Создание аэрозольных сред с помощью автономных распылительных устройств, их эволюция и распространение в замкнутых объемах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Коровина Наталья Владимировна

СОЗДАНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ СРЕД С ПОМОЩЬЮ АВТОНОМНЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ, ИХ ЭВОЛЮЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

7 АВГ 2014

Томск - 2014

005551576

005551576

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, в лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ворожцов Борис Иванович

Официальные оппоненты:

Кузнецов Гений Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», кафедра теоретической и промышленной теплотехники, заведующий кафедрой

Ассовский Игорь Георгиевич, доктор физико-математических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, лаборатория физики горения твердых топлив, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск

Защита состоится 26 сентября 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на официальном сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: http://www.tsu.ru/content/news/announcement_of_the_dissertations_in_the_tsu.php

Автореферат разослан « 30 » июля 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук Щт/ Христенко Юрий Федорович

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В промышленности, современной технике, технологии и повседневной жизни необходимо учитывать процессы и явления, протекающие с участием аэрозольных систем. Исследование аэрозолей чрезвычайно важно, в частности, для организации охраны окружающей среды.

Среди многочисленных проблем, непосредственно влияющих на экологию и безопасность, можно отметить очистку и предотвращение распространения угольной пыли в шахтах, нейтрализацию облака токсичных аэрозолей в связи с аварийными выбросами производства и т.д.

Широкое распространение получили аэрозоли для дезинфекции воздуха, уничтожения микробов и вирусов. Для этого облако должно равномерно заполнить весь объем, а затем осесть мельчайшими капельками на поверхностях объекта (стены, пол, оборудование и т.д). Частично аэрозольные капли испаряются и в этом виде проникают во все щели, укромные места, трещины. Это наиболее экономный и эффективный метод использования дезинфицирующих веществ.

Аэрозоли используются в целях увлажнения воздуха на мукомольных и текстильных производствах. На данных производствах образуются облака ультрадисперсных частиц, которые способствуют взрыву, пожару, а также затрудненному дыханию рабочих, загрязнению и, как следствие, поломке оборудования, уменьшению освещенности рабочих мест. С этими негативными факторами можно бороться, зная закономерности их распространения, а также при помощи распыления жидкокапельного аэрозольного облака, которое адсорбирует пыль, и способствует осаждению этого аэрозоля.

В связи с перечисленными проблемами возникает необходимость проведения исследований по созданию пространственно-однородных аэрозольных сред в замкнутых объемах.

Для решения перечисленных задач необходимо разработать эффективные методы распыления жидкостей. Чем выше дисперсность получаемого аэрозоля, тем эффект достигается лучше, поскольку высокая удельно-массовая поверхность объема капли повышает скорость воздействия химических агентов. Так, например, аэрозольные лекарственные формы, рассматриваемые как альтернатива для инвазивного и перорального способа введения в организм, осаждаются в альвеолярной части легких человека и животных намного эффективнее, если характерный размер капель составляет всего несколько десятков нанометров. Следовательно, для практических задач большой интерес представляют аэрозоли с характерным размером частиц порядка одного микрона и менее, при этом в ряде задач требуется быстродействие создания таких аэрозолей. В задачах быстрого реагирования на возникшие угрозы также бывает важна автономность (независимость от источника электроэнергии) генератора аэрозоля и такая характеристика, как затраченная на распыление энергия по отношению к массе распыляемого вещества (от этого зависят размеры и вес устройства).

Потребности практики разработки компактных автономных распылителей для пространственно-однородного распыления жидкости, действующих ограниченно малое время, приводят к необходимости исследований принципов ударно-волнового распыления. Именно ударно-волновой способ дает возможность достичь высокой скорости получения аэрозолей. Однако до сих пор не ставилась задача и не были изучены процессы распространения полученных таким способом аэрозолей мелкодисперсных размеров, несмотря на потребности описанных выше практических приложений.

При реализации метода импульсного ввода энергии при создании аэрозоля используется энергия высокоэнергетических материалов (ВЭМ). ВЭМ широко используются в различных отраслях народного хозяйства. Кроме известного применения ВЭМ в качестве источников высокого давления, когда требуется -выделение большого количества энергии в короткий промежуток времени, большой интерес представляет преобразование энергии ВЭМ для генерации мелкодисперсного аэрозоля.

Импульсные автоматизированные системы могут монтироваться на самолете для тушения возгораний, пожаров, ликвидации взрывоопасных сред в моторных или обитаемых отсеках. Кроме быстродействия и высокой эффективности для замкнутых пространств летательных аппаратов с ограниченным объемом и ресурсами жизненного пространства весьма важна точность и пространственная однородность. Сказанное подчеркивает актуальность постановки исследований в данном направлении.

Цель диссертационной работы - экспериментально-теоретическое исследование процессов ударно-волновой генерации и распространения в замкнутом пространстве аэрозолей для обеспечения заданных пространственно-временных параметров аэрозольных полей с учетом физико-химических характеристик распыливаемых сред и параметров внешней среды.

Задачи исследований.

— Теоретическое исследование и выбор способов создания аэрозолей с требуемыми временными и дисперсными характеристиками;

— разработка и развитие физико-математической модели генерации, эволюции и распространения аэрозоля, полученного с помощью ударно-волнового распыления, в замкнутом объеме;

— разработка методики исследований: выбор методов и динамических средств измерения дисперсности, концентрации частиц, распространения облака аэрозоля в замкнутом объеме;

— исследование эволюции облака аэрозолей от условий распыления (влажность, температура среды, физико-химический состав распыливаемого вещества);

— экспериментальное исследование ударно-волнового распыления и пространственного распространения аэрозольного облака в замкнутом объеме сложной конфигурации.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются процессы ударно-волновой генерации, эволюции и распространения в замкнутом пространстве аэрозолей с учетом параметров внешней среды и физико-химических характеристик распиливаемых сред.

Научная новизна:

- На основе разработанной физико-математической модели ударно-волновой генерации и эволюции мелкодисперсного аэрозоля впервые проведены детальные исследования зависимостей концентрации и дисперсных параметров аэрозоля от физико-химических характеристик распиливаемых веществ и внешней среды в широком диапазоне исследуемых параметров;

- предложена физико-математическая модель распространения аэрозольного облака в замкнутом пространстве, получены новые аналитические выражения, позволяющие определять пространственно-временные зависимости концентрации частиц аэрозоля;

- впервые с использованием нового экспериментального стенда проведены исследования по распространению мелкодисперсного аэрозоля, полученного ударно-волновым методом, в замкнутом пространстве, в том числе сложной конфигурации;

- впервые экспериментально определены значения коэффициента конвективной диффузии капель мелкодисперсного аэрозоля в условиях ударно-волнового распыления. Получены новые экспериментальные результаты по диффузионному распространению аэрозоля в пространстве.

Практическая значимость.

Результаты проведенных исследований могут найти применение для создания устройств распыления мелкодисперсных аэрозолей, а также для оценок скорости распространения и концентрации аэрозоля в замкнутых помещениях, в том числе сложной пространственной конфигурации.

Исследования проводились в рамках проекта V.49.1.4 «Разработка теоретических основ, методов и высокотехнологических средств преобразования энергии высокоэнергетических материалов (ВЭМ) для генерации пространственно-распределенных полей субмикронных и наноразмерных частиц со специальными контролируемыми свойствами с целью дезактивации опасных химических агентов с одновременным дистанционным обнаружением и идентификацией опасных веществ», гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 12-08-90810-мол_рф_нр «Исследование влияния геометрических и режимных характеристик систем диспергирования на дисперсность, концентрацию, пространственное распределение и динамику развития факела распыла облака субмикронных аэрозолей», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» № 2012-1.4-12-000-4005-8160 «Повышение эффективности ракет космического назначения (РКН) с маршевыми жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) за счёт использования ресурсов отделяющихся частей (ОЧ), в том числе заключённых в невырабатываемых остатках компонентов ракетного топлива (КРТ) и накопленной энергии на

участке выведения для реализации программы прикладных и фундаментальных экспериментов».

Личный вклад диссертанта заключается в составлении научных идей, планировании исследований, разработке математической модели генерации и распространения облака аэрозоля в пространстве, в проведении экспериментов, обработке полученных данных, подготовке публикаций и докладов 'на конференциях. Все основные результаты диссертации получены автором лично, либо при его непосредственном участии в качестве ведущего исполнителя на всех этапах исследований.

Апробация работы.

Основные положения и научные результаты диссертационной работы обсуждались на XVII, XVIII и XIX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (г.Томск, 2010, 2011 и 2012гг.), VII Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 2011 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, экономике и образовании» (г. Бийск, 2011), V International Workshop HEMs-2011 «High Energy Materials: Demilitarization, Antiterrorism and Civil Application» (France, LaRochelle), X международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Новосибирск, 2012 г.); XXIII Всероссийском семинаре с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (г. Томск, 2012 г.), VI International Workshop HEMs-2012 «High Energy Materials: Demilitarization, Antiterrorism and Civil Application» (Gorniy Altai, Russia, 2012), IV научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов» (г. Бийск. 2012 г.), XVII научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2012 г.), 7th European Symposium on Non-Lethal Weapons (Ettlingen, Germany, 2013).

На защиту выносятся:

— Экспериментальные методы и средства исследования быстропротекающих процессов при ударно-волновом диспергировании жидкостей и распространении полученного аэрозольного облака в пространстве. Результаты экспериментального исследования эволюции облака аэрозолей в широком диапазоне параметров;

— результаты численных расчетов влияния параметров генератора, физико-химических свойств распыляемого аэрозоля и параметров окружающей среды на эволюцию аэрозольного облака;

— физико-математическая модель распространения аэрозольного облака в замкнутом пространстве. Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии мелкодисперсных капель, экспериментальное исследование по распространению аэрозольного облака в замкнутом объеме сложной конфигурации.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 работа, включая 6 статей в российских рецензируемых научных журналах, 1 статья в зарубежном журнале, входящая в систему цитирования РИНЦ, Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 100 наименований. Общий объем составляет 118 страниц, включая 5 таблиц и 48 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, состояние проблемы, сформулированы цель работы и задачи исследований.

В первой главе приведен обзор существующих методов распыления жидкости. Установлено, что для целей быстрого создания мелкодисперсного аэрозоля и заполнения им объема требуется разработать новую схему ударно-волнового распыления. Рассмотрено поведение капель, движущихся в газовой среде, показано влияние физико-химических свойств жидкости на процесс распада капель и образования облака аэрозоля.

Приведен анализ методов исследования параметров аэрозольного облака. Сделан выбор оптических методов измерения дисперсности и концентрации частиц аэрозоля.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу процесса импульсного распыления жидкостей с целью получения аэрозоля с заданными характеристиками.

Принципиальная схема ударно-волнового способа распыления жидкости

Рисунок 1 - Схема ударно-волнового распыления жидкости: 1 - корпус;

2 - распыляемая жидкость;3 - заряд ВЭМ; 4 - сопло

Истечение потока жидкости происходит из сопла 4. При срабатывании заряда ВЭМ, которое происходит за время порядка микросекунды, образуются газы под давлением в сотни атмосфер. Эти газы оказывают мощное импульсное воздействие на жидкость, вызывая распространение ударной волны. Наличие сопла обеспечивает постепенное истечение жидкости за счет поршневого выталкивания, не допуская прорыва газов, образовавшихся при взрыве. С другой стороны, обеспечивается полнота вытеснения жидкости.

Ударная волна в рассматриваемом устройстве, испытав один-два цикла отражения, быстро вырождается в серию акустических волн, и в этих условиях происходят процессы формирования кавитационной зоны. Максимальное давление в волне рт определяется давлением газов, образующихся во взрывной камере заполненной ВЭМ объемом В

Г-Ш

предположении мгновенной детонации давление газов составит рт = -1——

У

где у - показатель адиабаты продуктов детонации, <2 - энергия взрывчатого превращения ВЭМ.

При решении задачи в акустическом приближении из известных соотношений для интенсивности волновых процессов определена амплитуда смещения частиц в возбужденной волне:

¡Мж®1'

где со — частота колебаний, Мж- масса жидкости.

С учетом полного отражения волны от границы жидкости с воздухом, в слое жидкости толщиной Ь создаются резонансные колебания с длиной волны Х=2Ь и с частотой со=жс!Ь, где с — скорость звука.

Так как отражение волны происходит от границы с воздухом, в жидкость распространяется волна с противоположной фазой, то есть волна растяжения. Смещение частиц жидкости с амплитудой 2т в волне разгрузки (фаза растяжения) приводит к появлению разрыва и испарению жидкости в образовавшуюся каверну. Следующая затем фаза сжатия вызывает образование в массе жидкости шарообразных пузырьков заполненных водяными парами диаметром £>]. В предположении о пространственной однородности распределения таких пузырьков, определен диаметр кавитационного пузырька в зависимости от давления в жидкости:

= щ1к) ПГЪГР>

1 та \Мж V р'

где к— индекс кавитации (отношение объема жидкости в кавитационном элементе к объему кавитационного элемента).

Показана роль кавитации в процессе ударно-волновой генерации аэрозолей. Предложен механизм образования капель аэрозоля при истечении кавитированной жидкости. Предполагается, что в момент истечения кавитационный пузырек диаметром Д под давлением р, раздуется до рщ, и в этот момент разорвется на капли диаметром, равным толщине водяного слоя, получена оценка диаметра капель:

2

Рт

ЛР

|/г

Г

Рт

р)

Считая послойно количество выбрасываемых частиц, с учетом постепенного уменьшения давления, построена зависимость относительного количества частиц от их размеров, которая затем аппроксимирована функцией гамма-распределения.

Одним из способов улучшения геометрических характеристик факела распыла в модели ударно-волнового распылителя с целью быстрого и равномерного распыления жидкости является использование центрального соплового отражателя.

При математической постановке задачи используются следующие допущения.

1. Продукты детонации не смешиваются с жидкостью.

2. Процесс расширения продуктов детонации, являющимися идеальным газом, изоэнтропический.

3. Процесс истечения жидкости описывается уравнениями гидравлики.

Тогда система уравнений, моделирующая процесс истечения, имеет вид:

dVj = G

dt ~ р* ' р

— = const, р

где t — время; К/ — объем, занимаемый продуктами детонации; р* - плотность жидкости; р, р - давление и плотность газа продуктов детонации.

ш

у жидкое Рисунок 2 — Схема устройства

Расход жидкости G определяется соотношением G-S,-pk-u, где скорость истечения и описывается уравнением

¡Цр-Раи,)

V Р»*

Здесь S, - площадь истечения; ршт - атмосферное давление; pmix-плотность смеси газа и жидкости; ф-коэффициент расхода.

Расчет коэффициента расхода ср базируется на аппроксимации экспериментальных данных по коэффициенту потерь полного давления % при отклонении потока на угол а. Указанная зависимость аппроксимировалась функцией:

ш

\ = 0.0704а1

0.63

(1)

где угол отклонения а оценивался из геометрических соображений (рисунок 2) по выражению

а «

\нк ^

где Я - радиус «разбивающего» поток шара; Нк - приведенный радиус «жидкостного» цилиндра.

Из уравнения (1) определялся коэффициента расхода (р:

Фо

<Р =

где фо - коэффициент расхода за счет острых кромок, шероховатостей и пр. При вычислениях полагалось ф0=1. На рисунке 3 приведена аппроксимационная зависимость коэффициента расхода от угла отклонения потока а.

10 20 3!) 40 50 60 70 80 90 и, гдод

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента расхода от угла отклонения

потока

Третья глава посвящена теоретическому исследованию процессов эволюции и распространения облака аэрозолей.

В первой части главы предложена модель эволюции жидкокапельного аэрозоля с учетом процессов испарения и коагуляции в виде варианта интегрального уравнения Смолуховского, со стоком (испарение) и обрезанием спектра (осаждение):

—= 11+12+Г3, (2)

где /| описывает убыль капель с диаметром В за единицу времени в единице объема за счет столкновения капли диаметра И с любой каплей диаметра £>'

4,(0

/,=-/(А0 | вдгодя'.оаю', (3)

о

где К(ОуОг) - вероятность столкновения капель с диаметрами Ли £>'в единицу времени. Примем вероятность столкновения частиц пропорциональной их сечениям: К(П,Ог) = Ьк(Е>2 +й'2). Величина ПК„

определяется выражением: Окр = где Я - верхняя граница облака, О- '

ускорение силы тяжести, г| — динамическая вязкость среды, рч - плотность частицы. Все частицы с диаметром, большим, чем £>кр, осядут на момент времени /.

Член ¡2 описывает увеличение количества частиц диаметра О за счет столкновения капель с диаметрами £)' и О —И': , п

/2 = -1 К{й - й \ й ')/(£>', 0/(£> - £> ',ОсЮ' >

2 О

член /3 - уменьшение массы капель за счет их испарения:

Член уравнения /з имеет смысл для жидкокапельных аэрозолей, состоящих из мелкодисперсных капель, испарение для которых -существенно из-за большой кривизны их поверхности.

Дальнейшая часть третьей главы посвящена теоретическому исследованию процесса распространения аэрозольного облака в замкнутом объеме.

Для оценки характеристик диффузионного распространения частиц в пространстве используем уравнение диффузии в сферической системе координат:

* ■ (4)

сГ г' ёг \ сг

Для первичного облака радиусом г0 с начальной концентрацией частиц Со граничные и начальные условия имеют вид:

Рс

г=0: — = 0,

дг

г—>оо: с = 0, (5)

¡=0: с = \С°,Г ~ Г°' [0, г>г0.

Начальная концентрация частиц определяется по заданным значениям

т, г0:

о л з ' 4тгг03

С использованием преобразования Лапласа получено аналитическое решение уравнения (4) в виде:

С(г,0 = !|еПЬ

('-'о)2

-ег&

г + гй

-ехр

Сг + ,0)2

где С(/",г) - зависимость безразмерной концентрации <Л радиальной координаты и времени; — коэффициент конвективной диффузии; г0 — начальный радиус облака.

' Коэффициент диффузии, как правило, определяется из экспериментальных данных. Проведены исследования по определению коэффициента диффузии аэрозоля, полученного распылением водного 18 % раствора глицерина ударно-волновым способом. Эксперименты проводились с помощью лазерного измерительного комплекса ЛИД-2М и оптической системы позволяющей разделить пучок лазерного излучения на 3 луча, для измерения оптической толщины в разных сечениях камеры и на разном расстоянии от источника. Аэрозоль создавался в измерительной камере объемом 8 м3. Количество распыливаемого вещества 6 г. Экспериментальные данные аппроксимировались методом наименьших квадратов и с помощью решения уравнения диффузии (6), путем наилучшего совпадения с экспериментом было получено значения коэффициента диффузии £>¿=0,0012 м2/с. На рисунке 4 приведено распределение концентрации водного аэрозоля, по горизонтальной пространственной координате.

Рисунок 4 -Распределение концентрации аэрозоля со временем

Решение уравнения (6) для произвольных промежутков времени представлено на рисунке 5. Изменение концентрации во времени в трех точках на расстоянии от распылителя 1, 2 и 3 м для одного источника, масса распыляемой жидкости 3 г, первоначальный радиус аэрозольного облака 5 см, коэффициент диффузии взят в значении, полученном выше. Со временем происходит постепенное выравнивание концентрации в пространстве, однако полностью равномерное распределение наступает лишь асимптотически при Г->оо, 0.

Рисунок 5 - Зависимость концентрации аэрозоля от времени на разном расстоянии от распылителя (1, 2 и 3 м)

Из проведенных расчетов следует, что за время, порядка 150-200 секунд, концентрация аэрозоля с характерным размером частиц 10 мкм в пространстве с размером 3 м, практически, выровняется и будет приблизительно равной величине т/У, где т - масса распыленного вещества, V — объем помещения.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию процессов эволюции и распространения аэрозольного облака.

Для экспериментов использовалось устройство распыления, представляющее собой модификацию гидродинамической ударной трубки. Распыляемое вещество для создания жидкокапельного аэрозоля -дистиллированная вода. Исследование потоков аэрозоля проводились в измерительном боксе, при необходимости в боксе создавалась требуемая температура и влажность. Для контроля дисперсности и концентрации аэрозоля был использован лазерный измерительный комплекс ЛИД-2М, основанный на применении метода малоуглового рассеяния. В ходе проведения экспериментов камера заполнялась аэрозолем.

На рисунках 6-8 приведены зависимости среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при различных значениях влажности и температуры окружающей среды.

£>,,. мкм ОС,

11

О 20 40 ¿О 80 , 00 , 20 140 , 60 .¿0 200 Л с 0 20 <0 60 80 , 00 , 20 , 40 ,60 200,.с

а) б)

Рисунок 6 - Динамика изменения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при влажности 90 % и температуре 15 ° С

то

а)

О < 10 И 20 25 ГО 15 40 45 50 55 АО I. С б)

Рисунок 7 - Динамика изменения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при влажности 70 % и температуре 45 ° С

ас.

О И) -0 Ю 40 <0 6« 70 «0 90 100 ПО 120 ПО Т40 /,С о 10 20 10 40 М) пО 7» КО 90 10Л МО 120 ПО 140 1. С

а) б)

Рисунок 8 - Динамика изменения среднего объемно-поверхностного диаметра частиц (а) и относительной концентрации (б) водного аэрозоля при влажности 60 % и температуре 22 °С

Как следует из полученных результатов, с понижением температуры и ростом влажности, даже в небольших пределах, время испарения мелкодисперсного аэрозоля увеличивается в несколько раз. Дисперсный состав аэрозоля в опытах и в расчетах менялся незначительно'. При увеличении скорости испарения (в экспериментах с более высокой температурой и пониженной влажностью) расчетная концентрация уменьшается практически по линейному закону. В целом можно говорить об удовлетворительном согласии теоретических результатов с экспериментальными.

Помимо температуры и влажности окружающей среды на дисперсные характеристики капель также оказывают влияние физико-химические свойства распыляемых жидкостей. Как показали проведенные теоретические исследования, при расчете параметров аэрозоля водных растворов, содержащих слабоиспаряемое вещество (например, глицерин) необходимо учитывать изменение коэффициента диффузии молекул при изменении концентрации этого вещества в воде. В первую очередь, из раствора испаряется вода, постепенно уменьшая коэффициент диффузии вещества частицы:

где - коэффициент диффузии молекул воды, - коэффициент диффузии молекул слабоиспаряемого вещества в воздухе, Сеур — массовая доля испарившегося вещества, С& — начальная массовая доля слабоиспаряемого вещества в растворе.

В качестве модельных сред рассмотрены подсолнечное масло и водные растворы глицерина (20, 70 %). Данные вещества отличаются, прежде всего, коэффициентом диффузии молекул. Слабо испаряемые вещества -подсолнечное масло и глицерин — образуют аэрозоль, динамика которого обусловлена, в основном, коагуляцией и осаждением. Чем больше процент воды в растворе глицерина, тем больший эффект на процессы эволюции оказывает испарение вещества частиц.

На рисунке 9 приведены зависимости от времени относительной концентрации частиц для аэрозолей подсолнечного масла, 20-процентного и 70-процентного растворов глицерина.

Рисунок 9 — Динамика относительной массовой концентрации частиц аэрозоля: а) — подсолнечного масла; б) - 1 - 70 % раствор; 2 — 20 % раствор

По данным экспериментальных исследований видно, что на кривой изменения концентрации аэрозоля наблюдается резкое уменьшение обусловленное испарением воды из раствора. Дальнейшее уменьшение концентрации происходит в меньшей степени за счет испарения, в большей степени за счет коагуляции и осаждения частиц.

Таким образом, определяющий механизм эволюции аэрозоля существенно зависит от физико-химических свойств вещества, прежде всего, коэффициента диффузии молекул вещества в воздухе: для веществ с низким коэффициентом диффузии эволюция аэрозоля определяется коагуляцией и осаждением частиц, в противном случае ведущим механизмом является испарение.

Для выявления закономерностей по распространению аэрозольного облака в замкнутом объеме были исследованы следующие конфигурации

ограничивающая трубка

а) Г-образная, распыление в одной б) Г-образная, распыление в двух точке точках

Рисунок 10 - Конфигурации пространства и распределения генераторов в эксперименте

Рисунок 11 - Схема экспериментальной конфигурации: а - генераторы внизу, б — генераторы вверху

Для проведения экспериментов использовалась двухканальная лазерная измерительная установка ЛИД-2М, позволяющая измерять дисперсные характеристики в разных сечениях замкнутого объема. Распыляемое вещество - 18 %-ный раствор глицерина, масса которого составила 6 г.

В случае (рисунок 10 а) первый канал измерительной установки ЛИД-2М проводил измерения непосредственно над генераторами аэрозоля, второй канал измерял характеристики аэрозоля на расстоянии около 170 см от

гаюраяэры а>ро;нхч*

лазеры

генераторов за углом. Получено (рисунок 12 а), что в момент времени 28 секунд концентрация на двух каналах выравнивается, и облако аэрозоля становится равномерно распределенным в замкнутом объеме. В другом случае (рисунок 10 б), генераторы располагались в двух противоположных углах замкнутого объема, при этбм первый канал измерительной установки ЛИД-2М проводил измерения непосредственно над одним из генераторов аэрозоля, второй канал измерял характеристики аэрозольного облака посередине замкнутого объема на одинаковом (максимальном) расстоянии от генераторов. Результаты экспериментальных исследований представлены на рисунке 12 б. Для данной конфигурации характерно, что в момент времени 12 секунд концентрация на двух каналах выравнивается.

С„,Км> С„,г.'м5

и Т

■ 1 к» ила ♦ 2 канал

2 -Ь 1,5

0.5 0

♦ 2 ишал ■ I канал

30 40 б

60

Рисунок 12 - График изменения концентрации частиц аэрозоля в первую минуту после распыления а - для конфигурации 10 а; б—для конфигурации 106

Результаты эксперимента и расчеты приведены на рисунке 13. 1 С, г/м;

120 150 180 210 240 270 и с

Рисунок 13 - Зависимость концентрации от времени, численное решение (кривые) 1 - расстояние 0,25 м от источника, 2 - расстояние 0,75 м от источника, эксперимент (точки): квадраты - 0,25 м от источника (рисунок 10), круги - 0,75 м

от источника (рисунок 10 6), ромбы — за преградой (рисунок 10 а)

Как показывают и расчеты и эксперимент в небольшом пространстве (с характерными размерами 1-2 м) быстро, в течение 10-30 секунд, устанавливается, практически, равномерное распределение аэрозоля в пространстве.

В первом случае (рисунок 11 а) первый канал измерительной установки ЛИД-2М проводил измерения непосредственно над генераторами аэрозоля, второй канал измерял характеристики аэрозоля вверху за углом. Во втором случае (рисунок 11 б), генераторы располагались в верхней части замкнутого объема.

На рисунке .14 представлены графики изменения концентрации частиц при вертикапыюм распространения облака аэрозоля в конфигурации (рисунок 11).

с„

4,5 4

3.5 3

2,5 2

13 1

0,5 О

► Л канал I ) КП148-1

С..Г/М1 7 ■

6 5 4 3 2 1

0 *

* 2 кандл ■ 1 К.И1Ш1

10 20 30 40 50 60 (.с

а б

Рисунок 14 — График изменения концентрации частиц аэрозоля в первую минуту после распыления а—для конфигурации 11 а; б—для конфигурации 116

Полученные данные показывают (рисунок 14 а), что в интервале времени 10-30 секунд концентрация на двух каналах выравнивается, и облако аэрозоля становится равномерно распределенным во всем замкнутом объеме со средней концентрацией 0,9 г/м3. При расположении генераторов в верхней части объема (рисунок 14 б) выявлено, что в момент времени 30 секунд концентрация на двух каналах выравнивается до 0,4 г/м3.

На рисунке 15 показано сравнение экспериментальных данных с численным расчетом при распространении аэрозоля вертикально. При распространении аэрозоля вертикально концентрация, так же как и при горизонтальном распространении, выравнивается в течение 1-2 минут. Это говорит о верности предположения об одинаковой величине коэффициента диффузии частиц аэрозоля, независимо от направления вектора силы тяжести (в рассматриваемом диапазоне времени).

Рисунок 15 - Зависимость концентрации сгг времени, численное решение (кривые) 1 - расстояние 0,3 м от источника, 2 - расстояние 0,75 VI от источника, эксперимент (точки): квадраты - 0,3 м от источника (непосредственно над источниками, рисунок 11), круги - за преградой (рисунок 11 а), ромбы - за преградой при распылении сверху (рисунок 116)

Таким образом, установлено, что в промежуток времени до 20-30 секунд, в объеме сложной конфигурации, после ударно-волнового распыления концентрация во всем объеме выравнивается, и облако аэрозоля становится равномерно распределенным.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании проведенного аналитического обзора способов распыления жидкости установлено, что для высокоскоростного создания мелкодисперсного аэрозоля оптимальным является метод ударно-волнового распыления, использующий процесс истечения кавитированной жидкости.

2. На основе разработанной физико-математической модели ударно-волновой генерации и эволюции мелкодисперсного аэрозоля с учетом свойств распыляемой жидкости и параметров внешней среды впервые проведены детальные исследования зависимостей концентрации и дисперсных характеристик аэрозоля в широком диапазоне исследуемых параметров.

3. Предложена модель распространения аэрозольного облака в замкнутом пространстве сложной конфигурации, получены выражения для определения концентрации частиц аэрозоля. Проведено экспериментальное исследование по распространению аэрозольного облака в замкнутом объеме сложной конфигурации при ударно-волновом распыливании жидкостей. Доказана адекватность предложенной физико-математической модели.

4. Разработан экспериментальный стенд и обоснован выбор методов исследования быстропротекающих процессов ударно-волновой генерации, эволюции и распространения мелкодисперсных аэрозолей, включающий оптические методы исследования дисперсности и концентрации частиц аэрозолей в различных условиях внешней среды.

5. Впервые экспериментально определены значения коэффициента конвективной диффузии капель мелкодисперсного аэрозоля при ударно-волновом распылении. Результаты экспериментальных исследований показали, что время практического выравнивания аэрозоля в замкнутых объемах составляет около 20-30 с, что необходимо учитывать при решении практических задач использования мелкодисперсных аэрозолей.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И., Шрагер Э.Р. Распыление жидкости при импульсном воздействии сжатым воздухом // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — Т. 322, № 2. — С. 167-171.-0,6/0,14 пл.

2. Антонникова A.A., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Васенин И.М. Физико-математическая модель испарения капель мелкодисперсных аэрозолей // Ползуновский вестник. - 2013. —№ 1. - С. 123-126. — 0,46/0,12 пл.

3. Кудряшова О.Б., Коровина Н.В., Антонникова A.A., Ворожцов Б.И. Влияние физико-химических свойств распыляемого вещества на эволюцию мелкодисперсного аэрозоля // Ползуновский вестник. - 2013. - № 3. — С. 114-117.-0,46/0,12 пл.

4. Кудряшова О.Б., Антонникова A.A., Коровина Н.В., Ворожцов Б.И. Испарение мелкодисперсного водного аэрозоля при различных внешних условиях// Ползуновский вестник. - 2013. -№ 3. - С. 111-114. -0,46/0,12 пл.

5. Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Антонникова A.A., Ворожцов Б.И. Распыление жидкости при импульсном' воздействии // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56, № 9/3. - С. 169-172. -0,46 / 0,12 пл.

6. Антонникова A.A., Кудряшова О.Б., Коровина Н.В., Ахмадеев И.Р. Экспериментальные исследования эволюции мелкодисперсного аэрозоля растворов глицерина // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2013. - Т. 56, № 9/3. - С. 181-184. - 0,46 /0,12 пл.

7. Kudryashova Olga В., Vorozhtsov Boris I., Korovina Natalia V., Akhmadeev Ugor R., Muravlev Eugeny V. Physicomathematical Modeling of the Explosive Dispersion of Liquid by Centrifugal Atomizer// Propellents, Explosives, Pyrotechnics. - 2013. - Vol.38, Is. 4. - P. 505-510. - 0,7/0,14 пл. -DOI: 10.1002/prep.201100137

Статьи в других научных изданиях:

8. Ишматов А.Н., Ворожцов Б.И., Кудряшова О.Б., Казанцев И.В., Коровина Н.В. Влияние поверхностно-активных веществ на взрывное образование жидкокапельного аэрозоля // Аэрозоли Сибири: тезисы докладов

XVII Рабочей группы, г. Томск, ИОА СО РАН, 23-26 ноября 2010 г. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2010. — С. 29-30. — 0,09 / 0,02 пл.

9. Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И., Павленко А.А., Коровина Н.В. Физико-математическое моделирование импульсной центробежной форсунки // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: материалы VII Всероссийской научной конференции, г. Томск, НИИ ПММ ТГУ, 12-14 апреля 2011 г. - Томск: ТГУ, 2011. - С. 91-93. -0,35 / 0,09 пл.

10. Антонникова А.А., Коровина Н.В., Кудряшова О.Б. Математические модели коагуляции и осаждения аэрозольных систем // Информационные технологии в науке, экономике и образовании: материалы Всероссийской научной конференции, г. Бийск, БТИ АлтГТУ, 22-23 сентября 2011г. -Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. - С. 10-13. - 0,23 / 0,08 пл.

11. Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И. Генерация и распространение импульсного субмикронного аэрозоля // Аэрозоли Сибири: тезисы докладов XVIII Рабочей группы, г. Томск, ИОА СО РАН, 29 ноября -2 декабря 2011 г. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2011.-С. 34.-0,06/0,02 пл.

12. Kudryashova О.В., Vorozhtsov B.I., Korovina N.V., Akhmadeev I.R., Muravlev E.V. Physicomathematical modeling of explosive-type centrifiigal atomizer // Proceeding of HEM-2011. - La Rochelle, France, 2011. - № HEM006. -0,06/0,01 пл.

13. Коровина Н.В. Физико-математическое моделирование процесса диспергирования жидкости при импульсном воздействии // XXX Сибирский теплофизический семинар. Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: тезисы докладов X Международной конференции молодых ученых, г. Новосибирск. Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе, 13-16 июня 2012 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе, 2012. - С. 367. - 0,12 / 0,12 пл.

14. Коровина Н.В., Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И. Диспергирование жидкости с помощью центробежной форсунки при импульсном воздействии сжатым газом // XXIII Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям: тезисы докладов, г. Томск, ЭНИН ТПУ, 26-29 июня 2012 г. - Томск, 2012. - С. 206-210. - 0,3 / 0,1 пл.

15. Kudryashova О.В., Vorozhtsov B.I., Korovina N.V. Physicomatimatical modeling of puise atomizer // High energy materials: Demilitarization, antiterrorism and civil application: abstracts of the VI International Workshop HEMs-2012, Gorriy Altai, Russia, 5-7 Sept. 2012. - Gorniy Altai, 2012. - P. 33. -0,12/0,04 пл.

16. Коровина H.B., Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И. Физико-математическая модель диспергирования жидкости сжатым газом при импульсном воздействии ВВ // Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов: материалы докладов

IV научно-технической конференции молодых ученых, г. Бийск, ИПХЭТ СО РАН, 27-28 сентября 2012 г. - Бийск: Изд-во Апт. гос. техн. ун-та. - С. 144-154.-0,64/0,2 пл.

17. Жарова И.К., Козлов Е.А., Коровина Н.В., Ткаченко A.C. Динамика облака жидко-капельных аэрозолей при авиационном тушении пожаров // Аэрозоли Сибири: тезисы докладов XIX Рабочей группы, г. Томск, ИОА СО РАН, 27-30 ноября 2012 г. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2012. - С. 85. - 0,05 / 0,01 пл.

18. Жарова И.К., Козлов Е.А., Коровина Н.В., Кузнецов В.Т., Ткаченко A.C. Исследование термогазодинамических процессов в жидко-капельной среде при авиационном тушении пожаров [Электронный ресурс] // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы восемнадцатой всероссийской научно-технической конференции, г. Томск, ТПУ, 5-7 декабря 2012 г. - Электрон, дан. - Томск, 2012. -http://wvm.portal.tpu.ru/science/konf7eers. - 0,06 / 0,01 пл.

19. Sakovich G.V., Vorozhtsov B.I., Kudryashova О.В., Vorozhtsov A.B., Titov S.S., Korovina N.V., Antonnikova A.A., Evolution of pepperspray (aerosol) generated by special energetic system // 7th European Symposiumon Non-Lethal Weapons: Conference Proceeding, Stadthalle Ettlingen, Germany, June 3-5, 2013. - P. 63-1-63-9. - 0,52 / 0,07 пл.

20. Коровина H.B., Кудряшова О.Б., Ворожцов Б.И., Антонникова A.A., Кузнецов В.Т. Генерация аэрозоля с помощью центробежной форсунки при импульсном воздействии ВВ // Южно-Сибирский научный вестник. — 2012. -№ 2(2). - С. 50-53. - 0,23 / 0,05 пл.

21. Kudryashova Olga В., Vorozhtsov Boris I., Korovina Natalia V., Antonnikova Alexandra A., Akhmadeev Ugor R. Usage of an Explosive Atomizer in Problems of Environmental Safety // Proceeding of HEM-2013. - Sagamihara, Japan, 2013. - № HEM59. - P. 134-135. - 0,23 / 0,05 пл.

Подписано в печать 18.07.2014. Формат 60x84 1/16 Печать - ризография. Усл. печ. л. - 1. Тираж 120 экз. Заказ № 768 Отпечатано в типографии ОАО «ФНПЦ «Алтай» 659322, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1