Результаты экспериментальных исследований критического расхода и реакции струи вскипающей жидкости от начальных параметров потока и геометрии канала.

Методику расчета критического расхода.

Методику определения положения фронта парообразования на базе турбулентной модели.

Двумерную модель адиабатного течения вскипающей жидкости.

Результаты численного моделирования структуры и паросодержания двухфазного парожидкостного потока.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений», ЦАГИ, г. Жуковский, 2004 г.; XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященном 90-летию академика С.С. Кутателадзе, Москва-Новосибирск, 2004 г.; Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, Украина, 2005 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2006 г.; Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2006 г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеперечисленных конференций, а также в журнале «Известия вузов. Авиационная техника». Всего по материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы 127 наименований, содержит 70 рисунков, 10 таблиц - всего 128 страниц.

двухфазный поток жидкость парообразование

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы и сформулированы задачи исследования, изложены основные научные результаты и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса и сформулированы задачи настоящего исследования, рассмотрены модели для определения характеристик двухфазного потока.

В большинстве опубликованных экспериментальных работ изучались течения насыщенных жидкостей в цилиндрических каналах с острой входной кромкой, и в гораздо меньшей степени течения вскипающей жидкости в каналах переменного сечения.

Рассматриваются модели двухфазного потока, начиная с относительно простой модели (гомогенная модель) и кончая сложными моделями (двух-жидкостная модель, многослойная полидисперсная модель) и показано, что трудности связаны с левой частью уравнения сохранения (зарождение паровой фазы, ее рост, взаимодействия между фазами, тепло- и массоперенос).

Из анализа литературных данных следует, что наиболее сложным в динамике жидкости является моделирование многофазных потоков. Несмотря на то, что разработано много различных моделей, до сих пор не создана универсальная модель, описывающая все физические процессы, происходящие в двухфазном потоке. Каждая модель имеет преимущества, недостатки и ограничения. Выбор модели обычно зависит от решаемой задачи. В этой главе также проанализированы различные модели для определения критического расхода.

Во второй главе представлено описание экспериментального стенда разработанного и изготовленного в соответствии с поставленными задачами; приведены методики проведения экспериментальных исследований и обработки результатов измерений с последующим расчетом их погрешности.

Стенд (рис. 1) состоит из расходного бака, нагревательного элемента, рабочего участка; датчиков давления, датчиков температуры, датчика тяги, электрического двигателя; турбинного датчика расхода, вентиля, отсечного клапана, предохранительного клапана, и опор. Экспериментальный стенд позволяет исследовать течения вскипающей жидкости потока в каналах различной формы.

Стенд позволяет измерять температуру и давление рабочего тела на входе в экспериментальный участок, распределение статического давления по тракту канала, расход рабочего тела, реактивную тягу, проводить фоторегистрацию потока за срезом канала. Форма исследованных каналов показана на рис.2, а размеры в таблицах 1 и 2.

Рис. 1. Экспериментальный стенд: 1-расходный бак; 2- нагревательный элемент; 3- рабочий участка; 4- датчики давления ДДМ; 5- датчики температуры; 6- датчика тяги; 7- электрический двигатель; 8-турбиный датчик расхода; 9- вентиль; 10- отсечной клапан; 11-опоры; 12- предохранительный клапан

Таблица 1

Таблица 2

Рис.2. Исследованные каналы

В третьей главе предложен инженерный метод для определения характеристик двухфазного потока в одномерной постановке (итерационный метод). Уравнения сохранения замыкались экспериментальными данными, и были вычислены объемное паросодержание и перегрев жидкости. Принимались следующие допущения: поток одномерный стационарный; процесс изоэнтропный; скорости фаз одинаковы; паровая фаза находится в насыщеном состоянии; жидкая фаза может находиться в метастабильном (перегретом) состоянии; трение отсутствует.

Система уравнений включает:

· уравнение неразрывности;

· уравнение импульсов;

· уравнение энергии.

Для определения объемного паросодержания, скорости и температуры жидкой фазы в качестве условий, замыкающих систему уравнений, были использованы следующие экспериментальные данные: по расходу жидкости через сопло G=G(P0), по распределению статического давления P=P(L) и геометрии канала F=F(L). Перегрев жидкой фазы ?Тж в парожидкостном потоке в произвольном сечении с координатой Li определялся как

Результаты расчетов параметров потока по предложенной методике представлены на рис. 3.

С целью определения влияния растворенного газа на условия парообразования в потоке жидкости рассмотрена гомогенная двухфазная модель. Эта модель базируется на следующих допущениях:

· система состоит из жидкости, ее паров и неконденсируемого газа;

· процесс адиабатный;

· скорости фаз различны.

В среде рассматриваются процессы образования и конденсации паровой фазы. Массовое содержание неконденсируемого газа известно заранее и составляет xo=1.5·10-5 при начальном радиусе 1,5·10-5 м.

Уравнение неразрывности имеет вид:

(1)

где - усредненная массвая скорость и - плотность смеси; объемное паросодежание фазы ; - представляет массу, возникающую из-за кавитации.

Уравнение импульса для смеси может быть получено путем суммирования индивидуальных уравнений импульса для всех фаз:

 (2)

Где - число фаз, - массовая сила, - вязкость смеси

- скорость дрейфа фаз.

Уравнение для объемного паросодержания получается из уравнения неразрывности и имеет вид:

(3)

Выражения для скорости роста паровой фазы получены из уравнений Рэлея -Плессета. В функции от мгновенного давления они имеют вид:

(4)

(5)

где индексы l и v обозначают жидкость и пар, соответственно; Vch - характерная скорость, , К- турбулентная кинетическая энергия; - поверхностное натяжение жидкости, psat - давление насыщения, Ce=0,02 и Cc=0,01 - эмпирические константы. В модели учитываются колебания давления, вызванные турбулентностью.

С учетом эффектов, вызванных турбулентностью, колебаниями давления и наличием неконденсируемых газов, окончательные выражения для скорости роста пузыря имеют вид:

(6)

(7)

Результаты расчетов по изложенной выше модели представлены на рис.3.

Разработана физико-математическая модель многослойного неравновесного многофазного потоке в двухмерной постановке.

Поток имеет три структурных области: центральная жидкая струя (капельная жидкость), пузырьки пара в жидкости (пузырьковая среда), капли жидкости в паре (парокапельная среда).

Поток включает центральную жидкую струю (1), пузырьки пара (2), сплошную жидкую фазу в пузырьковой среде (3), сплошную паровую фазу в парокапельной среде (4), капли жидкости (5).

Межфазные взаимодействия показаны в таблице 3.

Таблица 3

где ?13 интенсивность массообмена на границе раздела жидкая струя -струя с пузырьковой структурой;

?32 интенсивность зарождения пузырей и их роста;

?24 интенсивность массообмена на границе раздела струя с пузырьковой структурой - струя с парокапельной структурой в результате частичной перестройки структуры в потоке;

?35 интенсивность массообмена на границе раздела струя с пузырьковой структурой - струя с парокапельной структурой в результате частичной перестройки структуры в потоке;

?54 интенсивность испарения жидкости на границе раздела капля-пар в струе с парокапельной структурой.

Уравнения сохранения имеют следующий вид:

(8)

(9)

(10)

где ?k , ?k, pk ,Uk , Tk, Hk - объемное паросодержание, плотность, давление, скорость, температура, энтальпия, cоответственно, для фазы k.

?ke и , ?ke Эффективная вязкость и теплопроводность фазы k, соответственно. Q k - тепло источник для фазы k.

Замыкающие условия:

турбулентная модель k - ?

количество жизнеспособных зародышей (N) в единице объема жидкости, определяемое как

(11)

V- объем жидкости; k1 = 0,6937865 - константа, ?- некий масштаб вихрей, ответственных за образование паровых пузырей в потоке жидкости.

, (12)

где lc - размер сопла, ?- кинематический коэффициент вязкости жидкости, u'- флуктуация скорости.

критический размер пузырей:

(13)

скорость роста пузырей:

на инерционном этапе

(14)

на термическом этапе

(15)

условия инверсии потока из пузырькового в парокапельный

(16)

скорость роста капель

 (17)

(18)

(19)

где c соответствует сплошной фазе.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик и структуры двухфазного потока, образующегося в процессе адиабатного течения воды в соплах Лаваля и цилиндрических каналах.

Экспериментальное исследование структуры и параметров двухфазного потока, образующегося в процессах адиабатного расширения воды, проводилось для случая, когда на вход в канал поступала жидкость с начальным паросодержанием =0, т.е. рассматривалось расширение жидкостей из состояний, лежащих выше кривой фазового равновесия жидкость-пар. Начальное давление в опытах изменялось в диапазоне от 0,5 до 4 МПа. Абсолютный начальный недогрев задавался от 1 до 8 К. Отношение противодавления за срезом канала к давлению на входе в канал, во всех экспериментах, было в диапазоне 0,221??0,462, т.е. имело место критическое истечение воды, при котором расход не зависел от противодавления.

При адиабатном расширении капельной жидкости вследствие понижения давления в каналах всех типов происходит образование паровой фазы. Появление паровой фазы сопровождается изменением структуры потока. Режимы течения и структура образующегося двухфазного потока зависит от параметров процесса и геометрии канала.

При исследовании процесса парообразования при течении недогретой воды в соплах Лаваля установлено, что выделение паровой фазы начинается в расширяющейся части канала в области минимального сечения сопла. Первоначально паровая фаза образуется в пристенном слое и формируется ярко выраженный фронт испарения, сходящийся к ядру потока.

В цилиндрических каналах с острой кромкой процесс парообразования начинается в входном участке канала. При обтекании жидкостью острой кромки образуется паровая каверна, и в центре потока сохраняется капельная структура. Протяженность центральной жидкой струи зависит от недогрева жидкости. Эксперметальные данные по расходу и тяги для цилиндрических каналах представлены на рис 6.

Расчет перегрева, температуры жидкости и паросодержания (только для расширяющейся части сопла) для различных сопл представлены на рис. (3а, 3б, 3в). С увеличением длины сопла при неизменных начальных условиях перегрев жидкости увеличивается. При увеличении начальных параметров потока на входе канала происходит рост температуры жидкости. В то же время, с увеличением длины канала происходит снижение температуры жидкости. Процесс парообразования начинается в горле, объемное паросодержание резко увеличивается и достигает значений ??0,6 при F/Fг=0,6. При увеличении длины канала происходит рост объемного паросодержания, которое достигает значений ??1,0 на срезе.

В области умеренных начальных параметров (?<0,85) перегревы меньше предельных и только для случаев истечения жидкости из околокритической области состояний значения перегревов соизмеримы с предельными, т. е. в этих случаях реализуется механизм гомогенного парообразования. Расхождения теоретических и экспериментальных результатов (рис. 4) при исследовании парообразования в области умеренных и низких начальных параметров, объясняется влиянием других факторов: растворенного газа, газа, содержащегося в микровпадинах стенок, примесей, гидрофобных частиц и турбулентных вихрей.

(а) (б)

а) Перегревы жидкости по длине сопла;

б) метастабильная температура жидкости

по длине сопла;

в) объемное паросодержание по длине сопла.

¦ сопло №-2 ?=17о, Аср/Аг=4 Ро=3,445МПа, То=240,26оС

? сопло №-4 ?=17 о, Аср/Аг=9 Ро=3,4 МПа, То=237,22оС

^ сопло №-6 ?=17 о, Аср/Аг=16 Ро=1,349МПа,То=238,25оС(в)

Рис.3.

Рис.4. Предельные перегревы для H2O

Влияние начальных параметров на течение вскипающей жидкости.

Влияние температуры. При больших недогревах за горлом сопла происходит отрыв потока с образованием паровых каверн, возникает шум и пульсации давления, происходит разрушение пузырьковой структуры потока и конденсация пузырей. С увеличением температуры уровень шумов и пульсаций давления уменьшаются, а протяженность фронта испарения сокращается.

Влияние давления. Изменение начального давления при неизменной температуре жидкости мало влияет на процесс парообразования.

Влияние геометрических факторов на расход вскипающей жидкости.

Влияние угла раскрытия сопла. Существует предельное значение ?, больше которого угол раскрытия сопла, практически, не влияет на расход (для плоских сопел в диапазоне ? = 0 - 17о, и для осесимметричных сопел в диапазоне ? = 0-12о) (рис.5).

Влияние длины расширяющейся части сопла. Длина расширяющейся части сопла влияет только в коротких каналах L/d<3. Дальнейшее увеличение длины расширяющейся части приводит к незначительному снижению расхода.

Влияние длины цилиндрического канала. По мере увеличения длины канала от L/d = 0 до L/d =20, при прочих равных условиях, происходит уменьшение расхода. При больших L/d >20 не влияет на расход.

Влияние начального давление на тягу потока в сопле Лаваля. По мере увеличения начальных параметров потока происходит рост тяги (рис.7). Основное влияние оказывают относительная длина расширяющейся части сопла, угол раствора и связанная с длиной канала степень расширения. Аналогичные результаты получены для каналов постоянного сечения, в которых с увеличением длины канала происходит существенное снижение тяги. Это объясняется влиянием длины канала на расход, так как расход снижается с увеличением длины канала.

Рис. 5. Экспериментальные данные по расходу вскипающей воды в соплах.¦ -сопло №-1? - сопло №-2 ^- сопло №-3;Ў - сопло №-4;¦- сопло № 5;< -сопло №-6 ;>; Тонконог ?=2о ;_ Кеворков и Тихоненко; ? Тонконог ?=6о; Коронкевич ? = 3о

Рис. (6)Зависимость удельного расхода и тяги от начального давления.(для цилиндрических каналов)

Рис.7 Зависимость импульса тяги от начального давления

¦ -сопло №-1? - сопло №-1 ^- сопло №-3;

Ў - сопло №-4;¦- сопло №-5;< -сопло №-6

Выполнены численные исследования условий парообразования и паросодержания двухфазного потока по двумерной модели для случая течения в соплах Лаваля воды, азота и метана.

В этой модели массоперенос определяется на основе модифицированного уравнения Рэлея, которое описывает только инерционную стадию роста пузыря. Результаты расчетов представлены на рис. 8-13. Имеет место удовлетворительное согласование результатов расчетов с экспериментальными данными. Модель дает завышенные результаты по объемному паросодержанию на стенках. Это объясняется предположениями, что течение изотермическое, число зародышей постоянное, отсутствует разрыв и коалесценция пузырей.

Рис. 8. Расчетное поле объемного паросодержания (H2O)

Рис. 9 Течение метана CH4 Po=0.5МПа, То=130К

Рис. 10 Течение азота N2 Po=2,036 МПа, То=92,9К

Рис. 11 Поле объемного паросодержания, сопло №-2; 2?=17о; Аср/Аг=4, dг=3 mm

Рис. 12 Поле объемного паросодержания, сопло №-4 2?=17о Аср/Аг= 9 dг=3 mm

Рис. 13 Поле объемного паросодержания, сопло №-6 2?=17о Аср/Аг= 16, dг=3 mm

Обобщение экспериментальных данных.

Критический расход. Параметры, влияющие на расход, определены по экспериментальным данным. Величины, входящие в обобщение: начальное давление и температура, недогрев ?T, разность давления (Po-Ps), параметры критического состояния, плотность и вязкость жидкости и пара.

Получено шесть безразмерных групп с четырьмя повторяющимися переменными (d, ?f, ?f и Tc). Вид и влияние каждой группы предоставлены в таблице 4.

Таблица 4

Для определения расхода вскипающей жидкости через сопла Лаваля предлагается следующее критериальное уравнение:

(20)

На рис. 14 представлено сравнение результатов расчетов по ур.20 с экспериментальными данными.

Рис. 14. Сравнение экспериментальных значений критического расхода с результатами обобщения по ур. 20

Для определения перегрева жидкости, соответствующего условиям начала парообразования в потоке капельной жидкости, предлагается следующее критериальное уравнение:

(21)

Рис. 15 Сравненение результатов расчета пергревов жидкости по Ур. 21 с экспериментальными данными

Основные результаты и выводы

1. Выполнены экспериментальные исследования по определению влияния начальных параметров потока и геометрии каналов на расход, тягу и структуру потока.

2. Проведено параметрическое исследование характеристик потока с использованием одномерных и двумерных моделей для случая адиабатного истечения различных жидкостей через сопла Лаваля.

3. Показано определяющее влияние турбулентности на условия зарождения паровой фазы и структуру потока.

4. Разработана многослойная модель неравновесного потока с фазовыми переходами в двумерной постановке.

5. Предложены инженерные методы определения характеристик двухфазного потока.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Бакоуш А.М. Режимы течения высоковлажной двухфазной среды./ Тонконог В.Г., Гортышов Ю.Ф., Лопатин А.А., Коченков А.Г., Бакоуш А.М.// ждународная научно-техническая конференция "Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений". Тезисы докладов. г. Жуковский, ЦАГИ, 21-24 сентября 2004.с.404-406.

2. Бакоуш А.М. Реактивный импульс тяги двухфазной струи./ Гортышов Ю.Ф., Тонконог В.Г., Лопатин А.А., Коченков А.Г., Бакоуш А.М. // XXVII Сибирский теплофизический семинар, посвященный 90-летию академика С.С. Кутателадзе. Тезисы докладов 1-5 октября 2004 г., Москва-Новосибирск, 2004. с.116-117.

3. Бакоуш А.М. Модель гетерофазного потока./ А.М. Бакоуш А. М., Тоноконог В. Г. // IV Международная конференция “Проблемы промышленной теплотехники” Тезисы докладов 26-30сентября 2005 г. Киев Украина с. 49-51.

4. Бакоуш А.М. Моделирование условий парообразования в потоке гетерофазной жидкости./ Тоноконог В. Г., Бакоуш А. М. // Международная научно-техническая конференция “Проблемы и перспективы развития двигателестроения” материалы докладов. 21-23 июня 2006 г. Самара с. 207-208.

5. Бакоуш А.М. Определение условий зарождения паровой фазы в потоке жидкости на основании гипотезы Дина./ А. М Бакоуш., В. Г. Тонконог. // Четвертая Российская национальная конференция по теплообмену. Доклады. Москва 2006. Т-4. с. 44-46.

6. Бакоуш А.М. Моделирование условий зарождения паровой фазы в потоке жидкости./ Тоноконог В. Г., Бакоуш А. М. //Изв. вузов. Авиационная техника. № 4, 2006. С. 47-49.

Размещено на Allbest.ur