Экспериментальное исследование структуры турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Евсеев Алексей Романович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТУРБУЛЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты:

Вараксин Алексей Юрьевич, чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н, профессор, Объединенный институт высоких температур РАН, заместитель директора, зав. отделением.

Бойко Виктор Михайлович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН, заведующий лабораторией.

Саломатов Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, главный научный сотрудник.

Ведущая организация: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Защита диссертации состоится 30 октября 2013 г. в 10-30 на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН по адресу: г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1, ученому секретарю совета. Телефон (383) 330-71-21, факс (383) 330-84-80, e-mail: dissovet@itp.nsc.ru

Автореферат разослан

дата

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

Кузнецов Владимир Васильевич

1 и, КЛ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

21.) 13

Актуальность работы

Течения газа или жидкости, несущие твердые частицы или пузырьки, широко распространены в природе и в современных технологиях. Эффективность тепломассообменных процессов в энергетике (включая атомные реакторы с шаровыми твэлами, котлы с кипящим и циркулирующим кипящим слоем), каталитической химии, нефтехимической, газовой, металлургической и других отраслях промышленности, определяется явлениями, происходящими в двухфазных потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы. Интенсификация процессов, прежде всего, в энергетических устройствах и аппаратах является актуальной задачей.

Увеличение концентрации дисперсной фазы в потоке приводит к существенному изменению его характеристик, которые влияют на эффективность и надежность работы оборудования. Для проектирования современных технологических объектов необходимо создание и совершенствование методов расчета двухфазных дисперсных потоков, которые могут учитывать взаимодействие частиц с турбулентностью, коагуляцию и разрушения при столкновениях частиц друг с другом и со стенкой, фазовые переходы и другие физические процессы, с целью оптимизации процессов.

Ввиду сложности явлений теоретические методы расчета разрабатываются с привлечением эмпирической информации к конкретным режимам течения гетерогенной системы, и установлению характерных границ между различными структурными режимами течения смеси. Информация о скорости движения частиц и их концентрации необходима для анализа механизмов тепломассообменных процессов, влияния дисперсной фазы на турбулентность непрерывной фазы и т.д., поэтому исследования локальной гидродинамики в высококонцентрированных дисперсных потоках является актуальной задачей.

Экспериментальное исследование таких течений связано со значительными трудностями, так как необходимо разрабатывать и применять новые методы измерения, поскольку высококонцентрпрованные дисперсные системы, в основном, оптически не прозрачны, и применение оптических методов (ЛДА, Р1У, РТУ и др.) сильно ограничено или невозможно.

Настоящее исследование посвящено физическому моделированию двухфазных высококонцентрированных дисперсных потоков и измерению локальных характеристик с применением ЛДА, специально разработанных волоконно-оптических датчиков и метода оптической однородности.

Целью работы является экспериментальное исследование влияния объемной (массовой) концентрации дисперсной фазы на локальную гидродинамику: при турбулентном режиме фильтрации жидкости в регулярных упаковках шаров; в 2Э и ."Ш аппаратах кипящего и циркулирующего кипящего слоя; в гравитационной струе песка, вытекающей из конуса; при газонасыщении турбулентного пограничного слоя.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Для изучения основных закономерностей локальной гидродинамики турбулентного фильтрационного потока внутри пор, включая пограничные слои на стенках шаров и канала, выполнен комплекс исследований процесса турбулентной фильтрации жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса от 1000 до 20000; разработан экспериментальный стенд с рабочей частью, в которой созданы кубическая (самая рыхлая) и октаэдрическая (самая плотная) упаковки шаров; разработана методика измерений средних, пульсационных и спектральных характеристик турбулентного фильтрационного потока с применением метода оптической однородности и ЛДА; разработана новая иммерсионная жидкость на основе йодистого и роданистого аммония.

2. Разработаны одно - двух - трехволоконные датчики, методики калибровки и измерения концентрации пузырей в аппаратах кипящего слоя (КС), скорости и концентрации частиц в циркулирующем кипящем слое (ЦКС), концентрации газа в газожидкостных потоках; выполнены исследования и получены данные по распределению концентрации пузырей в 20 и ЗО аппаратах кипящего слоя, скорости и концентрации частиц в крупномасштабном аппарате ЦКС в широком диапазоне режимных параметров.

3. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе; разработан экспериментальный стенд и методика измерения скорости и массовой концентрации частиц в гравитационной струе песка с применением ЛДА и метода амплитудной дискриминации; получены данные по распределению концентрации частиц, средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости движения частиц песка.

4. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Разработаны плоская модель с пористой стенкой, экспериментальный стенд с горизонтальной рабочей частью и пористой вставкой для газонасыщения турбулентного потока; разработаны методики измерения локальных характеристик турбулентного пограничного слоя (ТПС) с газоиасыщеним: локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профиля концентрации газа в ТПС, профиля скорости жидкости в непосредственной близости от стенки трубы. Выполнены комплексные исследования эффекта снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения на пластине, на нижней стенке горизонтальной трубы, на нижней и верхней стенках во входном участке канала.

Научная новизна исследований • Разработаны и реализованы новые подходы к диагностике двухфазных турбулентных потоков при высоких концентрациях дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков, разработана новая иммерсионная жидкость.

• Впервые выполнен цикл экспериментальных исследований по визуализации и измерению средних, пульсацнониых п спектральных характеристик скорости жидкости в проточном части регулярных упаковок шаров в турбулентном режиме фильтрации, и проведен анализ основных закономерностей потока. На их основе предложены физические модели процессов турбулентноП фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках, ключевыми элементами которых являются геометрия проточной части и точки контакта шаров.

Показано, что отрыв турбулентного пограничного слоя от стенок при струйном обтекании шаров в кубической ячейке затягивается до ~ 130- 135°. а его присоединение происходит при угле ~ 30 - 35° на следующем по потоку слое шаров; внутри области отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя (в зоне теневых точек контакта шароп) наблюдается вихревая область рециркуляционного типа. Проведено исследование характеристик турбулентного пограничного слоя на шаре, вихревого рециркуляционного движения, и показано, что отрыва вихрей не происходит. Установлено, что структуры потока в центральной и пристенной ячейках кубической формы идентичны, за исключением зоны (-1 мм) пограничного слоя па стенке канала. Показано, что в отличие от кубической упаковки (ф,,=0.524) профиль средней скорости в минимальном сечении октаэдрической ячейки (фр=0.74) имеет два максимума, а степень турбулентности жидкости в струйных зонах почти п дна раза выше, чем в кубической ячейке при одинаковых числах Реннольдса.

• Получены данные по профилям скорости и концентрации дисперсной фазы в крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем при псевдоожнжепин частиц воздухом. Показано, что профиль скоростей частиц в центральной области ЦКС имеет форму близкую к параболической (частицы движутся вверх) с положительным максимумом па осп аппарата. П пристенном зоне ЦКС (~ 20% поперечного сечеппя) частицы движутся вши. отрицательный максимум скорости расположен па некотором расстоянии от стенки, а по величине он составляет примерно третью часть от максимальной скорости.

Показано, что концентрация частиц и центральной области ЦКС4 минимальна; она плавно распет при движении к стенке: в пристенной зоне концентрация резко увеличивается до максимума, а у самой стенки она и 2-3 раза меньше максимума в зависимости от режимных параметров. Установлено, что при увеличении скорости циркуляции концентрация частиц и пристенной зоне растет значительно больше, чем в ядре потока.

• Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движении чпепщ песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе. Установлено, что скорость движения частиц на осп гравитационной струн близка к зависимости ио=(2у!1)"^ (идеальная жидкость), а концентрация частиц на оси струи уменьшается экспоненциально. Впервые показано, что спектр пульсации скорости частиц на оси струи в диапазоне волновых чисел 10>К>100 изменяется в соответствии с зависимостью К У'. характерной для изотропных турбулентных течении.

• Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Впервые проведены комплексные исследования локальных характеристик турбулентного пограничного слоя с газонасыщением и снижением трения до 80%. Установлено, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является концентрация газа в пристенной (буферной) зоне; при увеличении расхода газа концентрация вблизи стенки достигает максимума (70-80%, У/5=0.1), но в вязком подслое она близка к нулю. Впервые показано, что снижение локального трения связано с уменьшением градиента средней скорости жидкости, уменьшением интенсивности пульсаций трения и давления на стенке. Предложен механизм снижения трения для пузырькового метода, который связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

Достоверность

Достоверность результатов исследований основывается на применении в экспериментах универсального отработанного метода ЛДА, анализе погрешности измерений; данными тестовых экспериментов по эталонным объектам с известными параметрами; повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами; сравнением с известными экспериментальными и теоретическими результатами; и подтверждается цитируемостью в публикациях в ведущих научных журналах, обзорах и монографиях.

Практическая значимость работы

Результаты исследований закономерностей турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы могут быть использованы при разработке физических моделей, оптимизации течений в различных технологических установках, создании и тестировании новых методов расчета.

Новые данные по полям скоростей в регулярных шаровых укладках при больших числах Рейнольдса могут быть использованы при разработке компактных теплообменников, атомных реакторов на шаровых твэлах, при проектировании нефтяных и газовых скважин и др.

Новые данные по полям скоростей и концентраций частиц могут быть использованы в Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ, г. Москва) при проектировании котлов с циркулирующим кипяшим слоем.

Лазерные волоконно - оптические системы могут применяться для исследований двухфазных потоков (включая криогенные эксперименты) в: ИК СО РАН, ИТ СО РАН, ИЛФ СО РАН и др.

Результаты комплексного исследования турбулентного пограничного слоя с газонасыщением могут быть использованы для снижения гидродинамического трения на судах и подводных объектах.

На защиту выносятся:

разработанные автором методики экспериментального исследования турбулентных двухфазных потоков при высокой концентрации дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков;

- результаты экспериментального исследования средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости жидкости, а также физические модели процессов турбулентной фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках шаров;

- результаты экспериментального исследования локальных характеристик в кипящем и циркулирующим кипящем слое: распределение объемной концентрации пузырей в 2D и 3D аппаратах кипящего слоя, профили скорости и концентрации частиц в ЦКС;

- результаты экспериментального исследования локальных характеристик гравитационного движения дисперсного материала в струе, вытекающей из конуса: профили средней скорости, RMS пульсаций и концентрации частиц, спектральные характеристики пульсаций скорости частиц;

- результаты экспериментального исследования снижения локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профили скорости жидкости и концентрации газовой фазы в турбулентном пограничном слое с микропузырьками газа, зависимость снижения трения от концентрации газа в непосредственной близости от стенки.

Личный вклад автора заключается в следующем:

- постановка проблем, способы их решения и представленные научные результаты принадлежат автору;

- представленные в работе основные результаты в виде сформулированных защищаемых положений, научной новизны и выводов получены и обоснованы лично автором;

- автору принадлежит разработка методик экспериментов, конструкций экспериментальных установок, организация и проведение экспериментов, а также анализ и обобщение собственных и известных литературных данных.

Апробацпя работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: Лазерная анемометрия и ее применение, Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности, Оптические методы исследования потоков, Сибирский теплофизический семинар, Горение твердого топлива, Second Intern. Conf. On Drag Reduction (Cambridge, 1977), 5th World Filtration Congress (Nice, France, 1990), Int. Symp. On the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation (Moscow, 1997), 7th Int. Conf. Laser Anemometry. Advances and Application (Karlsruhe, 1997), 2th and 3th Int. Conf. on Fluid Dynamic Measurement and Its Application (Beijing, 1994 and 1997), 16th Int. FCB Conference (USA, 2001),

European Drag Reduction Working Meeting (Kiev, Ukraine, 2010), Int. Conf. Materials, Methods & Technologies (MMT-14, Болгария, 2012) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе 16 работ в журналах из списка ВАК. 10 патентов м два авторских свидетельства.

Структура п объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав п заключения, изложенных на 299 страницах машинописного текста, содержащих 1 14 рисунков и 4 таблицы, а также списка цитируемой литературы из 431 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели работы, обоснована актуальность темы исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассматривается современное состояние исследований двухфазных турбулентных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Увеличение концентрации частиц существенно осложняет турбулентное течение смеси. В общем виде совместное движение жидкости и частиц можно разбить на несколько основных классов: фильтрация - в плотноупаковапном слое частицы неподвижны, а жидкость фильтруется между ними; кипящий и циркулирующий кипии/ий слой -относительные движения частиц и жидкости (газа) могут быть сложными с одним или несколькими контурами циркуляции и интенсивным перемешиванием пузырями; гидротранспорт - перенос частиц жидкостью или газом (в работе не рассматривается); седиментация - частицы могут перемещаться сквозь жидкость совместно, в общей массе, как это происходит при осаждении (в работе не рассматривается). Внутри классов в зависимости от физических свойств частиц и их объемной (массовой) концентрации реализуются различные режимы движения двухфазных потоков в технологических аппаратах.

На рис. I показана качественная картина смены режимов в аппарате со смесью газа с твердыми частицами при увеличении скорости газа. Если в аппарат засыпать дисперсную фазу (например, песок), то увеличение скорости газа, продуваемого сквозь слой через проницаемое дно, приводит к последовательной смене режимов: фильтрация, псевдоожиженный (кипящий) слой - пузырьковый режим, псевдоожиженный слой - снарядный режим, турбулентный псевдоожиженный слой, быстрое псевдоожпженне

(циркулирующий кипящий слой), пневмотранспорт. При увеличении скорости фильтрации газа, когда потерн на трение уравновешивают вес слоя, частицы переходят во взвешенное состояние. При этом смесь приобретает некоторые свойства жидкости, в аппарате поднимаются пузыри. По мере подъема размер пузырей увеличивается, в основном, за счет коалесценции, и при достаточной высоте аппарата пузырьковый режим псевдоожижения сменяется снарядным

режимом. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к разрушению снарядов в турбулентном режиме. Когда скорость газа становится больше скорости витания основной массы частиц, наблюдается вынос частиц из слоя, и для реализации режима циркулирующего кипящего слоя необходимо осуществлять возврат дисперсного материала в слой. Поэтому аппарат оснащают циклоном и стояком, по которому частицы возвращаются в слой, образуя контур их многократной циркуляции. Переход в режим пневмотранспорта частиц соответствует еще большей скорости газа и новому технологическому процессу. Если в газожидкостном потоке в трубе увеличивать расход газа, то наблюдается следующая смена режимов: пузырьковый, снарядный, пенистый, дисперсно-кольцевой и др. Таким образом, наблюдается определенная аналогия между дисперсными системами «газ-твердые частицы» и газожидкостными потоками в трубах, лучше изученными.

В диссертационной работе представлены экспериментальные исследования процессов турбулентной фильтрации, а также процессов в кипящем и циркулирующем кипящем слое. Газожидкостный поток в работе исследуется применительно к пузырьковому методу снижения турбулентного трения. Следует отметить, что в работе исследуется гидродинамика гравитационной струи песка вытекающей из конуса в неподвижный воздух, применительно к процессам калибровки волоконно-оптических датчиков. В аппаратах КС, ЦКС и гравитационной струе применялись частицы .-1 и В групп по классификации Гелдарта: речной песок со средним размером с!,,= 0.15; 0.23; 0.5 и 0.6 мм, истинной плотностью рг= 2470 и 2620 кг/м^ анионит <:/,,= 0.55. 0.75 и 0.9 мм с истинной плотностью р,,= 1240 кг/м', оксид алюминия с1г= 0.6 мм. /),,= 3680 кг/м\

Турбулентные двухфазные потоки имеют специфические характеристики, определяющие их основные свойства; физические свойства частиц, их размер (диаметр) (¡¡, и плотность рг, концентрацию (объемную, счетную или массовую), скорость витания частиц, времена релаксации, ннерцнонные свойства частиц (числа Стокса), и другие. Одной из основных характеристик двухфазного потока является объемная (¡р) или массовая (М) концентрация дисперсной фазы, которая определяется как доля (масса) дисперсной фазы в выделенном объеме (массе) смеси. В высококонцентрированных потоках объемная концентрация дисперсной фазы, как правило, больше (1-3)%. В экспериментальной практике широко применяется расходная объемная (или массовая) концентрации, как отношение расхода (объемного пли массового) дисперсной фазы к соответствующему общему расходу смеси. Число Архимеда для дисперсной фазы является мерой соотношения сил тяжести, подъемной силы и сил трения, оно определяется по физическим характеристикам дисперсной н непрерывной фаз. В работе число Архимеда изменялось в диапазоне от -10 до 10\ Для частицы, движущейся в среде под действием силы тяжести, предельная скорость осаждения (или витания) определяется из уравнения баланса силы тяжести, гидростатического давления и силы сопротивления. Время релаксации

(отичика) частицы к изменениям скорости или температуры в потоке важно в определении безразмерных параметров, характеризующих поток. Оно касается времени реакции частицы на изменение в скорости или температуре. Динамическая и тепловая инерционности частиц характеризуются соответствующими временами релаксации. Числа Стокса - безразмерные параметры, характеризующие инерционность частиц по отношению к различным масштабам (интегральному, колмогоровскому) турбулентного течения. Столкновительное число Стокса определяет степень влияния межчастичных столкновений на движение дисперсной фазы. В высококонцентрированных потоках время между столкновениями может быть намного меньше времени динамической релаксации частиц, и тогда движение дисперсной фазы в значительной степени определяется столкновениями.

Классификация двухфазных потоков по объемной концентрации дисперсной фазы: в высококонцентрированных потоках «газ-твердые частицы» в диапазоне концентраций фр= 10"' - 10° (Elghobashi, 1991) необходимо учитывать воздействие частиц на поток непрерывной фазы и взаимодействие (столкновения) между частицами; в газожидкостных потоках пузырькового типа высокой концентрацией дисперсной фазы принято считать объемную концентрацию tph> 102. В монографии Вараксина (2008) предложена совместная классификация двухфазных потоков типа «газ-твердые частицы» по объемной концентрации частиц (столкновительному числу Стокса) и числам Стокса (в осредненном, крупномасштабном и мелкомасштабном пульсационных движениях), которая охватывает весь спектр гетерогенных потоков. По аналогии с пульсирующими в турбулентном потоке характеристиками предполагается, что мгновенное число Рейнольдса частицы (Re,,*) состоит из средней (постоянной) величины {Re,,) и пульсационной (переменной во времени) составляющей (Re,,'): Re,, * - Re,,+ Re,,'. Следует отметить, что имеющиеся в механике гетерогенных сред подходы (физические и математические модели) могут быть использованы только в достаточно узком диапазоне концентраций и ннерционностей частиц.

Основы математического моделирования турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Общие системы уравнений с учетом относительного движения твердых компонентов были получены Слезкиным (1952), Баренблаттом (1953), Франклем (1953, 1955), Телетовым (1958), Дементьевым (1963), Дюниным и др. (1965). Теоретическому и экспериментальному исследованию турбулентных двухфазных дисперсных потоков посвящено большое количество работ. Многие вопросы, связанные с гидродинамикой и теплообменом этих течений рассмотрены в монографиях Аэрова, Тодеса (1968), Баскакова (1968), Горбиса (1970), Coy (1971), Дэвидсона, Харрисона (1965, 1974), Богоявленского (1978), Кутателадзе (1979), Нигматулина (1982, 1987), Буевича (1971, 1973 и др.), Накорякова и др. (1973), Накорякова, Горина (1994), Шрайбера и др. (1987), Айнштейна и Баскакова (1991), Zhou (1993), Волкова и др. (1994), Гольдштика (1984), Clift, Grace and

Weber (1978), Crowe, Sommerfeld, and Tsuji (1998), Островского (2000), Зайчика (2004, 2006), Вараксина (2003, 2008) и др. Проблемам двухфазных (многофазных) потоков посвящены работы Бородули, Теплицкого, Лившица (1981), Алексеенко, Накорякова, Покусаева (1992), Basu and Large (1988), Eaton&Fessler (1994), Elghobashi (1994), Crowe et al. (1996, 2006), Simonin ( 1996), Зайчика и Першукова (1996), Loth (2000), Sommerfeld (2000), Тупоногова, Рыжкова и др., 2008, и др.

При математическом моделировании двухфазных (многофазных) высококонцентрированных потоков наибольшее распространение получила модель взаимопроникающих и взаимодействующих континуумов. Механика двухфазного потока строится на основе физических законов сохранения массы, импульса и энергии для каждой фазы в некотором фиксированном в пространстве объеме смеси Г, ограниченном поверхностью S, учитывая при этом соответствующий обмен (через взаимодействие) массой, импульсом и энергией между составляющими внутри объема V. Достоинства этого подхода по сравнению с лагранжевым описанием движения дисперсной фазы состоят в следующем: отсутствуют трудности моделирования динамики высококонцентрированных потоков, удобство использования единого вида уравнений для обеих фаз, меньшие вычислительные затраты при моделировании турбулентных характеристик дисперсной фазы. В монографиях Зайчика (2004), Вараксина (2008) рассмотрены модели замыкания различной иерархии для моментов турбулентных пульсаций при осреднении исходных уравнений количества движения и энергии типа Навье-Стокса для обеих фаз.

Для того чтобы описать макроскопическое осредненное движение фаз с помощью методов механики сплошной среды, вводятся следующие ограничения: (1) dn < / «¿< LA, где dr — размер частиц; / — микроскопический линейный масштаб гидродинамических процессов, протекающих на уровне отдельных частиц; L — линейный масштаб существенного изменения макроскопических переменных; LA — характерный линейный размер аппарата; (2) г «Т<ТС, где т — микроскопический временной масштаб; 7" — временной масштаб изменения макроскопических переменных; /', — временной масштаб изменения внешних условий. Вопросы, связанные с развитием и применением континуальной модели, приведены в работах Нигматулина (1982), Буевича (1973) и других.

При малых концентрациях методы расчета турбулентных двухфазных потоков могут быть основаны на лагранжевом траекторном описании дисперсной фазы - решении уравнений движения и энергии вдоль траекторий отдельных частиц. Трудоемкость динамического лагранжева моделирования в значительной степени увеличивается в высококонцентрированных дисперсных потоках вследствие возрастания «запутанности» траекторий из-за столкновений частиц, а также при изменении числа частиц при слиянии и разрушении.

Наиболее точная и детальная информация о структуре турбулентного двухфазного потока v может быть получена на основе применения метода

прямого численного моделирования (DNS) для несущей сплошной среды в сочетании с лагранжевым подходом для дисперсной фазы. Однако OA'S'требует больших затрат времени даже при использовании суперкомпьютеров. В методе крупных вихрей (LES) производится прямое моделирование только крупных вихрей, пространственный масштаб которых превышает размер численной сетки, а мелкомасштабные (подсеточные) пульсации оказываются вне пределов разрешимости и описываются полуэмпирическим путем. LES применим для моделирования поведения частиц, время динамической релаксации которых много больше временного микромасштаба турбулентности.

С ростом концентрации и размера частиц роль обмена импульсом и энергией между частицами в результате столкновений по сравнению с гидродинамическим взаимодействием возрастает. В концентрированных дисперсных средах определяющую роль в формировании статистических свойств системы играют межчастичные столкновения, и теоретический анализ этой проблемы подобен аналогичной кинетической проблеме в теории молекулярного движения газа.

Статистический подход, базирующийся на кинетических уравнениях для плотностей вероятности распределений скоростей, температур и других характеристик частиц дисперсной фазы, является одним из наиболее последовательным методом построения континуальных моделей, т.е. определения системы уравнений гидродинамики и тепломассопереноса для дисперсной фазы. Введение ФИВ позволяет получить статистическое описание ансамбля частиц, при котором происходит некоторая потеря информации в отношении индивидуальных особенностей поведения отдельных частиц, но эта неполнота динамической информации компенсируется увеличением информации о статистических закономерностях движения и теплообмена коллектива частиц (дисперсной фазы в целом). Применение статистического метода на основе кинетических уравнений позволяет единым образом описывать взаимодействия частиц с турбулентностью, столкновения частиц друг с другом, взаимодействие частиц со стенкой и другие процессы в турбулентных дисперсных потоках. Большие успехи в этом направлении получены в работах Буевича, Зайчика, Алипченкова и других.

Физическое моделирование турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы. Методы измерения структуры двухфазных дисперсных течений можно разделить, прежде всего, на контактные (возмущающие поток) и бесконтактные. К невозмущающим методам можно отнести: фотографирование (включая высокоскоростную съемку), J1 ДА, PIV, РТУ (стробоскопическую визуализацию), тепловые и электродиффузионные датчики (заделанные заподлицо с обтекаемой стенкой), датчики статического и пульсационного давления, акустические и радиочастотные датчики, томографию на основе рентгеновских и гамма лучей, магнитно-резонансную томографию (MR/), меченые частицы и др. Возмущающие поток методы включают: волоконные датчики, резистнвные и емкостные датчики, тепловые и

электродиффузионные датчики и др., в которых миниатюрный зонд вводится в двухфазный высококонцентрированный поток.

В последнее время интенсивно развивается метод оптической однородности, в котором коэффициенты преломления специальной иммерсионной жидкости и дисперсной фазы (например, стеклянных шаров или стержней) одинаковы. Такая двухфазная среда оптически прозрачна при максимальной концентрации дисперсной фазы, и доступна для исследований локальной структуры оптическими методами.

При исследовании турбулентных двухфазных течений с высокой концентрацией дисперсной фазы оптический доступ к большей части потока ограничен. Поэтому применение контактных методов становится необходимой реальностью, а для минимизации возмущающего воздействия на поток-необходима миниатюризация экспериментального зонда. Следует отметить применение эндоскопов для исследования процессов фильтрации и измерения характеристик (в комплексе с /7/7 или PTV) в холодном и «горячем» ЦКС. С целью проведения измерений в двухфазных потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы в ряде работ проводят модернизацию оптической головки ЛДА, что расширяет диапазон концентрация до 20% и более. В работах И ВТ РАН (2003, 2006, 2008) рассмотрены особенности измерения скорости крупных частиц в запыленных потоках с помощью ЛДА, методики амплитудной дискриминации и измерения массовой концентрации частиц; установлены ограничения метода ЛДА в зависимости от ширины двухфазного потока, его концентрации и размера частиц.

Среди возмущающих методов волоконно-оптические датчики обладают рядом преимуществ: малый (около ¡25 мим) диаметр; высокая эластичность и механическая прочность; высокая коррозионная стойкость, частотная широкополостность и малые потери. В датчиках оптическое волокно можно применять как в качестве линии передачи, так и самого чувствительного элемента. В настоящее время разработаны волоконно-оптические датчики отражательного типа, время-пролетного типа, различных схем ЛДА и других, с помощью которых можно проводить измерения скорости, концентрации и размеров частиц.

Глава 2 посвящена разработке методов исследования локальных характеристик двухфазных турбулентных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы на основе методики оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков.

Экспериментальные исследования процессов турбулентной фильтрации жидкости в кубической и октаэдрической упаковках шаров проведены с применением метод оптической однородности и ЛДА «ЛАДО-2» (ИАиЭ СО АН СССР). Регулярные укладки осуществлялись из одинаковых шаров диаметром D=18.2 мм, изготовленных из оптического стекла ЛК-7 с коэффициентом преломления пц=1.483, сквозь которые фильтровался водный раствор йодистого и роданистого аммония с подогнанным с высокой точностью (10"-10'^)

коэффициентом преломления. Преимущества .ПДА «ЛАДО-2»-. бесконтактность; малый измерительный объем (100 мки х30 мки); возможность измерения различных компонент вектора скорости при любой степени турбулентности потока; не нуждается в калибровке; широкий диапазон измеряемых скоростей, включая знакопеременные потоки. Погрешность измерения средней скорости составляла ±1-3%, а пульсаций скорости жидкости в полосе до 500 Гц » 5-7%. Измерительный объем ЛАДО-2 был специально минимизирован для измерения скорости жидкости в непосредственной близости от стенок шаров и канала. Исследования турбулентного режима фильтрации проведены в диапазоне чисел Рейнольдса Ие=и„, 0/г^=1000-20000, здесь 11ш -максимальная скорость жидкости в шаровой ячейке, Ор - диаметр стеклянных шаров, кинематическая вязкость новой иммерсионной жидкости.

Разработаны двух - и трехволоконные датчики, методики калибровки и измерения концентрации пузырей в аппаратах кипящего слоя, скорости и концентрации частиц в циркулирующем кипящем слое.

В аппаратах кипящего слоя одним из основных параметров является равномерность распределения пузырей в его объеме (качество псевдоожижения), которое обычно теряется при переходе к натурному масштабу. Для измерения объемной концентрации пузырей (<рн) в КС была разработана методика измерений на основе двухволоконного датчика отражательного типа, в котором по одному световоду зондирующее излучение лазера направлялось в исследуемую область кипящего слоя, а по другому световоду, расположенному .рядом с первым, отраженный частицами свет направлялся на фотоприемник. С помощью компаратора определялось отношение времени присутствия наконечника двухволоконного датчика в пузырьковой фазе КС к полному времени измерения, которое соответствовало объемной концентрации пузырей. Погрешность измерения (р/, составляла ±10%. Исследование распределения концентрации пузырей проведены в 20 аппарате КС с размерами 0.04x0.2х 1.0 м1 (песок ¿/,,=0.5 мм, рр=2620 кг/м3), и в крупномасштабном ЗО аппарате КС с размерами 0.2x0.42x2.0 м3 (песок ¿/,,=0.6 мм,/;,,=2620 кг/м1)

Для исследований гидродинамики различных оптически непрозрачных дисперсных систем типа кипящий и циркулирующий кипящий слой, высококонцентрированный газожидкостный поток и других систем, была разработана схема .ПДА с тремя световодами (ЛДВА-3), в которой лазерное зондирование потока осуществляется двумя пересекающимися лучами. Она аналогична хорошо известной в лазерной анемометрии дифференциальной схеме, работающей в режиме рассеяния назад, в которой роль блоков формирующей и приемной оптики выполняют световоды. Работу дифференциальной схемы измерителя скорости со световодами определяют: угол между формирующими световодами, апертурный угол применяемых оптических волокон и расстояние между выходными торцами световодов. Анализ работы трехволоконной схемы показал, что наименьшая методическая

погрешность, вызванная расходимостью лазерных пучков на выходе, формирующих измерительный объем световодов, достигается при больших углах пересечения (50-70)°, где она не превышает 10%.

Принципиальная схема ЛДА с тремя световодами показана на рис. 2. Луч Не - Ne лазера 1 (ЛГ-79-1, мощность 15 мВт, /.= 0.63 мкм-длина волны излучения) расщепляется с помощью ячейки Брэгга (20 МГц) на два пучка равной интенсивности. С помощью микрообъективов 3 они вводятся в формирующие световоды многомодового (или одномодового) типа, 4-поворотная призма. На выходе формирующих световодов пространственное совмещение световых пучков в исследуемой области достигается путем жесткой фиксации концов световодов в специальных канавках пластинки 6, выполненных в соответствии с геометрией дифференциальной схемы. Направляющие канавки задают угол пересечения двух зондирующих пучков в измерительном объеме (60°), где образуется интерференционное поле - система бегущих полос, пересечение которых частицами потока приводит к амплитудной модуляции рассеянного излучения. Измерительный объем датчика составлял ~ 0.0435 ммЗ. а расстояние его геометрического центра от торца датчика составляло 0.5 мм. Применялись многомодовые световоды типа кварц-кварц с полной апертурой ± 10° (А7\7100 /120 /200 - диаметры световедущей жилы, отражающей оболочки и защитного покрытия, мкм - спец. заказ), .глина световодов в опытах составляла 10 м. Для передачи рассеянного излучения на фотоприемник 7 служит приемный световод 5, который расположен симметрично относительно двух формирующих. Электронный сигнал с фотоприемника проходит фильтры нижних и верхних частот, и направляется на смеситель 9. на который подается также сигнал с задающего генератора 8 (20 МГц). Выделенный смесителем доплеровский сигнал измеряется специальным процессором следящего типа 10 и наблюдается на осциллографе II. Электронный сигнал с фотопрнемнпка поступает также на компаратор 12, выход которого подключен к частотомеру 43-32 для измерения концентрации частиц. Концентрация частиц в двухфазном потоке измерялась по времени их нахождения в измерительном объеме датчика за заданный период наблюдения /' в соответствии с алгоритмом q>, = /У, где I,- время нахождения /'- той частицы в измерительном объеме датчика, погрешность измерения составляла ± (10-15)%.

Проверка работы трехволоконного датчика дифференциального типа (ЛДВА-3), проведенная в опытах с вращающимся диском показала, что относительное изменение частоты доплеровского сигнала при постоянной скорости, но на разных расстояниях от диска в пределах измерительного объема, составляет ±7% в случае применения одиомодовых световодов. Проверка работы датчика ЛДВА-3 при большой концентрации дисперсной фазы проводилась в опытах с вращающимся диском, на который закреплялся (по центру) стеклянный сосуд цилиндрической формы диаметром 200 мм и высотой

100 мм, заполненный песком со средним размером (¡р= 0.5 мм. Датчик ЛДВА-3 погружался в песок на глубину около 20 мм на заданном расстоянии от центра диска. При вращении диска с заданной скоростью проводились измерения доплеровского сди1на частоты (Г»), рассеянного частицами света, и времени присутствия частиц в измерительном объеме датчика (I,) за заданный промежуток времени Т . Калибровочные измерения показали, что погрешность измерения скорости частиц при объемной концентрации 0.5 не превышает ± 10%. С помощью датчика ЛДВА-3 проведены измерения скорости движения частиц оксида алюминия (А1:03) со средним диаметром (1Р= 0.6 мм и плотностью 3680 кг/м3 в аппарате КС диаметром 100 мм, а также скорости движения частиц анионита Ц,= 0.9 мм, р,,= 1240 кт/м:') в крупномасштабном ЦКС (ВТИ). Таким образом, с помощью датчика ЛДВА-3 и специального блока электронной обработки сигнала можно измерять скорость и концентрацию дисперсной фазы в высококонцентрированных двухфазных потоках.

Для измерения скорости и концентрации дисперсной фазы в высококонцентрированных газожидкостных потоках и потоках «газ - твердые частицы» была применена известная одноволоконная схема ЛДА. Она работает аналогично схеме ЛДА с опорным пучком. Луч лазера I проходит через отверстие в зеркале 2, установленном под углом к направлению луча, и микрообъективом 3 вводится в многомодовый световод 4 (рис. 3). Роль опорного пучка в схеме выполняет волна, отражённая от выходного торца световода. При подходе газового пузырька (частицы) к торцу отраженный (рассеянный) ими свет зондирующего излучения частично попадает обратно в световод. Совместно с опорной волной рассеянное пузырьком или частицей излучение проходит по световоду в обратном направление и объективом 3 направляется на наклонное зеркало, затем на ограничительную диафрагму 5 и поляризационный фильтр 6, плоскость пропускания которого ортогональна плоскости поляризации луча лазера. Линза 7 направляет пучки на фотоприёмннк. Электронная часть системы измерения содержит стандартный набор приборов обычного ЛДА: фотоприёмник 8, фильтр верхних и нижних частот 9, осциллограф 10, анализатор спектра 11, а также процессор для обработки доплеровских сигналов 12 и другие внешние устройства.

С целью отработки методики были проведены сравнительные измерения скорости всплытия пузырьков диаметром - 7 мм в глицерине с помощью двух методов: дифференциальной схемы ЛДА на основе традиционной оптики и одноволоконнон схемы ЛДА (ЛДНЛ-1). Струйка пузырьков создавалась при вдуве воздуха через капилляр диаметром 0.5 мм, установленный в дно сосуда прямоугольной формы. Было показано, что формы доплеровского сигнала и его пьедестала зависят от угла между наконечником волоконного датчика и межфазной поверхностью, а также расстояния между ними. В момент накалывания пузырька на наконечник световода происходит деформация межфазной поверхности и замедление скорости всплытия из-за интрузивной природы волоконного датчика. Датчик «видит» криволинейную отражающую

поверхность в пределах своей апертуры (А'А), поэтому при углах между наконечником датчика и поверхностью больше апертуры световода доплеровские сигналы отсутствуют и измерение скорости пузырьков невозможно.

При калибровочных измерениях в снарядном режиме в восходящем газожидкостном потоке в трубе диаметром 15 мм были проведены измерения с применением ЛДВА-1 скорости переднего или заднего фронтов, которые выделялись из сигнала с помощью специального электронного блока. Момент пересечения межфазной поверхности определялся по сигналу датчика проводимости (диаметр 0.1 мм), установленному параллельно волоконному датчику. Скорость подъема снаряда в вертикальной трубе сравнивалась с измерениями время - пролетным методом и ЛДВА-1. Наблюдалось хорошее соответствие между измерениями двумя различными методами. При калибровочных измерениях объемной концентрации пузырей (у*/,,,/,) в вертикальном газожидкостном потоке в трубе диаметром 15 мм, в качестве эталонного был принят датчик проводимости. Сравнение результатов измерений (рыл датчиком проводимости и ЛДВА-1 показало хорошее совпадение. Таким образом, с помощью датчика ЛДВА-1 и специального блока электронной обработки сигнала можно с погрешностью не более 10% измерять скорость и концентрацию дисперсной фазы в газожидкостных потоках.

Разработана методика измерения толнршы пленки жидкости с помощью модифицированного двухволоконного датчика. С помощью датчика ЛДВА-1 можно измерять малые (-1-3 мм) расстояния до отражающей (например, водной) поверхности, по аналогии с датчиками отражательного типа. Основой метода является освещение отражающей поверхности расходящимся пучком света на выходе зондирующего световода, и регистрации интенсивности отраженного света при калибровке на заданном расстоянии. Схему ЛДВА-1 можно упростить, если в качестве направленного ответвителя вместо зеркала {/}чс. 3) использовать параллельные торцы двух световодов с наклеенной стеклянной пластинкой, толщиной около 1-2 мм (Алексеенко, Евсеев и др.. 2003). Таким модифицированным двухволоконным датчиком можно измерять толщину пленки жидкости, а также скорость и концентрацию дисперсной фазы в высококонцентрнрованных двухфазных потоках. Скорость дисперсной фазы можно измерять по доплеровскому сдвигу частоты в рассеянном частицами свете (по аналогии с ЛДВА-1), а концентрацию дисперсной фазы - по аналогии с датчиками отражательного типа.

На основе модифицированного двухволоконного датчика разработана методика измерения амплитудно-частотных характеристик толщины пленки жидкости в местах трудного доступа и на объектах сложной формы. В работе приводятся статические, динамические и угловые характеристики датчика. Модифицированный волоконно-оптический датчик для измерения толщины пленки жидкости имеет ряд преимуществ перед другими датчиками: высокое быстродействие (I О^-И 0"5с), малую площадь зондирования поверхности пленки

(-0.12 мм2), высокую точность измерения (1.5-2% для гладких пленок, 10% для волновых пленок) и длинную линию связи между объектом и прибором (более 100 м). В качестве примера показано применение модифицированного двух волоконного датчика для исследования механизма растекания жидкости при встречном потоке воздуха в дистилляционной колонне с насадкой из рифленых пластин (А1екБеепко, Еу5ееу е1 а1., А1СИЕ .)., 2008). Следует отметить, что визуальные исследования растекания жидкости в точке контакта рифленых пластин, а также качество установки заподлицо четырех модифицированных датчиков на их поверхности проведены с помощью нового эндоскопа с шаровым объективом (А1екэеепко, ЕуБееу е1 а!.. 2006, 2007). Его основные преимущества: простота и надежность конструкции при достаточно хорошем качестве изображения, допускает одноразовое использование в медицине.

Глава 3 посвящена исследованию основных закономерностей турбулентного режима фильтрации жидкости в регулярных упаковках шаров.

Необходимость решения многих фундаментальных и прикладных проблем процессов фильтрации связана с такими важными приложениями как добыча нефти и газа, крекинг нефтепродуктов, химические технологии с применением катализаторов, а также с разработкой ядерных реакторов с шаровыми твэлами н других. Исследованию гидродинамики фильтрационных потоков посвящено «необозримое» количество работ, начало которым положено экспериментами Дарси (1856). Большая часть публикаций посвящена определению коэффициентов сопротивления различных типов засыпок в зависимости от расхода жидкости, размера, формы и концентрации элементов в зернистом слое. Но лишь в немногих работах рассматриваются процессы, протекающие внутри слоя и изучающие смену режимов фильтрационных потоков и механизмы сопротивления.

В процессах фильтрации рассматривают три основных режима:

1. Вязкий (ползущий) режим движения жидкости в порах зернистого слоя (Ке< 1). В отсутствие инерционных проявлений, гидродинамика фильтрационного потока полностью определяется геометрией проточной части засыпки. Закон Дарси устанавливает линейную связь между скоростью фильтрации жидкости и перепадом давления на зернистом слое.

2. При увеличении скорости фильтрации происходит переход к «вязко-инерционному» ламинарному фильтрационному потоку прп 1*е >1-300. Каждая частица жидкости внутри пор движется вдоль непрерывно изменяющейся криволинейной траектории, с постоянно изменяющимися скоростью 11 ускорением. Связь между перепадом давления и средней скоростью (числом Ие) становится нелинейной. Сложная форма каналов внутри зернистого слоя и наличие большого количества точек контакта между зернами приводят к ранней неустойчивости трехмерного фильтрационного потока. При увеличении числа Яе > 30-100 происходит нарастание амплитуды колебаний на граничных линиях тока, разделяющих струйную область потока и застойную (условно непроточную) зону. Далее жидкость в застойной зоне вовлекается в возвратные

движения, направленные к точкам контакта шаров, н в рециркуляционное движение с появлением завихрений в слоях смешения, что приводит к высоко неустойчивому фильтрационному потоку.

3. Дальнейшее увеличение скорости фильтрации (Re > 300) приводит к турбулентному режиму фильтрации. Была предложена схема переходов между режимами потока в упакованных слоях, основанная на анализе инерционного вклада в полный перепад давления по капиллярной модели. При Re,„4,< 2.7 инерционный вклад составляет = 5%, поток соответствует закону Дарен. При Re„„i~ 120 инерционный вклад составляет = 70%, поток соответствует ламинарно - инерционному режиму, а при Re,„4, > 600 (инерционный вклад составляет = 90%) фильтрационный поток представляет турбулентный режим (Seguin et al., 1998).

Целью исследований являлось изучение основных закономерностей локальной гидродинамики турбулентного фильтрационного потока внутри пор при кубической (самой рыхлой) и октаэдрической (самой плотной) укладках шаров в диапазоне чисел Рейнольдса 1000-20000 с применением метода оптической однородности и ЛДА (число Рейнольдса рассчитано по диаметру шара н максимальной скорости потока внутри ячейки).

В экспериментах были реализованы два типа регулярных укладок шаров: кубическая со средней объемной пористостью е = 0.476 (^ = 0.524), и октаэдрическая с пористостью с = 0,26 (<р„к = 0.74). Геометрические характеристики шаровых ячеек, распределение объемной пористости внутри них и характерные направления измерений показаны на рис.4 а. б. с. Здесь /;- высота шаровой ячейки, с - 1-<рп - объемная пористость, <р,, - объемная концентрация твердой фазы, .V, )'. Z-декартова система координат, в которой ось Z направлена по потоку. Учитывая симметрию потока в элементарной фильтрационной ячейке, измерения проведены в следующих направлениях: г,- под углом л/4 к оси .V, г^ - под углом ;:/8 к оси .Y. г3 -в направлении оси А", а также по оси )'. Для пристенной ячейки дополнительно проведены измерения в боковом направлении А'с шагом 1.5 мм. Вдоль по потоку (ось Z) измерения проведены в четырех сечениях, расположенных с периодом D 4. В октаэдрической упаковке сечения 0-0 (Z„). 1-1 (Zi). 2-2 (¿2), в которых проведены измерения, проходят по четырем точкам контакта шаров с координатами h'D = 0. 0.353 и 0.706. В сечениях ZH и Z; оси координат А'.)' развернуты на угол л/4 относительно исходного положения, в соответствии с геометрией проточной части ячейки. Обозначим проекции вектора средней скорости на осп координат Z. )'. А' соответственно U. Г. II'. а пульсацнонные составляющие скорости потока СООТВеТСТВеННО //. V, II'.

Исследование турбулентного режима фильтрации g кубической упаковке шаров. На рис. 5 а показана качественная картина течения жидкости внутри кубической ячейки при числе Рейнольдса 500. Уже в вязко-инерционном режиме при Re = 10 мы наблюдали отрыв пограничного слоя от стенок шара н распространение вниз по потоку струи, сформированной в узком сечении

кубической ячейки. Граница раздела между струйной областью потока в центральной зоне ячейки и условно непроточной частью в теневой области шаров неустойчива, и при увеличении скорости фильтрационного потока (числа Re) наблюдаются увеличение амплитуды пульсаций скорости и образование завихренной рециркуляционной зоны (Re = 100). При дальнейшем увеличении числа Re видно, что в сквозных проточных каналах четко выделяются струйные зоны, а в теневой области шаров - рециркуляционные зоны (Re = 500). В турбулентном режиме фильтрации в кубической упаковке пограничный слой отрывается от поверхности шаров при угле -130-135° в теневой зоне, а ниже по потоку он присоединяется на следующий слой шаров при угле ~ 30-35°. Из дальнейших измерений будет видно, что по периферии кубической ячейки в теневой области наблюдаются возвратные течения, направленные к боковым точкам касания шаров. В образовавшейся зоне отрыва около теневой точки контакта наблюдается интенсивно пульсирующая вихревая структура, через которую происходит обмен импульсом между смежными продольными каналами в кубической упаковке шаров. В центральной зоне ячейки наблюдается струйное течение.

Исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в центральной кубической шаровой ячейке. Совпадение коэффициентов преломления жидкости и стеклянных шаров обеспечило оптическую однородность системы и доступность измерения в любой точке турбулентного фильтрационного потока с помощью .ПДА «ЛАДО-2». На основе визуальных наблюдений и исследований локальных характеристик была разработана физическая модель турбулентного фильтрационного потока в кубической упаковке (рис. 5 б), которая включает струйную зону в центре ячейки, отрывную (вихревую) зону в области теневой точки контакта, и зоны возвратного течения, направленные к боковым точкам контакта шаров. Проведено измерение трех компонент средней скорости жидкости и RMS пульсаций в указанных зонах, а также спектра продольных пульсаций в струйной зоне и слое смешения.

На рис.6 а, б показаны профили трех компонент средней скорости (а) и RMS пульсаций (б) в минимальном сечении /-/. В качестве масштабов длины и скорости приняты диаметр шара (D) и максимальная скорость потока U„, в ячейке. Струя формируется в этом сечении ячейки (h/D = 0, см. рис. 4 б), затем она расширяется в диффузорной части (h'D - 0.25) до плоскости, проходящей через теневую точку контакта шаров (h'D = 0.5). Далее струя переходит в конфузорную часть ячейки (h/D = 0.75), где она сжимается до исходного состояния (h/D = 1.0). Относительная продольная скорость на оси струи в кубической ячейке (Re = 5*10J-2xl04) и ее RMS пульсации изменяются следующим образом: U/U„,= 1, а„~ (9-10)% в сечении / (h/D=0); U/Um = 0.9, а„ ~ (12-13)% в сечении 2 (h/D=0.25); U/U,„ = 0.75-0.8, а„ ~ (15-16)% в сечении 3 (h/D=0.5)\ U/U,„ = 0.9, а„ = (12-13)% в сечении 4 (h/D=0.75). Поперечная и трансверсальная компоненты скорости жидкости на оси струи равны нулю (из-за симметрии потока), a RMS пульсации практически равны продольным. По

периферии ячейки в теневой области шара находится зона возвратного течения, в которой поток в виде четырех рукавов направлен к боковым точкам контакта: U/U„,~ 0, (7„~ О в сечении 1; U/U„,~ -(0.06-0.07), а„~ (5-6)% в сечении 2; U/Um ~ -(0.12-0.13), о„~ (10-12)% в сечении 3. В конфузорной части ячейки (сечение 4) возвратное течение отсутствует из-за ускорения фильтрационного потока.

Поперечная компонента скорости жидкости в зоне возвратного течения близка к нулю, а трансверсальная компонента изменяется в тех же пределах, как и продольная компонента. Интенсивность пульсаций всех трех компонент скорости потока в зоне возвратного течения практически равны. В слое смешения между струйной областью и зоной возвратного течения RMS пульсации всех трех компонент скорости максимальны и практически равны за исключением зоны ~1-2 мм в близи боковых точек контакта шаров: а„ ~ (24-28)%, аг= <т„.= О (сечение 1); <х„= ст,.= а„.~ (22-23)% в сечении 2; а„= я,.-- пи ~ (19-20)% в сечении 3. В сечении 2-2 на оси струн и в слое смешения фильтрационного потока исследованы спектральные характеристики продольных пульсаций скорости. С возрастанием частоты спектральная функция убывает обратно пропорционально квадрату волнового числа. Такой закон убывания спектральной функции отличается от известного закона «-5/3» Колмогорова. В спектре пульсаций скорости отсутствуют дискретные составляющие, а наибольший масштаб пульсаций имеет порядок диаметра шара.

Проведены исследования турбулентных характеристик фильтрационного потока в пристенной кубической ячейке. Основное отличие потока от центральной ячейки наблюдается только в тонком пограничном слое (-1 мм) на стенке канала. Анализ измерении показал, что в области вязкого подслоя на стенке канала до )'+ « 10 течение жидкости в центральной зоне пристенной ячейки практически не отличается от турбулентного течения в трубе. Степень турбулентности при )г+ « 12 максимальна и составляет 15%. Однако вне вязкого подслоя степень отклонения и расслоения экспериментальных данных от универсального профиля скоростей в трубе весьма значительна и увеличивается с ростом числа Рейнольдса. Генерация турбулентности стенками канала играет незначительную роль в формировании общей структуры потока внутри пристенной кубической ячейки, поскольку основная часть турбулентной энергии, по-видимому, генерируется в слоях смешения в совокупности с отрывными зонами на теневой стороне шаров.

Экспериментальное исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в октаэдрической шаровой ячейке. Течение в пористых средах и засыпках - сложный процесс. Гидродинамические характеристики таких потоков как локальные, так и интегральные существенно зависят от геометрической структуры пористой среды. На рис. 7 а. С> показана качественная картина фильтрационного потока в октаэдрической упаковке шаров при Re = 15*10* в ссчении 1-1 (а) и сечении 2-2 (б). В отличие от кубической упаковки шаров процессы фильтрации протекают при существенном

подавлении отрывных явлений, связанных, в основном, с уменьшением объема проточной части октаэдрической ячейки.

Вдоль по потоку внутри октаэдрической ячейки высотой 0.706 D имеются две области с максимальным проходным сечением для потока при h/D = 0.2 и 0.5 (рис. 4 я). Схематично процесс фильтрации внутри проточной части можно представить следующим образом: струя, натекающая на шар из сечения 1-1 формируется из четырех струек в сечении 0-0, а затем снова разбивается на четыре струйки в сечении 2-2. Площадь потока в сечениях 0-0, 1-1 а 2-2 в ячейке минимальна, причем каждая из указанных плоскостей содержит по четыре точки контакта шаров. Для реализации максимально плотной октаэдрической упаковки с постоянной пористостью у стенок вставлялись половинки шаров, а в углах канала - четвертинки. Диапазон чисел Рейнольдса при визуальных исследованиях и измерениях составлял 10"' - 2xl0\ Геометрия потока в плоскости 1-1 ячейки (h/D=0.353) полностью идентична сечению /-/ в кубической укладке шаров. На рис. 8 а, б представлено распределение трех компонент вектора скорости фильтрационного потока в этой плоскости (а) и профили их среднеквадратичных пульсации (б). В отличие от кубической упаковки шаров в профиле продольной скорости потока наблюдаются два максимума, расположенных симметрично относительно продольной оси симметрии ячейки. В центре ячейки скорость потока составляет (0.4-0.5) U,„. При увеличении числа Рейнольдса от 10' до 2x10'" локальные максимумы в профиле скорости смещаются ближе к точкам контакта шаров. Поперечная компонента вектора скорости (V) отлична от нуля только в области точек контакта шаров. Профиль трансверсальной компоненты вектора скорости (W) практически такой же, как в кубической упаковке шаров. Интенсивность пульсаций продольной скорости потока вблизи точек контакта шаров в обеих укладках максимальна. Но в центральной части октаэдрической ячейки уровень RMS пульсаций всех трех компонент скорости жидкости почти в 2 раза выше, чем в кубической, и составляет в среднем ~ (20±2)%.

Из геометрии проточной части вытекает, что характеристики фильтрационного потока в сечениях 0-0 и 2-2 (h/D=0 и 0.706) должны быть одинаковыми. Более того, из условий симметрии параметры каждой из четырех струек как в сечении 0-0, так и в сечении 2-2 также должны быть идентичными. Как следует из измерений, профили продольных скоростей потока и уровни среднеквадратичных пульсаций в сечениях ячейки 0-0 и 2-2 практически одинаковы, с точностью до экспериментальной ошибки. Профили поперечной компоненты вектора скорости в сечениях 1-1 и 0-0 ячейки отличаются существенно. Локальный максимум поперечной средней скорости расположен на оси симметрии сечения струйки и составляет ~ 0.25 Um. При движении к точке контакта шаров поперечная скорость V меняет знак, затем достигает (-0.35) U„, на расстоянии ~ 1.8 мм от нее, и дальше - уменьшается до нуля в точке контакта шаров. Средний уровень пульсаций продольной скорости в сечениях 0-0 и 2-2 составляет (15±3)%. Также равномерно по сечению на уровне

~ 14% распределены и поперечные пульсации скорости потока. Локальные максимумы пульсаций продольной скорости на расстоянии 1.5-2.0 мм отточек контакта шаров достигают (24-28)%. Спектральная функция продольных пульсаций скорости потока для точки на оси симметрии ячейки в сечении 1-1 убывает обратно пропорционально квадрату волнового числа к, как и в кубической упаковке шаров.

Глава 4 посвящена исследованию распределения концентрации пузырей в 20 и ЗЭ аппаратах кипящего слоя, скорости и концентрации частиц в крупномасштабном аппарате ЦКС (ВТИ, г. Москва) при псевдоожиженнн частиц воздухом.

Дисперсные системы со взвешенными частицами широко применяются в современных энергетических аппаратах типа кипящего и циркулирующего кипящего слоя. Общие свойства этих систем: вес частиц скомпенсирован силой трения о газ, высокая концентрация дисперсной фазы со сложным коллективным движением. В КС - отсутствует основное направленное движение частиц, наличие пузырей создает их интенсивное перемешивание и циркуляционные контуры (в шлейфах пузырей - вверх, в остальной частн-вннз). Основные достоинства КС: высокая теплопроводность и высокая теплопередача к охлаждающей поверхности; низкое диффузионное сопротивление при работе с мелким зерном реакционного объема, простота конструкции аппаратов большого масштаба и др. Недостатки КС: унос частиц, эрозия оборудования, истирание катализатора и др.

Переход к ЦКС происходит, когда скорость газа становится больше скорости витания большинства полиднсперсных частиц. Для их улавливания ставится циклон, из которого твёрдые частицы по стояку возвращаются в зону кипящего слоя внизу аппарата. В ЦКС организуется интенсивное движение частиц во внутреннем циркуляционном контуре в рабочей части аппарата (вверх в ядре слоя, вниз в пристенной кольцевой зоне) и многократная циркуляция частиц во внешнем контуре. Основные преимущества ЦКС: позволяет сжигать с высокой экономичностью широкую гамму твёрдого топлива с низкими требованиями к его качеству; обеспечивает жесткие нормы на выбросы ЬЮЧ и БО; без использования дорогостоящих и крупногабаритных установок серо - и азотоочистки; позволяет сжигать не только угли, но и нефтяной кокс, торф, сланцы, различные виды биомассы. Недостатками ЦКС являются повышенный расход энергии на организацию процесса, и сложности его автоматизации.

Образование пузырей или «пустот» связано со струнным вводом газа через перфорационные отверстия в дне аппарата или газораспределительные колпачки. По мере подъема пузырей в КС их размер увеличивается, в основном, за счет коалесценцни. Форма пузыря похожа на пузыри со сферической головной частью в жидкостях. Одна из важных особенностей связана с неоднородностью распределения пузырей в аппаратах кипящего слоя, особенно при переходе от лабораторной модели к натурному аппарату.

С помощью двухволоконного датчика отражательного типа получены данные по распределению концентрации пузырей в 2Э и ЗО аппаратах, которые определяет качество процесса псевдоожижепия и локальную плотность материала. Исследования показали, что по высоте КС можно выделить три характерные зоны: нижняя зона вблизи газораспределителя находится под влиянием конструктивных особенностей ввода газа в аппарат через перфорированную пластину, в ней самые маленькие пузыри; средняя зона расположена до высоты насыпного слоя - это область КС с постоянной плотностью и концентрацией пузырей; верхняя зона - это разреженная область, в которой плотность и концентрация изменяются экспоненциально в процессе выхода пузырей из слоя. Установлено, что концентрация пузырей на оси аппарата по высоте КС увеличивается пропорционально росту избыточной скорости газа, но различной интенсивности в соответствии с влиянием процессов образования пузырей в зоне газораспределителя и в зоне выхода пузырей на верхней границе кипящего слоя.

Распределение концентрации пузырей по оси указанных аппаратов, и сравнение с результатами измерений плотности в КС емкостными датчиками при тех же числах псевдоожижения (Ваккег, Неег^еБ, 1960; Аэров, Тодес, 1968) показало хорошую корреляцию.

Комплексные исследования потоков «газ - твердые частицы» в крупномасштабном аппарате ЦКС. ВТП. Технология сжигания твердого топлива в котлах с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) удовлетворяет самым жестким экологическим требованиям и в настоящее время является наиболее предпочтительной для тепловых электрических станций. В котле ЦКС в потоке воздуха циркулирует инертная масса, нагретая до температуры 850-870 градусов. Масса содержит смесь дробленого угля с обычным песком или золой, в смесь также добавляется известняк для связывания серы. Эта инертная масса многократно циркулирует в котле, поэтому достигаются очень высокая степень выгорания угля и хорошие экологические характеристики.

Течение двухфазной среды у стенок стояка в ЦКС имеет сложный характер: одна часть частиц движется вниз в виде относительно устойчивых «сгустков» - кластеров, другая часть - периодически срывается потоком вверх, как в ядре. Подобная картина пристенного течения является характерной особенностью ЦКС, которая отражает внутреннюю циркуляцию частиц в рабочей части котла и во многом определяет всю специфику процессов переноса в системе. Возвратные токи около стен образуются из-за неравномерности поля скоростей, соударения частиц, обмена энергией и образования агломератов (кластеров) частиц. Сложные процессы гидродинамики взаимосвязаны с теплообменом, который осуществляется путем радиации, конвекции и соударения частиц с настенными экранами топки котла. Толщина слоя твердых частиц около стены зависит от эксплуатационных режимов и геометрии слоя ЦКС.

Экспериментальные исследования проводились на крупномасштабной модели котла с циркулирующим кипящим слоем: проходное сечение вертикальной рабочей части составляло 0.4x0.4 м", а высота - 6.6 м. Верхняя часть колонны соединена с циклоном, нижняя часть циклона присоединена к стояку с системой возврата дисперсной фазы в рабочую часть. Воздух на псевдоожижение подводился от турбокомпрессора.

Давление измерялось на 12 уровнях колонны и 8 уровнях циклона и стояка. Массовая скорость циркуляции частиц определялась выходом материала для взвешивания через регулировочный клапана, установленный в центральной части стояка. Для локальных измерений использовались волоконно-оптический датчик ЛДВА-3 (скорость и концентрации частиц), система отбора проб материала для измерения локальных массовых потоков частиц на основе S-образного нзокинетического зонда, и конвективный теплообменный датчик на основе транзистора КТ-8102.

В первой серии опытов в аппарат ЦКС загружалось 90 кг анионита со средним размером частиц 0.9 мм и истинной плотностью 1240 кт/мЗ. Скорость воздуха в аппарате изменялась в диапазоне от 1.74 м/с до 2.3 м/с. Измерения проведены на высоте 4 м от газораспределителя. Профили скорости движения частиц показаны на рис.9. По оси абсцисс отложено безразмерное расстояние от стенки, а по оси ординат - безразмерная скорость частиц. В качестве масштабов длины и скорости приняты половина расстояния между стенками R (0.2 м). и скорость частиц на оси рабочей части U0. Измерения подтверждают известную картину движения частиц в аппаратах ЦКС: в центральной области размером ~ 80% поперечного сечения частицы движутся вверх, в пристенной зоне размером ~ 20% поперечного сечения частицы движутся вниз. В центральной области ЦКС форма профиля близка к параболической. Максимум отрицательных скоростей частиц находится в середине пристенной зоны ЦКС и составляет 35% от скорости частиц на оси аппарата. Для сравнения на графике показаны относительные профили движения частиц кварцевого стекла (G=25 кг/м:с, dp=0.166 мм) в ЦКС диаметром 0.4 м и высотой 15.6 м, измеренные с помощью ЛДА и волоконных датчиков SFR, показанных на рис. 12 а пунктиром (Werther et al., 1996). Наблюдается качественное и количественное совпадение профилей скоростей частиц в ЦКС, измеренных тремя разными методами.

Во второй серии опытов в аппарат ЦКС загружалось последовательно 15, 45 и 70 кг песка со средним размером частиц 0.23 мм. Скорость воздуха в аппарате изменялась от 3 м/с до 5 м/с. Скорость циркуляции частиц песка регулировалась от 3.4 до 28.8 кг/(м2с). Результаты измерений представлены на рис. 10. По оси ординат отложена объемная концентрация частиц ipr = 1-е, где s -локальная порозность слоя. Объемная концентрация частиц распределена по сечению ЦКС неравномерно. В центральной области ЦКС концентрация частиц минимальна. Она плавно нарастает при приближении к пристенной зоне. Затем концентрация частиц резко увеличивается до максимальной примерно в

середине пристенной зоны. В непосредственной близости от стенки концентрация частиц меньше максимальной в 2-3 раза. Результаты измерений показывают, что увеличение общей скорости циркуляции частиц в аппарате ЦКС от 3.4 до 28.8 кг/(м"с) приводит к увеличению максимальной концентрации от 2% до 7%. На рис. 10 приведен для сравнения профиль концентрации частиц в ЦКС, измеренный волоконно-оптическим датчиком SFR (Werther et al., 1996). Наблюдается качественное совпадение профилей концентрации частиц, количественные различия связаны как с погрешностью измерений, так и с некоторым различием режимных параметров и физических свойств частиц.

Особенности пристенной гидродинамики и теплообмена в ЦКС. Профили массовых потоков частиц на трех высотах от дна колонны были получены с помощью S-образного пробоотборника (Рябов и др., 2001). Результаты измерений показали, что вблизи стен массовый поток частиц направлен вниз при r/R=0.15-0.3, где 2R=400 мм- расстояние между боковыми стенками рабочей части, г- расстояние от стенки. В центральной части массовый поток частиц направлен вверх с максимумом на оси колонны. С увеличением высоты скорость циркуляции дисперсной фазы уменьшается, также уменьшается и толщина пристенной зоны с движущимися вниз частицами. Увеличение скорости газа приводит к увеличению массового потока вверх в центральной зоне ЦКС и увеличению массового потока вниз в пристенной зоне. Увеличение массы дисперсного материала в аппарате ЦКС приводит к такому же качественному изменению профиля скорость циркуляции частиц.

Датчики для исследования теплообмена устанавливались на плексигласовой стенке рабочей- части на высотах 3.57 и 5.14 м от воздухораспределительной решетки. Полученные данные по гидродинамике пристенной зоны были использованы при обобщении результатов исследования теплообмена к стенам установки. Результаты измерений показали, что коэффициент теплообмена в ЦКС зависит как от средней концентрации частиц, так и от их размеров. В ВТИ была разработана методика расчета конвектнвно-кондуктивного теплообмена в ЦКС (Рябов и др., 2001), которая учитывает конвективную теплоотдачу (в зависимости от режима движения), теплообмен при соударении со стенкой и контактное сопротивление, которое существенно только при больших концентрациях частиц в потоке (> 300 кг/м'). При этом в качестве определяющей принята объемная концентрация частиц в непосредственной близости от стен (<ри =1~си). Объемная концентрация частиц (l-i;„) в пограничном (пристенном) слое была получена также из известных литературных данных по теплообмену. Анализ и обработка всех доступных результатов, включая наши измерения, дали следующую эмпирическую зависимость для связи средней по сечению и пристенной концентрации частиц:

, + 0.188 •(/ - 7)-П б1

1-е 47

На основе указанной зависимости в ВТИ была разработана методика расчета кондуктивно-конвективной составляющей теплообмена от объемной концентрации частиц в пристенной зоне, что позволило обобщить данные, полученные на различных установках с использованием отличающихся по диаметру и плотности частиц.

В главе 5 экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе.

Широкое применение тяжело нагруженных частицами газовых струй в современных технологиях (газификация углей, распыление водоугольной суспензии, сжигание токсических отходов и др.) обусловило интенсивные исследования их структуры с помощью современных методов, основанных на принципах лазерной доплеровской анемометрии, Р1V и др. В установках кипящего и циркулирующего кипящего слоя в ряде устройств применяется движущийся под действием силы тяжести плотный слой дисперсного материала: в стояке под циклоном в ЦКС, в циркуляционных трубопроводах между аппаратами кипящего слоя, в бункерах над питателями и течках под ними и др. Зернистая структура материала обеспечивает подвижность (текучесть) смеси в свободном насыпном состоянии под действием гравитационных сил. Из отверстия в дне бункера (емкости) зернистый материал вытекает в виде гравитационной струи, характеристики которой применяются для определения сыпучести материала, физических исследований, калибровочных измерений и др.

В предыдущих экспериментальных (например, Мос1агге55 й а1., 1984; Тви^ « а1., 1988) и теоретических работах (например, Терехов, Пахомов, 2011) по двухфазным струям было исследовано влияние дисперсной фазы на турбулентность непрерывной фазы, эффекты шнурования и турбофореза частиц, которые соответствовали малому соотношению (1-2) массовых расходов фаз. В работе (Протасов, Вараксин, 2006) с применением ЛДА проведены исследования влияния межчастичных столкновений на скорость гравитационного осаждения бидисперсной смеси частиц в покоящемся воздухе в трубе.

В наших опытах струя песка вытекала из внутреннего медного конуса с полным углом при вершине 30°, высотой 80 мм, диаметром отверстия (1 = 4.7 мм. и собиралась в емкость на расстоянии 1.5. м от отверстия. Внешний конус служил резервуаром для песка объемом около двух литров. После опорожнения внешнего конуса песок из емкости периодически возвращался обратно во внешний конус. Объемный расход песка через отверстие в конусе составлял 2.43 (см3/с), а его насыпной вес - 1600 кг/м\ Средний диаметр частиц песка <У;,= 0.15 мм, а плотность р,,= 2620 кг/м

Измерения осевой скорости движения частиц и их счетной концентрации проводились с помощью однокомпонентного ЛДА с электронным блоком следящего типа, разработанным в Институте теплофизики СО РАН. Для выделения доплеровских сигналов от частиц песка применялся метод

амплитудной дискриминации. В диапазоне безразмерных высот h/d от 5 до 182 измерялись следующие параметры гравитационной струи: средняя по времени осевая скорость движения частиц, RMS пульсации скоростей частиц, спектральные характеристики пульсационных скоростей частиц, а также их относительная (счетная) концентрация. По счетной концентрации частиц рассчитывалась массовая концентрация по методике, разработанной в Институте высоких температур РАН.

Зависимость средней скорости движения частиц песка на оси гравитационной струи (U0) от относительной высоты (fli'd) показана на рис. 11а, где для сравнения сплошной линией изображена расчетная зависимость U=(2gh)"\ характерная для скорости истечения идеальной жидкости. Различие между расчетом и измерениями скорости движения частиц песка на оси струи не превышало 5%. На рис. Пи показано относительное изменение массовой концентрации частиц песка на оси гравитационной струи. В качестве масштаба примята массовая расходная концентрация частиц на выходе струи из отверстия, которая определялась весовым способом. Из графика следует, что массовая концентрация частиц на оси струи с увеличением высоты уменьшается экспоненциально.

Безразмерный профиль скорости движения частиц в ближней зоне гравитационной струи мало изменяется по сечению струн на безразмерных высотах h'd от 10 до 30. Можно предположить, что в ближней зоне гравитационной струи до высоты h/d ~ 30 режим движения частиц песка близок к режиму плотного слоя. На периферии струи аэродинамическое торможение частиц больше, чем в центральной зоне. Однако разница скоростей движения частиц по сечению струи не велика и составляет - 15%. В дальней зоне гравитационной струп при безразмерных высотах hd от 50 до 182 аэродинамическое торможение частиц на периферии струи действует сильнее, так как скорости движения частиц существенно выше (при существенно меньшей концентрации), чем в ближней зоне. Поэтому на больших расстояниях от конуса безразмерный профиль средней скорости постепенно трансформируется в колоколообразную форму, характерную для струйных точеный (h/d = 182). Профили относительной концентрации частиц в различных сечениях струи имеют колоколообразную форму, характерную для двухфазных струй. При увеличении расстояния от отверстия в конусе относительная концентрация частиц на оси струи уменьшается экспоненциально. При этом распределение частиц внутри сечения выравнивается, так что разница между относительной концентрацией в центральной зоне струи, и ее периферийной части уменьшается.

При увеличении высоты относительный уровень среднеквадратичных пульсаций скорости частиц уменьшается с - 15% в ближней зоне (h'd <30) до ~ (5-7)% в дальней зоне струи, которую можно отнести к области турбулентного движения. Степень турбулентности в центральной зоне струн при h'd> 50 равна 5%, а на периферии струи она постепенно увеличивается до 7%. На таких

больших высотах на движение частиц, по-видимому, оказывает влияние турбулентность в непрерывной газовой фазе. Проведен спектральный анализ пульсационного движения частиц песка в различных по высоте точках на оси струи. На рис. 12 приведены результаты измерений, где по оси абсцисс отложено волновое число К = 2п[Ш„ (см"'), а по оси ординат - нормированный спектр энергии продольных пульсаций скорости частиц Е. Здесь Е = Си,, /(« . ф=(и2\/ У/5 где Г - частота пульсаций (гц), V, - ширина полосы 1/3 -октавного фильтра, (»:)/- интенсивность пульсаций скорости частиц в полосе 1/3 -октавного фильтра, (//:) - интенсивность пульсаций скорости частиц в широкой полосе. В качестве характерных масштабов длины и скорости на графике выбраны высота Л и средняя скорость частиц на оси струи и№. Из графика следует, что спектральная функция в диапазоне волновых чисел 10 <К <100 убывает в соответствии с зависимостью /С'3, характерной для изотропных турбулентных потоков.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при калибровке волоконно-оптических датчиков, верификации результатов численного моделирования указанных явлений и др.

В Гляве 6 экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку.

Идея уменьшения гидродинамического трения путем оттеснения потока воды от стенки с помощью газа (воздушной прослойки) впервые была высказана Фрудом в 1875 г. Предполагалось, что при помощи вдува воздуха в пристенную часть потока окажется возможным существенно уменьшить трение воды, при этом многократный эффект уменьшения касательных напряжений на стенке будет получен за счет «газовой смазки», то есть весьма малых вязкости и плотности воздуха в тонкой пленке, отделяющей воду от обтекаемой стенки. Теоретические исследования, проведенные в рамках гомогенной модели газожидкостной смеси показали, что в турбулентном пограничном слое с переменными плотностью и вязкостью эффект многократного снижения трепня может быть получен.

Значительные успехи в снижении гидродинамического сопротивления на телах, движущихся в воде, путем распределенного вдува газа в пограничный слой через проницаемое покрытие впервые в мире были получены в 70ч - 80ч годах прошлого столетия в Институте теплофизики СО РАН. Оптимизация метода позволила обеспечить уменьшение касательных напряжений до 80% -90% на плоских пластинах, и до 50% - 60% на телах вращения при числах Рейнольдса по длине тела ~ 3-4x107. Были исследованы основные характеристики турбулентного пограничного слоя с газовыми пузырьками (локальное трение, пульсации трения и давления, профили концентрации газа поперек пограничного слоя) в зависимости от скорости потока и расхода газа. Разработаны эффективные оригинальные способы пузырькового газонасыщення

пристенных потоков жидкости. Позднее в 80v- 90х годах подобные исследования были выполнены в США, Японии и других странах.

Исследования эффективности газонасыщения при больших числах Рейнольдса до 2x10е проводились в первой декаде XXI века в большом кавитационном канале военно-морского флота США сечением 3.05><3.05 м2 и длиной 13 м при скоростях потока до 20-25 м/с. При вдуве газа через пористую стенку на пластине длиной 12.9 м (plaie on lop) с нулевым градиентом давления был впервые реализован режим течения с почти непрерывной газовой пленкой, которому соответствовало снижение локального трения, близкое к 100%, практически на всей длине пластины (Sanders et ai, JFM, 2006). Видеосъемка пристенной зоны показала, что такой результат получен при скорости потока 6 м/с за счет коалесценции газовых пузырьков, которые под действием плавучести двигались к стенке, сливались и создавали почти непрерывную газовую пленку (режим ALDR). При увеличении скорости потока до (12 - 18) м/с при вдуве газа в пограничном слое пластины реалнзовывался пузырьковый режим течения газожидкостной смеси (режим DDR), а эффект снижения локального трения вниз по потоку за газогенератором уменьшался от максимума (80%) до - (5-10)% на расстоянии - 3-4 м за газогенератором. Снижение локального трения наблюдалось, когда пузырьки размером ci =Dhu /г < 100 находились в пристенной зоне в пределах V =)'н-r/v <300, где /Л-Диаметр пузырьков, )-координата по нормали к поверхности пластины, и+-(т„Ур)' '- динамическая скорость. В последующих опытах удалось реализовать режим «газовой» смазки до скорости потока 15 м/с (Elbing et ai, JFM. 2008).

В работах японских исследователей представлены результаты успешного применения пузырькового метода снижения турбулентного трения на пластинах длимой до 50 метров и натурных кораблях. При испытаниях макетов танкеров с длимой пластин 20, 40 м и шириной 0.6 м получено снижение трения - 30 и 15%, а на пластине длиной 50 м и шириной I м при скорости буксировки 7 м/с в специальном бассейне получено ~ 10-15%. В полномасштабном эксперименте, используя учебное судно SEIUN-MARU (длина 105 м), получено снижение потерь на трение 3 %, а чистая экономия энергии составила 2% при скорости движения судна 7 м/с.

Целью экспериментальных исследований, выполненных в достаточно широком диапазоне изменения скорости потока, расхода газа и при различной гравитационной ориентации обтекаемой стенки, являлось изучение влияния распределения концентрации газа в пристенных газо-жидкостных потоках на локальные характеристики и величину снижения гидродинамического трения.

Первые комплексные исследования турбулентного пограничного слоя с газонасыщенисм ма пластине были проведены на стенде НИИ Механики МГУ при скорости потока до 11 м/с (Мигиренко, Евсеев, 1974). Касательные напряжения ма поверхности пластины регистрировались датчиком типа «плавающая» стенка, установленным заподлицо на расстоянии 50 мм за пористым покрытием на пластине. Одновременно в опытах (на том же

расстоянии) были измерены спектральные и интегральные характеристики пульсаций давления на пластине и профиль концентрации газа датчиком электрического импеданса.

Нормированные спектры мощности пульсационного давления для различных режимов газонасыщения пограничного слоя показаны на рис. 13 а. По оси абсцисс отложены безразмерные частоты /<5„*/(/ (<5„*- толщина вытеснения,/- частота пульсаций), а по оси ординат - величина (Р':)и'тп0: 3,,*.

В качестве масштабов длины и скорости используются толщина вытеснения и динамическая скорость. Спектр для режима течения без вдува газа хорошо совпадает с известными измерениями пульсаций давления на пластине. При снижении локального трения до 80% интенсивность пульсаций в области безразмерных частот 5(10":-10"') уменьшается почти на два порядка по сравнению с обычными турбулентными пульсациями давления.

Поскольку генерация турбулентности происходит в буферной зоне ТПС, можно предположить, что наибольшее влияние малые газовые пузырьки должны оказывать на течение жидкости при газонасыщении именно в пристенной зоне. Поэтому за характерную объемную концентрацию газа в пограничном слое можно принять газосодержанне пристенной зоны Зависимость снижения локального трения (С/Сг,) и относительной интенсивности пульсаций давления (Р''/Р0'~) от объемного газосодержания (<рх*) показана на рис. 13 б. Для всех скоростей потока и всех режимов его газонасыщения проявляется единая закономерность как по относительному изменению локального трения, так и по изменению относительной интенснвностн пульсаций давления. На основе анализа корреляции между снижением локального трения, уменьшением интенсивности пульсаций давления в области высоких частот и локальной концентрацией газа вблизи стенки была предложена гипотеза, в которой механизм снижения трения связан с уменьшением плотности газожпдкостной смеси, приводящей к уменьшению интенсивности генерации турбулентности (модификации) при взаимодействии пузырькового облака с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя. Однако при газонасыщениях больше оптимальной величины на графике заметны характерные ответвления, по-видимому, связанные с внутренним механизмом взаимодействия между пузырьками, их слиянием и разрушением.

С целью исследования физического .механизма снижения трения при пузырьковом методе, были проведены комплексные измерения снижения локального трения на нижней стенке и его пульсации, профилей скорости (ЛДА) и концентрации газа в газожндкостном турбулентном потоке в трубе сечением 30x40 мм" (Н*Ь) на расстоянии 50 мм за местом вдува газа через пористую вставку. Средний размер пор составлял 3 мкм. Исследования проводились на гидродинамическом стенде гравитационного действия совместно с ИАиЭ СО АН СССР при скорости потока на осп трубы (/„=8.3 м/с. Число Рейнольдса. определенное по гидравлическому диаметру трубы, составляло 2.85х 105. Для определения газосодержания в эксперименте было использовано ослабление

луча лазера ЛГ-36 (длина волны /= 0.488 мкм, мощность 10 мВт) при прохождении через водопузырьковый турбулентный поток. На рис. 14 а показано распределение концентрации газа по сечению рабочей части при различных режимах газонасыщения турбулентного потока в трубе. По оси абсцисс откложено безразмерное расстояние от нижней стенки трубы У = Уи А\; по оси ординат - объемное газосодержание ¡р^. Из графика следует, что в самой непосредственной близости нижней стенки трубы, в зоне вязкого подслоя концентрация газа равна нулю. Это является весьма важной особенностью газонасыщения турбулентного потока. При удалении от стенки концентрация газа быстро достигает максимума при )'+~200-400. Далее к оси трубы объемное газосодержание почти экспоненциально уменьшается до нуля. Причиной существования зоны чистой жидкости в непосредственной близости нижней стенки и сосредоточения малых газовых пузырьков на некотором расстоянии от нее, по-видимому, является сила Сэфмена, действующая на пузырьки в вязком подслое с максимальным градиентом скорости жидкости. На рис. /4 б показаны профили средней (по времени) скорости жидкости для тех же режимов газонасыщения турбулентного потока в трубе, измеренные с помощью ЛДА (ИАиЭ СО АН СССР), который имел измерительный объем 0.03x0,6x3 мм'. Профиль средней скорости жидкости в однофазном потоке (сплошная линия) соответствует степенному закону 1/7 для турбулентного потока в трубе. Профиль скоростей в двухфазном потоке измерен не полностью, поскольку при объемных концентрациях больше 3% луч лазера ослаблялся настолько, что доплеровский сигнал ЛДА невозможно было выделить из шумов. Из графика видно, что чем больше объемное газосодержание в турбулентном потоке, тем меньше градиент осредненных скоростей жидкости на нижней стенке трубы, и тем выше снижение локального трепня. Осредненные и пульсационные характеристики гидродинамического трения на нижней стенке трубы за местом вдува газа измерялись термоанемометром с торцевым пленочным датчиком, установленным заподлицо со стенкой. Измерения показали, что чем больше объемное газосодержание потока, тем меньше касательное напряжение на нижней стенке трубы. В предположении, что в вязком подслое жидкость ньютоновская (<рк=0), оценки снижения локального трения по профилю скорости совпадают с этими данными с точностью до ошибки измерений. Наибольшие изменения интенсивности пульсаций трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе происходят в области частот от 200 до 4000 Гц, и при оптимальном газосодержанни потока составляет ~ 5 децибел, т. е. интенсивность пульсаций трения существенно уменьшается. Таким образом, при снижении трения градиент осредненных скоростей на обтекаемой стенке уменьшается на такую же величину, а пульсации трения уменьшаются в высокочастотной области характерной для пристенной зоны. Максимум концентрации газа расположен на некотором расстоянии от стенки, но в вязком подслое пузырьков газа пет.

Экспериментальное исследование влияния гравитационной ориентации обтекаемой поверхности на эффективность снижения локального трения с помощью газонасыщения проводилось во входном участке гидродинамического канала с прямоугольным сечением рабочей части (0.1м><0.3м, высота и ширина), длина которого составляла 2.2 м. При вдуве газа через газогенератор с размером пор 20 микрон в потоке создавались пузырьки диаметром - 0.2-5-1.5 мм в зависимости от скорости потока и расхода газа. Исследования проведены при трех скоростях потока U=3.6, (6.3-6.5) и 10.2 м/с в диапазоне чисел Реннольдса Rex = UX/y до 1.5x107, здесь .V -расстояние вниз по потоку от начала рабочей части, U- скорость жидкости во входном сечении канала. Локальное трение на стенке рабочей части было измерено датчиками типа «плавающая стенка». Диаметр «плавающего» диска составлял 23 мм, а зазор - 0.1 мм. Погрешность измерения локального трения составляла ±10%. Локальная концентрация газовой фазы была измерена с помощью одноволоконного датчика отражательного типа (см. глава 2) с погрешностью ±10%.

На рис. 15 показаны результаты измерений снижения локального трения (DR= /-С/С,,,) в зависимости от удельного расхода газа (е/ Oh) на верхней стенке канала. Для сравнения на графике представлены результаты по снижению локального трения на пластине (Юр) при U=ll.l м/с, полученные п большом кавитацнонном канале (США), на расстояниях (0.58-9.31) м за газогенератором. Результаты измерений показали, что при увеличении г/ снижение локального трения на верхней стенке растет до DR=(7fí-8fí)% в наших опытах, причем крутизна кривых заметно изменяется при расстояниях за газогенератором порядка - 0.1-0.5 м и более при U=10.2 м/с. При постоянном удельном расходе газа (с/---const) уменьшение скорости потока приводит к большему снижению трепня, причем влияние расстояния за газогенератором на DR уменьшается. Можно предположить, что в ближней зоне за газогенератором (~ 0.05-0.5 м) вблизи стенки (top) при газонасыщенин ТПС реализуется пленочно-пузырьковын режим.

При скорости потока U= 10.2 м/с на нижней стенке канала наблюдаются примерно те же закономерности по зависимости DR от ц. Но при уменьшении скорости потока наблюдается уменьшение DR вниз по потоку по сравнению с верхней стенкой. Вблизи газогенератора q имеет оптимум, при котором снижение локального трения максимально.

Анализ показал, что наши результаты находятся в хорошем соответствии с известными исследованиями по снижению трения с помощью газонасышсппя. и дополняют их в части закономерности DR ~ fit/) в ближней зоне за газогенератором.

Измерения профилей объемной концентрации газовой фазы tр проведены при трех скоростях потока на расстояниях X* -50. 200 и 4-15 мм (за газогенератором) в турбулентном пограничном слое на нижней и верхней стенках канала. Профили газовой фазы в пограничном слое на верхней (юр. а. б) и нижней (bottom, в. г) стенках канала для двух скоростей потока, трех

расходов газа и трех расстояний за газогенератором показаны на рис. 16 а-г в универсальных координатах стенки. Здесь по оси абсцисс отложено безразмерное расстояние от стенки канала У =Уи Л>, причем и' учитывает снижение локального трения при заданном расходе газа. По оси ординат отложена р - локальная концентрация газа. В левой колонке на рис. 16 а, б показаны профили концентрации газа на верхней стенке канала, а на рис. 16 в, г-на нижней стенке.

Профили концентрации газа в пограничном слое зависят от расхода газа, скорости потока, расстояния за газогенератором, гравитационной ориентации стенки. Влияние продольного градиента давления не исследовано. При скорости потока и=10.2 м/с в близи газогенератора (Х*=50 мм) профили концентрации газа на нижней и верхней стенках канала подобны по форме, но немного отличаются по величине. Они имеют пик (<р„,) на расстоянии Г = 250-300 от обеих стенок при Ол,=2.3 л/с. Вниз по потоку (Х*=445 мм) пиковое значение концентрации газа уменьшается, а его расстояние от стенки увеличивается до }' = /ООО и 1300 для верхней и нижней стенок соответственно. Уменьшение скорости потока до II = 3.6 м/с при постоянном расходе газа (Ок=2.3 .т'с) при Х*=50 мм приводит к росту пикового значения концентрации газа и его приближению до У ~100 и 200 к верхней и нижней стенкам. При этом профили концентрации газа на стенках имеют разную форму. Вниз по потоку пиковое значение концентрации газа на нижней стенке уменьшается, а его расстояние от стенки увеличивается до )' == 1500, а на верхней стенке оно практически не изменяется и остается примерно на одинаковом расстоянии У -100. Основной причиной изменений в распределении газа в двухфазном пограничном слое является эффект плавучести, влияние которого усиливается при уменьшении скорости потока, увеличении расхода газа, и изменении гравитационной ориентации стенки. Пузырьки направляются ближе к верхней стенке, увеличивая концентрацию газа в буферной зоне, и уменьшая ее во внешней области пограничного слоя. Эффект снижения трения при этом увеличивается. На нижней стенке плавучесть пузырьков, наоборот, приводит к уменьшению концентрации газа в буферной зоне, и увеличению ее во внешней области пограничного слоя. Эффект снижения трения при этом быстро теряется.

Анализ экспериментальных и теоретических работ показал, что при газонасыщении пограничного слоя снижение локального трения зависит, главным образом, от концентрации газа в буферной зоне, которая уменьшает плотность смеси, увеличивает ее эффективную вязкость и, как следствие, модифицирует турбулентность при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой в пристенной зоне пограничного слоя, что приводит к изменению пространственно-временной динамики и организации пристенных вихревых структур. Это подтверждается результатами физического и математического моделирования. На рис. 17 показаны результаты измерений, в которых относительное снижение трения является функцией <р*, то есть средней концентрации газа в пристенной зоне пограничного слоя (У <250). Здесь

прямая 1 соответствует изменению плотности смеси в пристенной зоне пограничного слоя, а кривая 2- теоретической зависимости, учитывающей изменение плотности смеси, увеличение ее эффективной вязкости и модификации турбулентности (Legner, 1984). Все известные экспериментальные данные по снижению трения с помощью газонасыщения хорошо обобщаются зависимостью от концентрации газа <р* в пристенной (внутренней) зоне пограничного слоя, которая является ключевым параметром. Это подтверждает гипотезу, что основными сторонами механизма снижения трения при пузырьковом газонасыщеннн (18<с! <200-250) является уменьшение плотности смеси около стенки, увеличение ее эффективной вязкости, а также модификация турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны и реализованы новые подходы к диагностике двухфазных турбулентных потоков при высоких концентрациях дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков.

2. Впервые выполнен цикл экспериментальных исследований по визуализации и измерению средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости жидкости в проточной части регулярных упаковок шаров в турбулентном режиме фильтрации, и проведен анализ основных закономерностей потока. На их основе предложены физические модели процессов турбулентной фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках, ключевыми элементами которых являются геометрия проточной части и точки контакта шаров.

Показано, что отрыв турбулентного пограничного слоя от стенок при струйном обтекании шаров в кубической ячейке затягивается до ~ 130 - 135°. а его присоединение происходит при угле ~ 30 - 35° на следующем по потоку слое шаров; внутри области отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя (в зоне теневых точек контакта шаров) наблюдается вихревая область рециркуляционного типа. Проведено исследование характеристик турбулентного пограничного слоя на шаре, вихревого рециркуляционного движения, и показано, что отрыва вихрей не происходит. Установлено, что структуры потока в центральной и пристенной ячейках кубической формы идентичны, за исключением тонкой зоны пограничного слоя на стенке канала.

Показано, что в отличие от кубической упаковки профиль средних скоростей в минимальном сечении октаэдрической ячейки имеет два максимума, а степень турбулентности жидкости в струнных зонах почти в два раза выше, чем в кубической ячейке при одинаковых числах Рейнольдса.

3. Экспериментально исследовано распределение концентрации пузырей в 2Э и ЗЭ аппаратах, которое определяет качество процесса псевдоожнжения частиц воздухом и локальную плотность материала; установлено, что концентрация

пузырей на оси аппарата по высоте кипящего слоя увеличивается пропорционально росту избыточной скорости газа, но различной интенсивности в соответствии с влиянием процессов образования пузырей в зоне газораспределителя и в зоне выхода пузырей на верхней границе кипящего слоя.

4. Получены данные по профилям скорости и концентрации дисперсной фазы в крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем при псевдоожижении частиц воздухом. Показано, что профиль скоростей частиц в центральной области ЦКС имеет форму близкую к параболической (частицы движутся вверх) с положительным максимумом на оси аппарата. В пристенной зоне ЦКС (~ 20% поперечного сечения) частицы движутся вниз, отрицательный максимум скорости расположен на некотором расстоянии от стенки, а по величине он составляет примерно третью часть от максимальной скорости на оси.

Показано, что концентрация частиц в центральной области ЦКС минимальна; она плавно растет при движении к стенке; в пристенной зоне концентрация резко увеличивается до максимума, а у самой стенки она в 2-3 раза меньше максимума в зависимости от режимных параметров. При увеличении скорости циркуляции концентрация частиц в пристенной зоне растет значительно больше, чем в ядре потока.

5. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе. Установлено, что скорость движения частиц на оси гравитационной струн близка к зависимости 11о=(2ф)":' (идеальная жидкость), а концентрация частиц на оси струи уменьшается экспоненциально. Впервые показано, что спектр пульсаций скорости частиц на оси струи в диапазоне волновых чисел 10>К> 100 изменяется в соответствии с зависимостью /Схарактерной для изотропных турбулентных течений.

6. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Впервые проведены комплексные исследования локальных характеристик турбулентного пограничного слоя с газонасыщением и снижением трения до 80%. Установлено, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является концентрация газа в пристенной (буферной) зоне; при увеличении расхода газа концентрация вблизи стенки достигает максимума (70-80%, У/б^О. I), но в вязком подслое она близка к нулю. Впервые показано, что снижение локального трения связано с уменьшением градиента средней скорости жидкости, уменьшением интенсивности пульсаций трения и давления на стенке. Предложен механизм снижения трения для пузырькового метода, который связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО

В РАБОТАХ:

Основные статьи в журналах ііі перечня вак

1. S.V. Alekseenko, A.R. Evseev et al. Experimental investigations of liquid distribution over the spructured packing, AlChE J., 2008, V. 54, no. 6, P. 1424-1430.

2. Алексеенко С. В., Маркович Д. М., Бобылев А.В., Евсеев А.Р. и др. Экспериментальное исследование распределения жидкости в колонне со структурными насадками, ТОХТ, 2007, Т. 41, № 4, С. 442-448.

3. Zaitsev D.V., Kabov О.A., Evseev A.R. Measurement of locally heated liquid film thickness by double-fiber optical probe, Exp. Fluids, 2003, V. 34, № 6, P. 748-754.

4. Алексеенко С.В., Бобылев А.В., Евсеев А.Р., Маркович Д.М. п др. Измерение толщины пленки жидкости волоконно-оптическим датчиком, ПТЭ, 2003, № 2. С. 130-134.

5. Evseev A.R., Nakoryakov V.E., Romanov N.N. Study of the Filtration Flow near the Wall at High Reynolds Numbers», Russ. J. Eng. Thermophysics. 1999. V. 9. № I-2, P. 107-1 12.

6. Evseev A.R. Measurement of Turbulent Characteristics of a Two-Phase Gravitation Jet. Rus. J. Engineering Thermophysics, 1994, V. 4, № 3, P. З 13-322

7. Yevseev A.R., Nakoryakov V.E., Romanov N.N. Experimental Investigation of a Turbulent Filtration Flow, Int. J. Multiphase Flow, 1991. V. 17, № 1, P.103H 18.

8. Евсеев A.P., Накоряков B.E., Романов H.H. Экспериментальное исследование локальной структуры фильтрационного потока в кубической упаковке шаров при больших числах Рейнольдса, Известия СО АН СССР (сер. техн. паук). 1989. № I.C. 51-56.

9. Евсеев А.Р., Накоряков В.Е., Романов Н.Н., Танишев М.К. Исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в пристенной ячейке кубической упаковки шаров, Известия СО АН СССР (сер. техн. наук). 1989. № 3. С. 79-84

10. Евсеев А.Р., Ревякин С.В., Чупин В.М. Измерение локальной концентрации газовых пузырей в аппаратах кипящего слоя методом оптического детектирования, Известия СО АН СССР (сер. техн. наук), 1988, № 4. С. 31-36.

11. Евсеев А.Р., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г.. Тачков С.А.. Тнмкнн Л.С. Измерение структурных характеристик газожидкостного потока лазерным анемометром с волоконным световодом, Автометрия, 1987, № 2, С. 69-73.

12. Евсеев А.Р., Орлов В.А. Дифференциальный доплеровскни измеритель скорости с волоконными световодами, Автометрия. 1986. № 6. С. 62-68.

13. Евсеев А.Р. Лазерный доплеровский измеритель скорости со световодом. Автометрия, 1982. №3, С. 109-111.

14. Евсеев А.Р., Соболев B.C., Дубнишев Ю.Н.. Уткин Е.Н. Исследование газонасыщенных турбулентных потоков с помощью ЛДИС. ПМТФ. 1975. № I. С. 147-153.

Основные н-.менты н авторские свидетельства:

1. Евсеев А.Р., Ряшенцева Е.С. «Жидкость для оптических исследований». Авторское свидетельство № 1204623, Бюллетень изобретений № 2, 1986.

2. Евсеев А.Р., Кнрюшин А.П., Ревякин С.В., Чупин В.М. «Устройство регистрации структурных параметров дисперсных потоков», Авторское свидетельство № 1337734, Бюллетень изобретений № 34, 1987.

3. Alekseenko S., Belousov P., Belousov A., Dubnishchev Yu., Evseev A., Markovich D., Meledin V., et al. Optical device for viewing of cavernous and/or inaccessible spaces. United States Patent, Patent. No.: US 7,018,330 B2, Date of Patent: Mar.28, 2006

4. Alekseenko S., Belousov P., Belousov A., Dubnishchev Yu., Evseev A., et al. Optical device for viewing of cavernous aml'or inaccessible spaces, United States Patent, Patent No.: US 7 160 248 B2, Pub. Date: January 9, 2007.

Основные статьи в журналах п сборников научных трудов, доклады в материалах международных и всероссийских конференций

1. Evseev A.R. and Maltsev L.I. Bases of the bubble method for turbulent friction reduction, J. of Int. Sci. Publ.: Materials, Methods & Technologies, 2012, V.6, Part 4, P. 25-39.

2. Ryabov G.A., Trukhachev S.N., Folomeev O.M., Evseev A.R. Flow structure in near-wall zone of CFB in relation to local heat transfer. CD - Proceedings of 16lh Int. FCB Conference, USA, May, 2001, paper N 189, 15 pages.

3. Evseev A.R. Liquid film thickness measurement by the fiber optical probe, Proc. Int. Symp. on the Physics of Heat Transfer in Boiling and Condensation, 1997, Moscow, Russia, P. 519-523.

4. Evseev A.R. Investigation of the aerodynamics of particles in a gravitational jet, The second Int. Conf. on Fluid Dynamic Measurement and Its Applications, 1994, Beijing, China, P. 50-54,.

5. Evseev A.R., Nakoryakov V.E., Romanov N.N. Investigation on the structure of filtrate flow in uniformly packed bed at high Reynolds numbers, Proc. of V World Filtration Congress, 1990, 5-8 June, Nice, France.

6. Евсеев A.P., Накоряков B.E. Лазерный доплеровский анемометр для исследования структуры кипящего слоя, В кн: Процессы переноса в высокотемпературных и химически реагирующих потоках, Новосибирск, ИТ СО АН СССР, 1982, С. 91-98.

7. Migirenko G.S., Bogdevich V.G., Evseev A.R., Malyuga A.G. Gas-Saturation Effect on Near-Wall Turbulence Characteristics, Proc. Second Int. Conf. Drag Reduction. 1977, D2-25-D2-37.

8. Богдевич В.Г., Евсеев А.Р. «О влиянии газонасыщении на пристенную турбулентность», в кн: Исследования по управлению пограничным слоем, 1976, с. 49-61 (ИТ СО АН СССР, Новосибирск).

9. Мигиренко Г.С., Евсеев А.Р. Турбулентный пограничный слой с газонасыщением», В кн: Проблемы теплофизики и физической гидродинамики, Новосибирск, Наука, 1974, С. 132-143.

Delayed bubbling. Bubbling Slugging Turbulent Fast Pneumatic

mirrm tluidization . regime regime regime i fluidization conveying or fixed bed i---1

Рис. 1. Основные режимы систем «газ-твердые частицы» в технологических

аппаратах.

Рис. 2. Блок - схема лазерного доплеровского трехволоконного анемометра

(ЛДВА-3).

1 2 3

газ

Рис. 3. Блок-схема одноволоконного ЛДА (ЛДВА-1).

Рис. 4 а, б, с. Распределение объемной пористости и основные направления измерений (а); измерительные сечения в кубической и октаэдрнческой ячейках (б): поперечные сечения в кубической (1-1) и октаэдрнческой (0-0) ячейках (с).

Рис. 5 а, б. Фильтрационный поток при Яе= 500 (а), физическая модель турбулентного фильтрационного потока в кубической ячейке (б).

т1 в/"т у 1 I^ÍÍJT ї і i nJ> v a

1 \ А і у/О

0,5 0.75 1,0 1,25 1,50

Рис. б а, б. Безразмерные профили трех компонент средней скорости турбулентного фильтрационного потока (а), и RMS пульсации (б) в узком сеченин 1-1 в кубической упаковке шаров при Re=1.74x 104.

0,50 0,75 1,0 1,25 1,50

»sr ..-у-

Рис. 7 а, б. Фильтрационный поток в октаэдрической ячейке в сечениях 1-І (а) и

2-2 (б) при Re=l 5000.

Ug=1.74 м/с

Ug=2.1 м/с

Ug=2.3 м/с

—о-- Ug=4 м/с, LDA [45]

— • — Ug=4 м/с, SFR [45]

Рис. 8 а, б. Безразмерные профили трех компонент средней скорости турбулентного фильтрационного потока (а), и RMS пульсации (б) в сечении 1-1 в октаэдрической ячейке при Re=(l-17.4)x 10'.

1.4

1.2

1

0.8

0.6

О

0.4

=3

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

Рис. 9. Профили скорости частиц анионита в ЦКС : (h =4,0 м; Р=90 кг; dp =0,9 мм; 0- Ug=l ,74 м/с, а - Ug =2,1 м/с, Д - Ug =2,3 м/с.

—6—ид=3.1 м/с, С=3.4 кг/м2с

■в—1)д=4.1 м/с, С=17.4 кг/м2с

ид=4.9 м/с, С=28.8 кг/м2с

ид=4 м/с, С=22 кг/м2с [45]

0.08 0.06 0.04

О.

э-

0.02 0

Рис. 10. Профили концентрации частиц песка в ЦКС: (И =4,0 м, с1р =0,2 мм; 0- и» =3,1 м/с, 0=3,4 кг/(м2с); □ -=4,1 м/с, 0=17,4 кг/(м2с); Д - =4,9 м/с,

0=28,8 кг/(м2с).

02

И

О 11о, м /с ----расчет

О 50 100 150 200 Ы<1

М/Мо=^И/с))

200

(а) (б)

Рис. 11 а, б. Зависимость среднеП скорости (и0) (а), и относительной массовой концентрации частиц песка (б) на оси гравитационной струи от безразмерной

высоты (И/с!).

® ■*♦

10° 10' 103 К. ( »Г1

Рис. 12. Нормированные спектры пульсационных скоростей частиц на оси гравитационной струи при (Ь/с1): ♦-20. *-30, ®-50.

№ Ю'

(а)

Рис. 13 а, б. Нормированные спектры пульсаций давления на стснке при газонасыщении ТПС (а): 1- С„ 0, 2- Си=2х10"\ Сг/Сго 0.9, 3- С„=4><10' С(/Сп 0.65, 4- С„ =6.2* I О'4, Сг/Сго 0.4; 5- Сц= IО-3, Сг/Сго 0.17; 6-С„=1.2*10" , Сг/Сго 0.13. (б) Зависимость С|/СГо и (Р,:/Р0'2) от объемной концентрации газа в пристенной зоне (р*: •-и0=4.36 м/с; А- и(,=6.55 м/с; ♦-и0= 10.9 м/с; ■-(Р,:/Р0'-).

0.4 ■ 0.3 Е 0.2 0.1 о

I й II

- -

3 \ \ В\

і х «Ч» і

*п=0.0033. СИСЬ=0.98

-о-о=0.0274, С«СЬ>=0.88

ЧЭ-ае0.0425, С«С(о=0.78

-о-о=0.0675, С»С(о=0.62

□ а«=0.0274. С1/С1<э=0.88

0. Ла=0.0425. С»/С»о«0.78

ж а=0.0675, С1/С»о=0.62

}

• и+=5.751дУ+ +5.5

(а)

(б)

Рис. 14 а, б. Зависимость профилей концентрации газа (а), и скорости жидкости (б) от расходной концентрации а в 50 мм за газогенератором.

100 90 80 70

9

60

5

50 40 30 20

рр^о/ь, тор)

•х*х

ж1 *

X .

Ї5-" хх *

Д д л X +

4э - ■ " - Г* '

§8 X X в

о ■ I- * ♦ «<

X X

1 ♦ -Н і4і* 1

л и=З.Є т/Б, Х=93 тт

□ и=3.є т/5, Х=243 тт и=З.Є т/5. Х=488 тт и=3.є т/5, Х=6Є8 тт

— и=Є.5 т/в, Х=93 тт

□ и=6.5 т/Б, Х-243 тт и=6.5 т/Б. Х=488 тт

ои-6.5 т/з, Х-ЄЄ8 тт

а и-10.2 т/а, Х-93 тт

■ и=10.2 т/Б. Х=243 тт

• и=10.2 т/Б, Х=488 тт

• и=10.2 т/Б. Х=668 тт

■ 11-11.1 М/С. Х=6.05 М

(ЕІЬІпд сі аі. (^М, 2008)

* 11=11.1 м/с. Х-0.58 м иРМ. 2008)

*и=11.1 м/с. Х=2.03 м иРМ. 2008)

► 11=11.1 м/с. Х=9.31 м (^М. 2008)

0 0.02 0.04 0.06 О/Ь

0.08 0.1

Рис. 15. Зависимость снижения локального трения на верхней стенке в турбулентном пограничном слое от удельного расхода газа (я=С>/Ь) для четырех расстояний за газогенератором (Ь-его ширина) и трех скоростей потока.

1000 2000 3000 4000 5000 6000

(a)

Ш

I ♦ Q-O.38 I/«. X-«50 mrr i O- Q-1.54 U», X--50 mrr Q-2.3 l/s. X--5Q mm 0=0.30 l/e. X--200 mi 200 mi 200 mrr '445 mi =445 m, ■445 mrr

!,T I « U«U.JO l/B. л ■

4 о- Q-1.54 Ul, X'l

Tj « Q=2.3 l/e. x*-;

---_ _J д 0-0.38 l/s. X-'

"x»r j -ü-Q"1.54l/e, X'l

. 1 • 1 Q-2.3 U». X*»'

0=0.3b l/s. X"=60 mm Q=1 -Б4 l/s. X*=60 mm . ♦ - Q=2.3 l/s. X-=60 mm a Q=0.38 l/s. X-«=200 mm -a- Q=1.64 l/s. X*«200 mm ■ Q=2.3 l/s. X-=200 mm Л 0=0.38 l/s. X-«446 mm -Л- Q=1.64 l/s. X--446 mm a Q=2.3 l/s. X-=446 mm

d * j

(6)

(Г)

Рис. 16 а-г. Профили концом'грации газа на верхней (а. б) и нижней (в, г) стенках канала для трех расходов гаэа (0.38. 1.54 и 2.3 л/с), грех расстояний X* (50, 200 и 445 мм) при двух скоростях потока: 11=10.2 м/с (а, в) и и=3.6 м/с (б, г).

Cf/Cfo=f(<p*)

—е—Cf/Cfo=1-<£4 --Legner, 1984 + U=10.7 м/с, Х'=182 мм

■ Ebmg'efáMjlU 2008)

.i Guin, 1996

■ Мигиренко, Евсеев, 1974

♦ bottom (Евсеев, Мальцев, 2012)

о top (Евссв, Мальцев, 2012)

А Богдевич, Малюга, 1976 -♦— Kodama, 2000

• Sanders et al. (JFM, 2006)

Рис. 17. Зависимость снижения локального трения от средней концентрации газа ф* во внутренней области турбулентного пограничного слоя (У+<250).

Подписано к печати 16 сентября 2013 г. Формат 60x84/16. Тираж 120. Заказ № 31

Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 1.

-1^706

2013117045

2013117045

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ им. С.С. КУТАТЕЛАДЗЕ

СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТУРБУЛЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

V" кописи

05201351983

Евсеев Алексей Романович

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск- 2013

СОДЕРЖАНИЕ

18

18

21 29

46

97

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ. ДИАГНОСТИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

1.1 Основные режимы течения двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы

1.2 Классификация и основные характеристики двухфазных потоков 21

1.3 Основы математического моделирования турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы

1.4 Экспериментальная диагностика двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы Результаты Главы 1 71 Список использованных источников в Главе 1 72 Рисунки к Главе 1 91 Глава 2. РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ

2.1 Разработка методики измерения локальных характеристик турбулентного фильтрационного потока с помощью метода 97 оптической однородности и ЛДА «ЛАДО-2»

2.2 Разработка методики измерения локальных характеристик в кипящем и циркулирующем кипящем слое с помощью волоконно- 102 оптических датчиков

2.2.1 Волоконные световоды 102

2.2.2 Разработка методики измерения концентрации пузырей в кипящем слое с помощью двухволоконного датчика отражательного 104 типа

2.2.3 Разработка методики измерения скорости и концентрации частиц в кипящем и циркулирующем кипящем слое с помощью лазерного доплеровского трехволоконного анемометра дифференциального типа

2.2.4 Калибровочные измерения скорости и концентрации частиц с помощью волоконно-оптического датчика ЛДВА-3 с 112 ячейкой Брэгга

2.3 Разработка методики измерения скорости и концентрации газовой фазы в газожидкостных потоках с помощью одноволоконного ЛДА

2.3.1 Принцип действия и тестовые измерения скорости всплытия пузырьков с применением двух методов: одноволоконным 114 датчиком ЛДВА-1 и стандартным ЛДА

2.3.2 Тестовые измерения скорости движения межфазных 118

121 122

границ в вертикальной трубе с помощью двух методов: датчиком ЛДВА-1 и методом двух экспозиций

2.3.3 Тестовые измерения концентрации газовой фазы в газожидкостном потоке в вертикальной трубе двумя методами: 120 датчиком ЛДВА-1 и датчиком электропроводности

2.4 Разработка методики измерения толщины пленки жидкости с помощью ЛДВА-1 и модифицированного двухволоконного датчика

2.4.1 Статические, угловые и динамические калибровки двухволоконного модифицированного датчика

2.4.2 Применение двухволоконного модифицированного датчика для измерения толщины пленки жидкости внутри 126 дистилляционной колонны

2.5 Трубка технического зрения (эндоскоп) для визуальных исследований и измерений двухфазных потоков с высокой 129 концентрацией дисперсной фазы

Результаты Главы 2 130

Список использованных источников в Главе 2 132

Рисунки к Главе 2 135

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО РЕЖИМА ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ В 151 РЕГУЛЯРНЫХ УПАКОВКАХ ШАРОВ

3.1 Обзор предыдущих исследований 111

3.2 Экспериментальное исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в кубической упаковке шаров

3.3 Исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в пристенной кубической ячейке

3.4 Экспериментальное исследование турбулентных характеристик фильтрационного потока в октаэдрической шаровой ячейке Результаты Главы 3 177 Список использованных источников в Главе 3 178 Рисунки к Главе 3 181 Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В 2Б И ЗБ АППАРАТАХ КИПЯЩЕГО И ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО СЛОЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

4.1 Введение. Преимущества и недостатки технологий кипящего и циркулирующего кипящего слоя

4.2 Исследование распределения концентрации пузырей в 20 и ЗЭ аппаратах с кипящим слоем

4.3 Измерение характеристик скорости движения дисперсной фазы на оси в 30 аппарате с кипящим слоем

4.4 Комплексные исследования потоков «газ - твердые частицы» в крупномасштабном аппарате ЦКС ВТИ 4.5. Измерение профилей скорости и концентрации частиц в 210

163 169 172

195

195 201 203 205

232

245

крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем 4.6. Особенности пристенной гидродинамики и теплообмена в ЦКС 212 Результаты Главы 4 214

Список использованных источников в Главе 4 215

Рисунки к Главе 4 221

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ГРАВИТАЦИОННОЙ СТРУИ ПЕСКА, ВЫТЕКАЮЩЕЙ ИЗ 229 КОНУСА В НЕПОДВИЖНЫЙ ВОЗДУХ

5.1 Введение 229

5.2 Экспериментальная установка и методика измерений скорости и концентрации частиц песка в гравитационной струе с помощью ЛДА

5.3 Исследование распределений средних, пульсационных и спектральных характеристик движения частиц песка в 234 гравитационной струе, вытекающей из конуса

Результаты Главы 5 238

Список использованных источников в Главе 5 239

Рисунки к Главе 5 241

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ТРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ И ЕГО СВЯЗИ С ПРОФИЛЕМ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА

6.1 Обзор предыдущих исследований 245

6.2 Влияние газонасыщения на снижение локального трения и пульсационного давления в турбулентном пограничном слое на 255 пластине

6.3 Снижение трения при газонасыщении турбулентного потока в трубе. Измерение профилей скорости жидкости и концентрации 259 газовой фазы

6.4 Экспериментальное исследование влияния гравитационной ориентации стенки на снижение турбулентного трения при 263 газонасыщении пограничного слоя во входном участке канала

6.4.1 Снижение турбулентного трения с помощью газонасыщении пограничного слоя на верхней и нижней стенках 263 канала

6.4.2 Профили концентрации газа в турбулентном пограничном слое с газонасыщением на верхней и нижней стенках канала

6.5 О механизмах снижения турбулентного трения при газонасыщении пограничного слоя Результаты Главы 6 273 Список использованных источников в Главе 6 274 Рисунки к Главе 6 280 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 293

268 270

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Течения газа или жидкости, несущие твердые частицы или пузырьки, широко распространены в природе и в современных технологиях. Эффективность тепломассообменных процессов в энергетике (включая атомные реакторы с шаровыми твэлами, котлы с кипящим и циркулирующим кипящим слоем), каталитической химии, нефтехимической, газовой, металлургической и других отраслях промышленности, определяется явлениями, происходящими в двухфазных потоках с высокой концентрацией дисперсной фазы. Интенсификация процессов, прежде всего, в энергетических устройствах и аппаратах является актуальной задачей.

Увеличение концентрации дисперсной фазы в потоке приводит к существенному изменению его характеристик, которые влияют на эффективность и надежность работы оборудования. Для проектирования современных технологических объектов необходимо создание и совершенствование методов расчета двухфазных дисперсных потоков, которые могут учитывать взаимодействие частиц с турбулентностью, коагуляцию и разрушения при столкновениях частиц друг с другом и со стенкой, фазовые переходы и другие физические процессы, с целью оптимизации процессов.

Ввиду сложности явлений теоретические методы расчета разрабатываются с привлечением эмпирической информации к конкретным режимам течения гетерогенной системы, и установлению характерных границ между различными структурными режимами течения смеси. Информация о скорости движения частиц и их концентрации необходима для анализа механизмов тепломассообменных процессов, влияния дисперсной фазы на турбулентность непрерывной фазы и т.д., поэтому исследования локальной гидродинамики в высококонцентрированных дисперсных потоках является актуальной задачей.

Экспериментальное исследование таких течений связано со значительными трудностями, так как необходимо разрабатывать и применять новые методы измерения, поскольку высококонцентрированные дисперсные системы, в основном, оптически не прозрачны, и применение оптических методов (ЛДА, Р1У, РТУ и др.) сильно ограничено или невозможно.

Настоящее исследование посвящено физическому моделированию двухфазных высококонцентрированных дисперсных потоков и измерению локальных характеристик с применением ЛДА, специально разработанных волоконно-оптических датчиков и метода оптической однородности.

Целью работы является экспериментальное исследование влияния объемной (массовой) концентрации дисперсной фазы на локальную гидродинамику: при турбулентном режиме фильтрации жидкости в регулярных упаковках шаров; в 2Б и ЗЭ аппаратах кипящего и циркулирующего кипящего слоя; в гравитационной струе песка, вытекающей из конуса; при газонасыщении турбулентного пограничного слоя.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Для изучения основных закономерностей локальной гидродинамики турбулентного фильтрационного потока внутри пор, включая пограничные слои на стенках шаров и канала, выполнен комплекс исследований процесса турбулентной фильтрации жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса от 1000 до 20000; разработан экспериментальный стенд с рабочей частью, в которой созданы кубическая (самая рыхлая) и октаэдрическая (самая плотная) упаковки шаров; разработана методика измерений средних, пульсационных и спектральных характеристик турбулентного фильтрационного потока с применением метода оптической однородности и ЛДА; разработана новая иммерсионная жидкость на основе йодистого и роданистого аммония.

2. Разработаны одно - двух - трехволоконные датчики, методики калибровки и измерения концентрации пузырей в аппаратах кипящего слоя (КС), скорости и концентрации частиц в циркулирующем кипящем слое (ИКС), концентрации газа в газожидкостных потоках; выполнены исследования и получены данные по распределению концентрации пузырей в 2Т> и ЗО аппаратах кипящего слоя, скорости и концентрации частиц в крупномасштабном аппарате ЦКС в широком диапазоне режимных параметров.

3. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе; разработан экспериментальный стенд и методика измерения скорости и массовой концентрации частиц в гравитационной струе песка с применением ЛДА и метода амплитудной дискриминации; получены данные по распределению концентрации частиц, средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости движения частиц песка.

4. Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Разработаны плоская модель с пористой стенкой, экспериментальный стенд с горизонтальной рабочей частью и пористой вставкой для газонасыщения турбулентного потока; разработаны методики измерения локальных характеристик турбулентного пограничного слоя (ТПС) с газонасыщеним: локального трения, пульсаций трения и давления на стенке, профиля концентрации газа в ТПС, профиля скорости жидкости в непосредственной близости от стенки трубы. Выполнены комплексные исследования эффекта снижения турбулентного трения с помощью газонасыщения на пластине, на нижней стенке горизонтальной трубы, на нижней и верхней стенках во входном участке канала.

Научная новизна исследований

• Разработаны и реализованы новые подходы к диагностике двухфазных турбулентных потоков при высоких концентрациях дисперсной фазы с применением метода оптической однородности, ЛДА и волоконно-оптических датчиков, разработана новая иммерсионная жидкость.

• Впервые выполнен цикл экспериментальных исследований по визуализации и измерению средних, пульсационных и спектральных характеристик скорости жидкости в проточной части регулярных упаковок шаров в турбулентном режиме фильтрации, и проведен анализ основных закономерностей потока. На их основе предложены физические модели процессов турбулентной фильтрации в кубической и октаэдрической упаковках, ключевыми элементами которых являются геометрия проточной части и точки контакта шаров.

Показано, что отрыв турбулентного пограничного слоя от стенок при струйном обтекании шаров в кубической ячейке затягивается до ~ 130- 135°, а его присоединение происходит при угле ~ 30 - 35° на следующем по потоку слое шаров; внутри области отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя (в зоне теневых точек контакта шаров) наблюдается вихревая область рециркуляционного типа. Проведено исследование характеристик турбулентного пограничного слоя на шаре, вихревого рециркуляционного движения, и показано, что отрыва вихрей не происходит. Установлено, что структуры потока в центральной и пристенной ячейках кубической формы идентичны, за исключением зоны (~1 мм) пограничного слоя на стенке канала.

Показано, что в отличие от кубической упаковки (фр=0.524) профиль средней скорости в минимальном сечении октаэдрической ячейки (фр=0.74) имеет два максимума, а степень турбулентности жидкости в струйных зонах почти в два раза выше, чем в кубической ячейке при одинаковых числах Рейнольдса.

• Получены данные по профилям скорости и концентрации дисперсной фазы в крупномасштабном аппарате с циркулирующим кипящим слоем при псевдоожижении частиц воздухом. Показано, что профиль скоростей частиц в центральной области ЦКС имеет форму близкую к параболической (частицы движутся вверх) с положительным максимумом на оси аппарата. В пристенной зоне ЦКС (~ 20% поперечного сечения) частицы движутся вниз, отрицательный максимум скорости расположен на некотором расстоянии от стенки, а по величине он составляет примерно третью часть от максимальной скорости.

Показано, что концентрация частиц в центральной области ЦКС минимальна; она плавно растет при движении к стенке; в пристенной зоне концентрация резко увеличивается до максимума, а у самой стенки она в 2-3 раза меньше максимума в зависимости от режимных параметров. Установлено, что при увеличении скорости циркуляции концентрация частиц в пристенной зоне растет значительно больше, чем в ядре потока.

• Экспериментально изучены и проанализированы закономерности движения частиц песка в гравитационной струе, вытекающей из конуса в неподвижном воздухе. Установлено, что скорость движения частиц на оси гравитационной струи близка к зависимости ио=(2§Ь)05 (идеальная жидкость), а концентрация частиц на оси струи уменьшается экспоненциально. Впервые показано, что спектр пульсаций скорости частиц на оси струи в диапазоне волновых чисел 10>К>100 изменяется в

К-5/3 V

, характерной для изотропных

турбулентных течений.

© Экспериментально изучены и проанализированы закономерности снижения турбулентного трения с помощью пузырькового метода при вдуве газа через проницаемую стенку. Впервые проведены комплексные исследования локальных характеристик турбулентного пограничного слоя с газонасыщением и снижением трения до 80%. Установлено, что ключевым параметром для снижения трения с помощью пузырькового метода является

концентрация газа в пристенной (буферной) зоне; при увеличении расхода газа концентрация вблизи стенки достигает максимума (70-80%, У/5—0.1), но в вязком подслое она близка к нулю. Впервые показано, что снижение локального трения связано с уменьшением градиента средней скорости жидкости, уменьшением интенсивности пульсаций трения и давления на стенке. Предложен механизм снижения трения для пузырькового метода, который связан с уменьшением плотности смеси около стенки, увеличением ее эффективной вязкости, а также модификацией турбулентности при взаимодействии пузырей с вихревой пеленой во внутренней области пограничного слоя.

Достоверность

Достоверность результатов исследований основывается на применении в экспериментах универсального отработанного метода ЛДА, анализе погрешности измерений; данными тестовых экспериментов по эталонным объектам с известными параметрами; повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами; сравнением с известными экспериментальными и теоретическими результатами; и подтверждается цитируемостью в публикациях в ведущих научных журналах, обзорах и монографиях.

Практическая значимость работы

Результаты исследований закономерностей турбулентных двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы могут быть ис�