Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках

Протасов, Михаил Витальевич

Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Протасов, Михаил Витальевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках"

На правах рукописи

ПРОТАСОВ Михаил Витальевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В СИЛЬНОЗАПЫЛЕННЫХ ПОТОКАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2009

003473265

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук Вараксин А.Ю.

доктор технических наук, профессор Михатулин Д.С.;

доктор технических наук, профессор Зуев Ю.В.

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского (ФГУП «ЦАГИ»),

Защита состоится 2009 г. в // ч. 60 мин. на заседании

Диссертационного совета Д 002.110.02 Объединенного института высоких температур РАН по адресу: г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью организации, просим выслать по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, ОИВТ РАН, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.110.02. Телефон для справок: 8(926)526-10-29.

Автореферат разослан « » щгЪА_2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук

А.Л. Хомкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Распространение потоков газа с частицами в природе и их широкое применение во многих промышленных процессах, теплоэнергетических установках различного назначения и химических технологиях способствовало проведению интенсивных исследований такого рода течений. К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, посвященный самым различным аспектам теплофизики такого рода потоков. Следует отметить работы Г.Н. Абрамовича, З.Р. Горбиса, И.В. Деревича, Л.И. Зайчика, Ю.В. Зуева, М.К. Лаатса, И.А. Лепешинского, Е.П. Медникова, Д.С. Михатулина, Р.И. Нигматулина, А.Н. Осипцова, Ю.В. Полежаева, H.A. Фукса, A.A. Шрайбера, Р. Бусройда, М. Зоммерфельда, К. Кроу, М. Рикса, О. Симонина, С. Coy, Ю. Тсуджи, Г. Хецрони, И. Хинце, С. Эльхобаши и др.

Интенсификация процессов тепло- и массообмена в каналах теплообмен-ных аппаратов и различных энергетических устройств является одной из актуальных задач современной теплофизики. Многочисленные исследования показывают, что присутствие дисперсной фазы в газовом потоке даже при незначительной концентрации может приводить к существенному изменению параметров течения и оказывать сильное влияние на гидродинамические, тепломассо-обменные, эрозионно-коррозионные процессы и, как следствие, на надежность и эффективность энергетического оборудования. Гидродинамические и тепло-массообменные процессы в значительной мере определяют эффективность преобразования энергии в различных энергетических установках. При проектировании теплоэнергетического оборудования зачастую приходится иметь дело с потоками газа в присутствии твердых частиц.

Для анализа механизмов тепло- и массообмена в потоках, содержащих частицы, необходима информация об особенностях поведения дисперсной фазы. Знание параметров движения частиц (прежде всего, их концентраций и скоростей) позволяет прогнозировать обратное влияние дисперсной фазы на распределения скоростей несущего газа, а также проводить оценки таких важных физических характеристик, как коэффициенты трения и теплоотдачи. В связи с этим корректное измерение характеристик частиц запыленного потока представляется актуальной задачей. В сильнозапыленных потоках с объемной концентрацией частиц Ф = 0( 1СГ3) поведение частиц в дополнении к эффектам турбулентного переноса может значительно определяться процессами столкно-вительного взаимодействия между собой, а также со стенками канала. Изучение указанных столкновительных процессов является одной из важных задач современной физики течений с частицами.

Физическое моделирование сильноконцентрированного дисперсного потока, характеризующегося высокой оптической плотностью, представляет собой крайне сложную проблему, так как сопряжено с целым рядом зачастую непреодолимых технических трудностей. Вследствие этого получаемые достоверные

экспериментальные данные по характеристикам сильнозапыленных потоков имеют большое значение для верификации имеющихся и создания новых математических моделей двухфазных сред.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение характеристик движения дисперсной фазы в сильнозапыленных потоках при наличии интенсивных столкновительных взаимодействий. Для проведения комплексного изучения характеристик движения твердых частиц необходимо решение следующих основных задач:

1) определение возможности и ограничений использования серийного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) для измерений мгновенных скоростей твердых частиц в сильнозапыленных потоках;

2) проведение экспериментальных исследований характеристик движения твердых частиц в сильнозапыленных потоках воздуха;

3) выявление физических параметров, определяющих характеристики движения дисперсной фазы при наличии столкновительных процессов вследствие концентрационной и геометрической стесненности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) впервые проанализирован комплекс метрологических проблем, возникающих при использовании метода лазерной доплеровской анемометрии в сильнозапыленных потоках с крупными частицами;

2) разработана эффективная методика определения допустимых параметров сильнозапыленного потока, при которых возможно проведение ЛДА-измерений скоростей твердых частиц;

3) получены новые экспериментальные данные по характеристикам движения твердых частиц стекла в нисходящем сильнозапыленном турбулентном потоке воздуха;

4) впервые проведены корректные измерения характеристик осаждения бидисперсной смеси частиц (частицы стекла и частицы железа) в неподвижном воздухе при изменении массовой концентрации смеси в широком диапазоне;

5) получены экспериментальные данные по осредненным и пульсацион-ным скоростям частиц стекла при их движении в гладкой и формованной лунками вертикальных трубах.

Достоверность представленных в диссертации результатов измерений и методики определения возможностей и ограничений использования ЛДА в сильнозапыленных потоках подтверждена разработанными методами контроля точности получаемых данных.

Практическое значение. Результаты изучения влияния параметров сильнозапыленного потока на характеристики доплеровского сигнала могут быть использованы для развития методов лазерной диагностики оптически плотных дисперсных сред. Развитая методика определения параметров течения, допускающих проведение корректных ЛДА-измерений скоростей твердых частиц, открывает большие возможности для расширения сфер технологического использования методов лазерной доплеровской анемометрии.

Результаты измерений характеристик движения частиц могут быть использованы при проектировании различных технических устройств - питателей и элементов пневмотранспорта сыпучих материалов, пылеуловителей различных типов, линий подготовки угля и порошковой металлургии, систем сушки в псевдоожиженном слое, топок с псевдоожижепным и циркулирующим кипящим слоем. В сильнозапыленных потоках реализуются высокие значения коэффициентов теплоотдачи, что делает их конкурентной альтернативой использующимся в настоящее время однофазным теплоносителям. В современной энергетике рассматривается возможность применения дисперсного твердого теплоносителя для первого контура безопасного высокотемпературного реактора АЭС.

Помимо этого изученные столкновительные процессы в значительной степени определяют скорость образования и выпадения атмосферных осадков и загрязнений, интенсивность эрозии поверхностей технологических устройств и объектов ракетно-космической техники.

Результаты измерений характеристик движения дисперсной фазы также могут быть использованы для развития и верификации математических моделей силыюконцентрированных дисперсных течений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном коллоквиуме «Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flovvs» (Таллин, Эстония, 2003): на 7-ой, 8-ой и 9-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2003, 2005, 2007); на 4-ом и 5-ом международном симпозиуме «Turbulence, Heat and Mass Transfer» (Анталия, Турция, 2003; Дубровник, Хорватия, 2006); на 2-ом международном симпозиуме «Multiphase, Non-Ne\vtonian and Reacting Flows» (Ханджоу, Китай, 2004); на 11-ой конференции «Two-Phase Flow Prédictions» (Мерзебург, Германия, 2005); на 9-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых (Новосибирск, Россия, 2006).

Работа автора «Оптимизация процессов тепломассопереноса и гидродинамики в двухфазных потоках применительно к современным энергетическим установкам» удостоена в 2006 г. премии РАО «ЕЭС России» и Российской академии наук «Новая генерация» за лучшие научные работы в области энергетики и смежных наук среди молодых ученых Российской академии наук, других учреждений, организаций России и студентов высших учебных заведений России.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора состоял в модернизации имеющихся экспериментальных установок, развитии методик измерений, проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, а также подготовке статей и докладов по теме исследования на конференциях и для публикации в рецензируемых журналах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. По объему работа содержит 191 страниц, включая 58 рисунков и 5 таблиц по тексту диссертации. Библиография имеет 215 наименований.

На защиту выносятся:

1) Методика определения допустимых параметров сильнозапыленного потока, при которых возможно проведение корректных ЛДА-измерений скоростей твердых частиц.

2) Результаты экспериментального исследования поведения твердых частиц, движущихся в высококонцентрированных потоках газа в вертикальных каналах.

3) Результаты обобщения опытных данных с использованием безразмерных критериев на предмет установления интенсивности столкновительных взаимодействий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены цели работы, ее актуальность, научная и практическая значимость решаемых задач, кратко описано содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер. Кратко приведены основные характеристики запыленных потоков. Рассмотрены расчетно-теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию характеристик течений газа с твердыми частицами при наличии столкновительных взаимодействий. Из проведенного анализа работ сделан вывод о том, что достоверных экспериментальных данных недостаточно для создания новых и верификации имеющихся математических моделей сильнозапыленных течений. В заключении первой главы сформулированы цели работы.

Во второй главе приведены схемы и описаны принципы действия экспериментальных установок для проведения измерений характеристик запыленных потоков. Оцениваются погрешности и неблагоприятные факторы, влияющие на точность измерений при высоком содержании дисперсной примеси в исследуемой среде. Приведен обзор имеющихся данных по использованию методов лазерной анемометрии в оптически плотных сильноконцентрированных дисперсных потоках. Описана методика определения параметров течения, ограничивающих возможность применения ЛДА для измерений скоростей твердых частиц. Приведены характеристики используемых в качестве дисперсной фазы твердых частиц и обоснован выбор экспериментальных режимов.

Экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки и основные параметры исследуемых режимов представлены на Рис. 1. Воздух предварительно нагнетался компрессором 1 в баллоны 2 общей емкостью 320 л до давления 13 МПа. Далее по соединительным трубкам воздух поступал в магистральный канал через ресивер 4. Часть сжатого воздуха отбиралась для подачи в генератор микрометровых частиц-трассеров 5. После прохождения реси-

вера и поворотного участка 3 воздух попадал в рабочий участок (вертикальная труба б), где при его смешении с дисперсной фазой, поступающей из питателя 8, формировался нисходящий запыленный поток.

Диаметр Длина Скорость Ср. масс.

раб. раб. воздуха конц.

участка участка на оси частиц

Д мм L, мм U„, м/с <М'

46 2500 0 0,03-0,4

46 2500 4,2 0,03-5,0

17,3 420 0 5,0-5,6

25 ИЗО 3,6 0,4-3,5

Рис. 1. Схема установки с ЛДА и экспериментальные режимы:

1 - компрессор; 2 - баллоны со сжатым воздухом; 3 - переходник; 4 - ресивер; 5 -генератор микрометровых частиц-трассеров; б - рабочий участок; 7 - центрирующая трубка; 8 - питатель; 9 — область измерений; 10 - осадительная камера; II -блок передающей оптики ЛДА

Методика измерений. В работе использовался двухканальный трехлучевой лазерный доплеровский анемометр модели LDA-10 («Dantec», Дания), работающий по дифференциальной схеме. Положение приемной оптики фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) соответствовало режиму прямого рассеяния. Сигнал с ФЭУ подавался на процессор доплеровского сигнала счетного типа (модель 55L90a LDA Counter Processor). Погрешность измерения скорости «чистого» воздуха составляла не более 2%. Среднеквадратичные пульсации скорости «чистого» воздуха определялись с погрешностью 7%. Погрешность измерения скорости твердых частиц составляла 5%, а их среднеквадратичных пульсаций скорости - 12%. Средняя концентрация частиц определялась весовым способом. Локальная массовая концентрация частиц определялось по величине анодного тока ФЭУ с погрешностью 25%. Измерения полей скоростей твердых частиц при выходе из рабочих участков на некоторых режимах проводились также методом PIV (Particle Imaging Velocimetry) с помощью измерительного комплекса «ПОЛИС» (Институт теплофизики СО РАН).

Метод ЛДА. Возможности и ограничения использования ЛДА в сильноза-пыленных потоках были определены при исследовании влияния различных параметров течения на характеристики доплеровского сигнала при измерениях в запыленных струях разного диаметра. В качестве дисперсной фазы использовались сферические частицы стекла с номинальными диаметрами 50, 100 и 200

мкм. Все измерения проводились в одной точке на оси струи. При этом одновременно контролировались частота поступления «достоверных» данных йрУ (кГц), их достоверность V (%), а также величина анодного тока ФЭУ / (мкА). Значение достоверности сигнала V = 15% является минимальным, при котором погрешность измерений скоростей частиц не будет превышать 5%.

На Рис. 2 приведены характерные распределения основных характеристик сигнала в зависимости от диаметра струйки с1 (мм) при использовании частиц стекла диаметром 200 мкм. При достижении некоторого значения толщины, струи корректные измерения скоростей частиц с использованием ЛДА становятся невозможными из-за блокирования дисперсной фазой формирующих измерительный объем лазерных пучков. Попытка увеличения чувствительности оптико-электронной системы ЛДА путем повышения подаваемого на ФЭУ напряжения V, как видно из Рис. 2в, не дает ощутимого выигрыша.

ОрУ,кГи 80 1

60 -' «н

20 -I

0 2 4 60 2 4 6

а) а-ми б) а''ми

Рис. 2. Зависимость частоты поступления достоверных данных (а), тока ФЭУ (б), достоверности сигнала (в} от диаметра запыленной струи частиц стекла Ц,=200 мкм): /- С/=0,5 кВ; 2- С/= 1,0 кВ

Измерения показали, что максимальный диаметр запыленной струи, при котором возможно проведение измерения скорости частиц стекла диаметром <1р = 200 мкм с приемлемой погрешностью, равен с1Ит = 3,5 мм. Указанному диаметру струи соответствовала объемная концентрация частиц Фцт= 0,17. Для частиц стекла с диаметрами с1 р = 50 мкм и с1 р = 100 мкм было получено (¡1,„, = 1,6 мм (ФПт = 0,24) и с1цт = 2,7 мм {Фцт = 0,20) соответственно.

/, мкА

У, %

80 п

в)

Найденные экспериментально параметры запыленного потока определяют значение параметра РИт, характеризующего предел работоспособности имеющегося ЛДА, и позволяют найти зависимость предельной толщины исследуемого течения !,„„ от объемной концентрации частиц Ф и их диаметра с!р:

/ --1^/пР Чт - •

На Рис. 3 приведены зависимости предельной толщины потока от объемной концентрации и размера частиц, полученные с использованием данного соотношения, а также данные экспериментов.

Рис. 3. Зависимость предельной толщины потока от объемной концентрации частиц:

1, 4-^ = 50 мкы; 2. 5-^=100 мкм; 3, 6 - ¡¡р=200 мкм; кривые 1-3 - расчет; символы 4—6 — эксперимент

Область под кривыми определяет возможные значения основных параметров течения (толщина потока, объемная концентрация и диаметр частиц), допускающих проведение корректных ЛДА-измерений скоростей частиц.

Третья глава описывает результаты изучения влияния межчастичных столкновений, вызванных скольжением полидисперсных твердых частиц в осреднением движении, на их характеристики для случая нисходящего запыленного течения в трубе (£)= 46 мм). Измерения проводились в одном сечении на расстоянии 1380 мм от места ввода частиц в рабочий участок.

Интенсивность межчастичных столкновений в запыленном потоке оценивалась с помощью «столкновительного» числа Стокса:

г,.

следовательными соударениями частиц.

Гравитационное осаждение. Влияние межчастичных столкновений на поведение бидисперсных частиц изучено с помощью сравнения результатов экспериментов на двух режимах: 1) при осаждении частиц стекла (режим №1); 2) при осаждении смеси частиц стекла и железа (режим №2). Характеристики и фотографии частиц стекла и железа, использовавшихся в экспериментах, показаны на Рис. 4. Счетное количество частиц стекла и железа в бидисперсной смеси были равны.

Материал частиц Плотность Рр, кг/м3 Номин. диаметр dp, мкм Ср. квадр. откл. диаметра, мкм Время динамич. релаксации тр, с

Si02 2550 100 7,5 0,056

Fe 7800 100 8,6 0,139

Рис. 4. Характеристики и фотографии частиц

(dp= 100 мкм) стекла (а) и железа(б)

Предварительные оценки чисел Stkc для частиц стекла (Stkcij) и железа (Stkcji) в зависимости от суммарной массовой концентрации бидисперсной смеси частиц (М = А/, + М,) (Рис. 5) показали, что межчастичные соударения должны оказывать влияние на характеристики движения частиц стекла (Stkc > 0,1) при значениях концентрации М и 0,1.

Результаты измерений на оси трубы осевых скоростей частиц стекла (режим Xsl; распределение /), а также частиц стекла в присутствии частиц железа (режим №2; распределение 2) для трех (а, б ив) крышек питателя приведены на Рис. 6. Приведенные данные показывают, что скорость частиц стекла возрастает с увеличением их локальной массовой концентрации (А/,) (режим №1; распределение 1 на Рис. 6, а-в). Также видно, что скорость частиц стекла в присутствии частиц железа (режим №2; распределение 2 на Рис. 6, а-в) превышает соответствующую характеристику для режима №1 при фиксированном диаметре отверстия крышки питателя. С ростом концентрации это различие возрастает.

Обобщение данных Рис. 6 на предмет получения зависимости скорости частиц стекла от их концентрации М = М, (кривая 1; режим №1) и от суммарной массовой концентрации бидисперсной смеси М - М, + М • (кривая 2; режим №2) приведено на Рис. 7. Из приведенных данных отчетливо видно, что при одинаковых значениях массовой концентрации скорость частиц стекла в бидисперсной смеси (кривая 2; режим №2) превышает скорость осаждения только частиц стекла (кривая 1; режим №1). Указанная разница скоростей возрастает с увеличением суммарной массовой концентрации. Этот эффект объясняется наличием столкнопительного взаимодействия между частицами стекла и железа, имеющими разные скорости осаждения. Данные Рис. 7 показывают, что различие между скоростями частиц стекла для режимов №1 и №¡2 становится заметным при массовой концентрации М > 0,1, что подтверждает сделанные выводы из предварительных теоретических оценок.

1 10 100

Рис. 7. Зависимость осредненной осевой скорости частиц стекла диаметром dp=№0 мкм на оси трубы от локальной массовой концентрации смеси частиц:

1 — режим №1 (M—Mi)',

2 - режим №2 (М=М, + Mj)

Нисходящее течение. Влияние межчастичных столкновений на поведение полидисперсных частиц было изучено с помощью измерений скоростей твердых частиц для случая нисходящего турбулентного потока воздуха. Скорость воздуха на оси трубы равнялась ихс = 4,2 м/с (11е 1} = 15800). В качестве дисперсной фазы использовались сферические частицы стекла номинальным диаметром <1р =100 мкм и плотностью рр = 2550 кг/м3. Локальная массовая концентрация частиц варьировалась в диапазоне М = 0,03 - 60.

Анализ полученных распределений скоростей частиц отчетливо показал, что с ростом концентрации частиц при достижении М > 0,25 - 0,3 (что соответствовало 5гкс >0.1) начинается интенсивное столкновительное взаимодействие частиц между собой. В результате этого осуществляется интенсивный обмен импульсом между частицами разных фракций. В итоге кривая плотности вероятности скорости дисперсной фазы сужается, а среднеквадратичная пульсация скорости (интенсивность пульсаций) частиц уменьшается.

Четвертая глава содержит результаты исследования влияния столкнови-тельного взаимодействия твердых частиц со стенками канала на характеристики движения дисперсной фазы в нисходящих сильнозапыленных потоках. В качестве дисперсной фазы использовались твердые сферические частицы стекла с номинальным диаметром с1р = 200 мкм и плотностью рр = 2550 кг/м3.

Интенсивность столкновений твердых частиц со стенками канала в запыленном потоке оценивалась с помощью «столкновительного» числа Стокса при допущении, что отскочившая от стенки частица достигает противоположной стенки канала:

г. такУх - р - р

с\у --- ^ >

где тт - среднее время между столкновениями частиц со стенками канала; \\ - осредненная продольная скорость твердых частицы; коэффициент к= 0,05 - 0,1 зависит от типа поверхности стенки канала.

Гравитационное осаждение. Влияние типа поверхности стенки канала на характеристики движения твердых частиц было изучено при их осаждении в неподвижном воздухе в гладкой и формованной лунками вертикальных трубах одинаковой длины (1 = 420 мм) и диаметра (£> = 17,3 мм). Число для

этого режима по предварительной оценке равнялось 51кси ~ 0,3.

На Рис. 8 представлены фотографии исследуемого течения при выходе из гладкой и формованной лунками трубы. Отчетливо видно, что при выходе из формованной лунками трубы (Рис. 86) наблюдается расширение «струи». Данное обстоятельство свидетельствует о наличии поперечной составляющей скоростей частиц.

Измерения скоростей твердых частиц были проведены с использованием методов Р1У и ЛДА. Результаты измерений совпадали с погрешностью 3%.

Пример измеренного методом Р1У мгновенного поля скоростей частиц при выходе из рабочего участка приведен на Рис. 9.

ЛДА-измерения проводились в одном сечении на расстоянии 3 мм от среза труб. Распределения двух составляющих (осевой и радиальной) осредненных и среднеквадратичных пульсаций скорости частиц стекла представлены на Рис. 10 и Рис. 11.

Рис. 8. Фотографии рабочих участков: а- гладкая труба; 6- формованная лунками труба

■

а) V : ; ; 10 ММ т •Г- б) п ! 0 мм

..... : . . ' . . ■ Д . -

Рис. 9. Мгновенные поля скоростей частиц стекла диаметром ¿,,=200 мкм. при выходе из рабочих участков: а - гладкая труба; б - формованная лунками труба

Распределения осевой составляющей осредненной скорости частиц Ух(г) (г - расстояние от оси трубы) показаны на Рис. 10а. Из приведенных данных видно, что профили продольной скорости частиц практически однородны. При этом осевая скорость частиц при движении в гладкой трубе выше соответствующей характеристики в случае формованной трубы по всему измерительному сечению. Таким образом, эксперименты отчетливо выявили снижение (око-

ло 8%) скорости транспортного переноса частиц при их движении в трубе с лунками. Уменьшение осевой скорости движения частиц приводит к росту их массовой концентрации. При одинаковом для обоих рабочих участков расходе частиц их средние массовые концентрации были равны <М>= 5,0 и < М >= 5,4 для гладкой и формованной лунками трубы соответственно.

г, мм г, мм

Рис. 10. Распределения осевой (а) и радиальной (б) составляющей осредненной скорости частиц стекла с!р=200 мкм: 1 - гладкая труба; 2 - формованная лунками труба

Рис. П, Распределения осевой (а) и радиальной (б) составляющей интенсивности пульсаций скорости частиц стекла с!р=200 мкм: 1 - гладкая труба; 2 - формованная лунками труба

Распределения радиальной составляющей осредненной скорости частиц Vг (г) показаны на Рис. 106. Можно видеть, что значение этой характеристики в случае осаждения частиц в гладкой трубе близко к нулю (отклонения находятся в пределах погрешности экспериментов). В формованной лунками трубе распределение радиальной скорости носит отличительный характер. В периферийной области (|г| ^ 6 мм) значения радиальной составляющей осредненной ско-

роста частац отличны от нуля, так как измерения проводились на некотором расстоянии (х = 3 мм) от среза трубы.

На Рис. 11а показаны распределения интенсивности пульсаций осевой скорости частиц аух = (у'х /'2 /Ух, где (у'х2)'/2 - среднеквадратичная пульсация скорости частиц в осевом направлении (Ух — осевая составляющая локальной осредненной скорости частиц). Можно видеть, что интенсивность пульсаций осевой скорости частиц в случае гладкой трубы практически одинакова по всему сечению и равна Оух ~ 7%. Из Рис. 11а следует, что данная характеристика

в случае формованной трубы существенно выше по всему сечению и равна Оух «18%. Таким образом, измерения выявили значительный рост (до 3-х раз)

интенсивности продольных пульсаций скоростей частиц при их движении в формованной лунками трубе.

На Рис. 116 показаны распределения интенсивностей пульсаций радиальной скорости частиц аУг = (у'2 )и2 /Ух, где (V2 ){/2 - средняя квадратичная

пульсация скорости частиц в радиальном направлении. Из приведенных данных следует, что распределение интенсивности радиальных пульсаций скорости частиц в случае гладкой трубы практически однородно и Оуг я 3%. Видно, что

радиальные пульсации скорости в формованной лунками трубе существенно выше по всему сечению и равны ауг а 15%.

Наблюдаемые отличия можно объяснить следующим образом. В случае с формованной лунками стенкой, по-видимому, реализуется «зигзагообразное» движение частиц. При этом перераспределение компонент осредненной скорости частиц приводит к уменьшению осевой составляющей осредненной скорости (см. Рис. 10а) и появлению дополнительной радиальной составляющей скорости частиц, что при измерениях ассоциируется как некоторая пульсационная скорость.

Нисходящее течение. Влияние скорости несущего газа на интенсивность столкновений частиц со стеками канала было изучено в нисходящем турбулентном запыленном потоке воздуха. Все измерения проводились при осредненной скорости несущего воздуха IIхс =3,6 м/с (Лед =5400) в вертикальной трубе диаметром Б = 25 мм в одном сечении на расстоянии ¿ = 1130 мм от места ввода частиц в рабочий участок для трех значений концентраций частиц — < М >= 0,4, < М >= 1,0 и < М >= 3,5. Число си на этих режимах по предварительно оценке равнялось 81ксв, » 0,6.

Распределения осевой составляющих осредненной скорости «чистого» воздуха и частиц стекла при различных значениях концентрации приведены на Рис. 12а. Из этого рисунка видно, что осевая составляющая осредненной скорости частиц стекла выше соответствующей характеристики для несущего воздуха по всему сечению трубы. Профиль осевой осредненной скорости частиц более пологий по сравнению с соответствующим профилем для несущей фазы.

Наблюдаемый рост средних скоростей частиц при увеличении их концентрации можно объяснить изменением их аэродинамического сопротивления в потоке, а также ускорением несущего воздуха дисперсной фазой.

На Рис. 126 показаны профили осевой составляющих интенсивности пульсаций скорости «чистого» воздуха и частиц стекла.

Рис. 12. Распределения осевой составляющих осредненной (а) и интенсивности пульсаций (б) скорости «чистого» воздуха (/) и частиц стекла с1г=200 мкм (2-4) в нисходящем турбулентном запыленном потоке воздуха в вертикальной трубе: ] - <М> = 0; 2 - <М> = 0,4; 3 - <М> = 1,0, 4 - <М> = 3,5

Видно, что при малой концентрации частиц (< Л/ >= 0,4) интенсивность осевых пульсаций скорости частиц в приосевой области трубы равна

аУх = )1/2 /Ух « 1% и превосходит соответствующую характеристику для

воздуха — ацх = (и'х )1/2 /1!хс я 5.5% (и хс — продольная составляющая осредненной скорости воздуха на оси трубы). С ростом концентрации частиц интенсивность пульсаций их скорости в указанной области снижается и становится равной Оух ~ 6.5% и ст^ я 6% при < М >= 1,0 и < М >= 3,5 соответственно.

Наблюдаемые пульсации скорости частиц могут происходить вследствие их полидисперсности, т.е. наличия в потоке частиц различных размеров и, как следствие, имеющих различные значения осредненных скоростей. Теоретические оценки величин «столкновительных» чисел Стокса частиц для экспериментальных условий показали, что 51кс я 0,1, 81кс я 0,25 и Б1кс я 0,88 для значений массовой концентрации частиц < М >= 0,4, < М >= 1,0 и < М >= 3,5 соответственно. Значения «столкновительных» чисел Стокса показывают, что межчастичные соударения могут оказывать значительное влияние на параметры движения частиц (в частности, на осредненную скорость). Межчастичный обмен импульсом приводит к выравниванию скоростей дисперсной фазы, способствующему наблюдаемому снижению интенсивности пульсаций скорости частиц вследствие их полидисперсности.

Отсутствие роста интенсивности пульсаций осевой скорости частиц по всему сечению канала в результате взаимодействия частиц со стенками трубы может быть объяснено рядом причин. Во-первых, сила тяжести, действующая в осевом направлении, уменьшает угол между траекторией падающих частиц и поверхностью стенок канала. Во-вторых, относительно низкая скорость частиц не позволяла проникать им до противоположной стенки после отскока. В-третьих, низкая шероховатость стенки трубы не оказывала существенного влияния на процесс перераспределения компонент скорости частиц в результате столкновения частиц со стенкой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Изучен комплекс метрологических проблем, возникающих при исследовании силыюзапыленных гетерогенных потоков с использованием лазерных доплеровских анемометров. Проанализированы зависимости основных характеристик доплеровского сигнала (частота поступления данных, достоверность) от характеристик гетерогенного течения. Экспериментальным путем установлены параметры запыленного потока (толщина потока, размер частиц, объемная концентрация частиц), при которых возможно использование ЛДА.

2. Проведено экспериментальное исследование влияния межчастичных столкновений на поведение твердых частиц стекла 100 мкм при их осаждении в воздухе. Найдено граничное значение концентрации частиц (М я 0,1), при достижении которого межчастичные столкновения начинают оказывать влияние на поведение дисперсной фазы. Полученные данные обобщены с использованием безразмерного критерия - столкновительного числа Стокса Э [к с. Найдено минимальное значение указанного критерия (51кс ~ 0,1), при котором начинается интенсивное взаимодействие полидисперсных и бидисперсных частиц.

3. Изучены особенности поведения твердых частиц стекла 200 мкм в условиях их интенсивного взаимодействия со стенками канала. Проведена оценка параметров гетерогенного потока, при которых стенка канала оказывает доминирующее влияние на характеристики движения частиц. Измерены распределения осредненных и пульсационных скоростей частиц стекла при их осаждении в гладкой и формованной лунками узких трубах. Выявлен эффект снижения (около 8%) осевой составляющей осредненной скорости частиц и существенный рост (до 3-х раз) пульсационной скорости частиц при их движении в трубе с лунками.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Полежаев Ю.В., Протасов М.В., Селиверстов Е.М., Рябов Г.А. Конвективный теплообмен в камерах сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем // ТВТ. 2002. Т.40. №2. С.314-322.

2. Протасов М.В., Вараксин А.Ю., Иванов Т.Ф., Поляков А.Ф. Анализ возможности использования лазерного доплеровского анемометра для исследования сильнозапыленных потоков // ТВТ. 2006. Т.60. №3. С.146-153.

3. Вараксин А.Ю., Протасов М.В., Иванов Т.Ф., Поляков А.Ф. Экспериментальное исследование поведения твердых частиц при их движении в гладкой и формованной лунками трубах // ТВТ. 2007. Т.45. №2. С.254-260.

4. Pakhomov М. A., Protasov M.V., TerekPiov V.I., Varaksin A.Yu. Experimental and numerical investigation of downward gas-dispersed turbulent pipe flow // Int. J. Heat Mass Transfer. 2007. V.50. P.2107-2116.

5. Varaksin A.Yu., Ivanov T.F., Protasov M.V. Experimental study on inter-particle collisions in turbulent gas-solid flow // EUROMECH Colloquium 447. Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows. Estonia. Tallinn. 2003. P.49.

6. Протасов M.B., Вараксин А.Ю. Изучение межчастичных столкновений в турбулентном гетерогенном потоке с помощью лазерного доплеровского анемометра // Оптические методы исследования потоков: Труды VII Международной научно-технической конференции. М.: МЭИ. 2003. С.96-99.

7. Varaksin A.Yu., Ivanov T.F., Protasov M.V. Experimental study of inter-particle collisions in turbulent pipe flow // Proc. of the Fourth Int. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer. Antalya. Turkey. 2003. P.1009-1015.

8. Protasov M., Ivanov Т., Varaksin A., Polyakov A. Effect of disperse phase concentration on characteristics of gas flow with binary mixture of particles // Advances in Multiphase Flows V.2: Proc. of the Second Int. Symp. on Multiphase, Non-Newtonian and Reacting Flows, Hangzhou. China. 2004. P.82-86.

9. Protasov M.V, Varaksin A.Yu., Ivanov T.F., Polyakov A.F. LDA experimental study of downward turbulent gas-solid flow in narrow pipe // Proc. of the 11th Workshop on Two-Phase Flow Predictions. Merseburg. Germany. 2005. 13p.

10. Varaksin A.Yu., Protasov M.V., Ivanov T.F., Polyakov A.F. LDA measurements on two-phase gas-solid flows: a challenge for the dense conditions // Proc. of the 11th Workshop on Two-Phase Flow Predictions. Merseburg. Germany. 2005. lip.

11. Вараксин А.Ю., Протасов M. В., Иванов Т.Ф., Поляков А.Ф. ЛДА-измерения осредненных и пульсационных скоростей твердых частиц при их движении в гладкостенной и формованной трубах // Оптические методы исследования потоков: Труды VIII Международной научно-технической конференции. М.: МЭИ. 2005. С.110-113.

12.Протасов М.В., Вараксин А.Ю., Иванов Т.Ф., Поляков А.Ф. ЛДА-измерения в высококонцентрированном потоке твердых частиц: возможности и ограничения // Оптические методы исследования потоков: Труды VIII Международной научно-технической конференции. М.: МЭИ. 2005. С. 106-109.

13.Protasov М. V, Varaksin A.Yu., Ivanov T.F. Gas-solid flow with a binary mixture of particles: effect of disperse phase concentration // Proc. of the Fifth Int. Symp. on Turbulence, Heat and Mass Transfer. Dubrovnik. Croatia. 2006. P.687-690.

14.Протасов М.В., Селиверстов Е.М., Иванов Т.Ф. Возможности и ограничения использования лазерного доплеровского анемометра для изучения столкно-вительных взаимодействий твердых частиц в высококонцентрированных дисперсных потоках в каналах энергетических устройств // Актуальные вопросы теплофизики и теплофизической гидрогазодинамики: Тезисы докладов IX Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Новосибирск. 2006. С.93-94.

15.Протасов М.В., Иванов Т.Ф., Вараксин А.Ю., Шестаков Е.Н. Возможности использования ЛДА для изучения межчастичных столкновений в высококонцентрированных бидисперсных потоках // Оптические методы исследования потоков: Труды IX Международной научно-технической конференции. М.: МЭИ. 2007. С.528-530.

Протасов Михаил Витальевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В СИЛЬНОЗАПЫЛЕННЫХ ПОТОКАХ

Автореферат

Подписано к печати 08.05.09 Формат 60x84/16 Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.25 Усл.-печ.л. 1.16 Тираж 100 экз._Заказ №59_Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Протасов, Михаил Витальевич

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Обзор.

1.1. Предварительные замечания.

1.2. Особенности исследования гетерогенных потоков.

1.3. Основные характеристики гетерогенных потоков.

Глава 2. Методика экспериментального исследования.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Метод ЛДА и его особенности.

2.2.1. Измерение скорости «чистого» воздуха.

2.2.2. Измерение скоростей твердых частиц.

2.2.3. Особенности ЛДА-измерений в сильноконцентрированных потоках с крупными частицами.

2.2.3.1. Влияние дисперсной примеси вне измерительного объема на условия работы ЛДА.

2.2.3.2. Влияние дисперсной примеси в измерительном объеме на условия работы ЛДА.

2.2.4. Контроль точности результатов.

2.2.5. Измерение концентрации частиц.

2.2.6. Оптимизация параметров ЛДА.

2.3. Анализ возможности и ограничений ЛДА-измерений в сильнозапыленных потоках.

2.3.1. Предварительные результаты.

2.3.2. Экспериментальная установка и результаты измерений.

2.3.3. Выводы к разделу.

2.4. Экспериментальные установки. Используемые твердые частицы. Режимы.

2.4.1. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе метода ЛДА.

2.4.2. Экспериментальная установка для изучения нисходящих сильнозапыленных потоков на основе PIV-метода.

2.4.3. Параметры гетерогенного потока, варьируемые в экспериментальном исследовании.

2.4.4. Особенности моделирования потоков с частицами.

2.4.5. Используемые твердые частицы.

2.4.6. Концентрация частиц.

2.4.7. Экспериментальные режимы.

2.5. Выводы к главе.

Глава 3. Исследование столкновений «частица»- «частица».

3.1. Предварительные замечания.

3.2. Введение.V:.

3.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц.

3.4. Результаты исследования.

3.4.1. Гравитационное осаждение. Режим №1.

3.4.2. Нисходящее течение. Режим №2.

3.5. Выводы к главе.

Глава 4. Исследование столкновений «частица»- «стенка».

4.1. Предварительные замечания.

4.2. Введение.

4.3. Теоретическая оценка интенсивности столкновений частиц со стенками канала.

4.4. Результаты исследования.

4.4.1. Гравитационное осаждение. Режим №3.

4.4.2. Нисходящее течение. Режим №4.

4.5. Выводы к главе.

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Экспериментальное исследование поведения твердых частиц в сильнозапыленных потоках"

Распространение потоков газа с частицами в природе и их широкое применение во многих промышленных процессах, теплоэнергетических установках различного назначения и химических технологиях способствовало проведению интенсивных исследований такого рода течений. Здесь следует отметить работы Г.Н. Абрамовича, А.Ю. Вараксина, З.Р. Горбиса, И.В. Деревича, Л.И. Зайчика, Ю.В. Зуева, М.К. Лаатса, И.А. Лепешинского, Е.П. Медникова, Д.С. Михатулина, Р.И. Нигматулина, А.Н. Осипцова, Ю.В. Полежаева, Н.А. Фукса, А.А. Шрайбера, Р. Бусройда, М. Зоммерфельда, К. Кроу, М. Рикса, О. Симонина, С. Coy, Ю. Тсуджи, Г. Хецрони, И. Хинце, С. Эльхобаши и др.

К настоящему времени накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, посвященный самым различным аспектам газодинамики и теплофизики такого' рода потоков. Здесь можно отметить большое число основополагающих [1-12] и в том числе современных [13-18]' обобщающих работ российских и зарубежных исследователей, некоторые из которых представлены в списке литературы.

Интенсификация процессов тепло- и массообмена в каналах теплообменных аппаратов и различных энергетических устройств является одной из актуальных задач современной теплофизики. Многочисленные исследования показывают, что присутствие дисперсной фазы в газовом потоке даже при незначительной концентрации может приводить к существенному изменению параметров течения и оказывать сильное влияние на гидродинамические, тепломассообменные, эрозионно-коррозионные процессы и, как следствие, на надежность и эффективность энергетического оборудования. Гидродинамические и тепломассообменные процессы в значительной мере определяют эффективность преобразования энергии в различных энергетических установках. При проектировании теплоэнергетического оборудования зачастую приходится иметь дело с потоками газа в присутствии твердых частиц.

До настоящего времени отмечается недостаточное количество экспериментальных работ, посвященных исследованию характеристик потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Это объясняется как сложностью построения моделей такого класса течения, так и немногочисленностью экспериментальных работ. Физическое моделирование сильноконцентрированного дисперсного потока, характеризующегося высокой оптической плотностью, представляет собой- крайне сложную проблему, так как сопряжено с целым рядом зачастую непреодолимых технических трудностей. Существующие экспериментальные данные относятся в - основном- числе к слабозапыленным типам потоков и не охватывают всего' разнообразия режимов и видов течений, которые могут 'Происходить в- потоках с высокой концентрацией частиц. Сильнозапыленные потоки газ-твердые частицы являются одним из наиболее сложных и недостаточно изученных видом течения. Вследствие этого получаемые достоверные экспериментальные данные по характеристикам сильнозапыленных потоков имеют большое значение.

Для анализа механизмов тепло- и массообменав потоках, содержащих частицы, необходима информация об особенностях поведения дисперсной фазы. Знание параметров движения частиц (прежде всего, их концентраций и скоростей) позволяет прогнозировать обратное влияние дисперсной фазы на распределения скоростей несущего газа, а также проводить оценки таких важных физических характеристик, как коэффициенты трения и теплоотдачи. В связи с этим корректное измерение характеристик частиц запыленного потока представляется актуальной задачей. В сильнозапыленных потоках с объемной концентрацией частиц Ф = 0(10 ) поведение частиц в дополнении к эффектам турбулентного переноса может значительно определяться процессами столкновительного взаимодействия между собой, а также со стенками канала. Изучение указанных столкновительных процессов является одной из важных задач современной физики течений с частицами.

1) определение возможности ■ и ограничений использования

J.».серийного лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) для измерений мгновенных скоростей твердых частиц в сильнозапыленных потоках;

Научная новизна работы состоит в следующем:

3) получены и обобщены новые экспериментальные данные по характеристикам движения твердых частиц стекла в нисходящем сильнозапыленном турбулентном потоке воздуха;

5) получены и обобщены экспериментальные данные по осредненным и пульсационным скоростям частиц стекла при их движении в гладкой и формованной лунками вертикальных трубах.

Результаты измерений характеристик движения частиц могут быть использованы при проектировании различных технических устройств -питателей и элементов пневмотранспорта сыпучих материалов, пылеуловителей различных типов, линий подготовки угля и порошковой металлургии, систем сушки в псевдоожиженном слое, топок с псевдоожиженным и циркулирующим кипящим слоем. В сильнозапыленных потоках реализуются высокие значения коэффициентов теплоотдачи, что делает их конкурентной альтернативой использующимся в настоящее время однофазным теплоносителям. В современной энергетике рассматривается возможность применения дисперсного твердого теплоносителя для первого контура безопасного высокотемпературного реактора АЭС.

Результаты измерений характеристик движения дисперсной фазы также могут быть использованы для развития и верификации математических моделей сильноконцентрированных дисперсных течений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международном коллоквиуме «Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows» (Таллин, Эстония, 2003); 7-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2003); 4-ом международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Transfer" (Анталия, Турция, 2003); 2-ом международном симпозиуме «Multiphase, Non-Newtonian and Reacting Flows» (Ханджоу, Китай, 2004); 11-ой конференции «Two-Phase Flow Predictions» (Мерзебург, Германия, 2005); 8-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2005); 5-ом международном симпозиуме "Turbulence, Heat and Mass Transfer"

Дубровник, Хорватия, 2006); 9-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых (Новосибирск, Россия, 2006); 9-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 2007).

На защиту выносятся:

Содержание работы.

Вторая глава посвящена особенностям использования метода лазерно-доплеровской анемометрии для измерений в сильнозапыленных потоках. Показаны методические особенности исследования потоков с крупными частицами. Рассмотрены возможности и ограничения использования ЛДА в сильнозапыленных потоках. Приведена разработанная автором методика определения допустимых параметров потока, при которых возможно измерение скоростей твердых частиц с помощью ЛДА.

Третья глава посвящена изучению влияния взаимодействия «частица-частица» на характеристики гетерогенного потока в вертикальных каналах. В начале главы описаны два основных подхода, использующиеся при анализе столкновений частиц: сферический и цилиндрический. Рассмотрены процессы столкновения частиц различных размеров и различной плотности при их гравитационном осаждении. Рассмотрены столкновения дисперсной фазы при наличии сдвига осредненной, скорости и действии силы тяжести. В конце главы приведены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующие влияние межчастичных столкновений на характеристики движения гетерогенного потока.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния столкновений частиц со стенками канала на поведение дисперсной фазы. Приведены результаты экспериментального исследования, демонстрирующие влияние столкновений частиц со стенкой на характеристики движения гетерогенного потока в вертикальных каналах.

Автор выражает свою признательность чл.-корр. РАН Ю.В.Полежаеву, д.т.н. А.Ф.Полякову, д.ф.-м.н. А.Ю.Вараксину, к.ф.-м.н. Т.Ф. Иванову и М.Э. Ромашу за многолетнее постоянное внимание к работе и помощь, оказанную при ее выполнении.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ВЫВОДЫ

1. Изучен комплекс метрологических проблем, возникающих при исследованиях сильнозапыленных потоков с использованием лазерных доплеровских анемометров (ЛДА). Проанализированы зависимости основных характеристик доплеровского сигнала (частота поступления данных, достоверность) от характеристик течения. Установлено, что в сильноконцентрированных дисперсных потоках с твердыми частицами блокирование лазерных пучков дисперсной фазой является основным фактором, ограничивающим возможность проведения ЛДА-измерений. Экспериментальным путем установлены параметры запыленного потока (толщина потока, размер частиц, объемная концентрация частиц), при которых возможно использование ЛДА.

2. Проведено экспериментальное исследование влияния межчастичных столкновений на поведение твердых частиц стекла 100 мкм при их осаждении в воздухе. Найдено граничное значение концентрации частиц (М ~ ОД), при, достижении которого межчастичные столкновения начинают оказывать влияние на поведение дисперсной фазы. Полученные данные обобщены с использованием безразмерного критерия - столкновительного числа Стокса Stkc Найдено минимальное значение указанного критерия (Stkc ~0Д), при котором начинается интенсивное взаимодействие полидисперсных и бидисперсных частиц.