp. 255-262. [In Russ.]
7. Levkin Yu.S., Lushkin I.A. Vliyanie vibratsionnykh uskorenii 3 g i 4 g na dispersnuyu strukturu nizko i srednechastotnykh kolebanii [Influence of vibration accelerations of 3 g and 4 g on disperse structure is low- and mid-frequency fluctuations]. Izdat. Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta, Samara, vol. 14, no. 4, 2015, pp. 135-142. [In Russ.]
8. Levkin Yu.S. Vliyanie vibratsionnykh kolebanii na kharakteristiki struktury dvukhfaznogo potoka [Influence of vibration fluctuations on characteristics of structure of a two-phase stream]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2016, no. 2, pp. 112119. [In Russ.]
9. Khripunov N.V., Asanova O.Ya., Panyukova E.V. [Application of EXCEL for processing of results of engineering experiment]. Provedenie nauchnykh issledovanii v oblasti mashinostroeniya. Sbornik materialov Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s elementami nauchnoi shkoly dlya molodezhi [Carrying out scientific researches in the field of mechanical engineering. The collection of materials of the All-Russian scientific and technical conference with elements of school of sciences for youth]. Tolyatti, 2009, part 2, pp. 111-116. [In Russ.]
10. Khripunov N.V., Panyukov D.I. Komp'yuternye tekhnologii v nauke i proizvodstve [Computer technologies in science and production]. Tolyatti, TGU, 2013, 113 p.
11. Levkin Yu.S. Psevdolaminarnyi dvukhfaznyi rezhim [Pseudo-laminar two-phase mode]. 2013, 94 p.
Поступила в редакцию 23 марта 2016 г.
