Гидродинамика, теплообмен и электрогидравлические явления при движении двухфазных сред в трубах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ
|
Кусаиынов, Каппас
АВТОР
|
||||
|
доктора технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Алматы
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.14
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
УДК 537,528+532(075.8)+723.7 На правах рукописи
КУСАИЫНОВ КАППАС
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛООБМЕН И ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ДВУХФАЗНЫХ СРЕД В ТРУБАХ
Специальность 01.04.14 -Теплофизика и молекулярная физика.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН АЛМАТЫ 1998
Работа выполнена в Карагандинском государственном университете им. Е.А.Букетова.
Научный консультант - д.ф.-м.н., профессор Жанабаев З.Ж.
Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Доскемпиров Б.М.
д.т.н, профессор Жаппасбаев У.К. д.т.н., профессор Мукажанов В.Н.
Ведущая организация - Институт теплофизики СО РАН, г.Новосибирск
Защита состоится Г1998г. в/^У^часов на заседании диссертационного совета Д 53.0601 по присуждению ученой степени доктора наук при КазНИИ Энергетики им. Ш.Ч.Чокина по адресу: 480012, Республика Казахстан, г. Алматы, ул.Байтурсынова, 85.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНИИ Энергетики им. Ш.Ч.Чокина.
Автореферат разослан "_"_1998г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.
Кадыракунов К.Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Важнейшими проблемами современного научно-технического прогресс являются рациональное и эффективное использование топливно-энергетическк-ресурсов, создание и совершенствование новых технологий теплообменных устройств.
В технологических устройствах химической, нефтяной и газовой промышленности в качестве теплоносите я используется техническая вода, которая в реальности содержит различные твердые примеси, а также насыщена пузырьками газа и воздуха. Использование таких двухфазных сред в технических устройствах основано на их необычных свойствах, связанных с эффектами различных межфазных взаимодействий, позволяющих регулировать и интенсифицировать процессы переноса. В связи с этим исследование теплообмена и гидродинамики двухфазных газожидкостных теплоносителей представляет чрезвычайно актуальную для инженерной практики проблему.
Наиболее принципиальной трудностью исследования двухфазных течений является то, что движение газожидкостной среды на практике всегда турбулентное. Входящие в уравнения коэффициенты, характеризующие интенсивность переноса (вязкость, диффузия, теплообмен), в турбулентном состоянии не являются физическими постоянными, а представляют .собой сложные функции от параметров потока. Поэтому теоретические расчеты, предполагающие детальное изучение движения какой-либо отдельной фазы, трудно довести до сравнения с экспериментом. Необходим подход, основанный на целостном рассмотрении всего явления.
о
Наличие твердых примесей в реальных двухфазных теплоносителях в процессе длительной эксплуатации резко ухудшает рабочие характеристики теплообменников, внутренние поверхности которых с течением времени
покрываются твердыми отложениями типа накипь, ржавчина, песок и др.
Современные технические разработки позволяют решать одновременно две проблемы: очистку теплообменных поверхностей от твердых отложений и интенсификацию теплоотдачи с помощью элсктрогидравлического воздействия, как наиболее эффективного и экологически чистого метода. Из всего сложного комплекса явлений, сопровождающих электрический разряд в воде, в технологии используется трансформация электрической энергии в энергию ударных волн. Отличительной чертой этого процесса является то, что преобразование энергий совершается без промежуточных звеньев.
Среди широкого круга проблем можно выделить исследование специфики электрогидравлического эффекта в газожидкостной среде, которому в последнее время уделяется большое внимание. Это связано с тем, что мощный электровзрыв сопровождается фазовыми превращениями в среде. К тому же нужно учесть, что на практике промышленная вода всегда содержит пузырьки воздуха. Опыт показывает, что даже незначительное содержание пузырьков, практически не меняющее плотность среды, приводит к сильному изменению ее сжимаемости, следовательно, всей динамики электровзрыва, представляющего практический интерес.
Преимуществом электрогидравлического эффекта является то, что он позволяет интенсифицировать теплообмен посредством удаления твердых отложений от поверхностей периодически в нужное время. Однако к настоящему времени еще не внедрены в практику эффективные технологии, позволяющие комплексно решать указанные проблемы, не установлены основные физические закономерности, учитывающие влияние многофазности рабочих сред. Поэтому интенсификация теплообмена газожвдкостных сред и очистка теплообменных повсрхностеи от твердых отложений являются актуальной проблемой современной техники и предполагают исследование физических основ сопутствующих явлений и разработку технологических установок и методов их эксплуатации.
Целыо работы является научно обоснованное решение важной технической проблемы интенсификации работы теплообменников на основе исследования гидродинамики, теплооб.чена и элекгрогидравлических явлении при движении газожидкостной среды в трубах, внедрение которой вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и предполагает следующие задачи исследования:
- экспериментальное изучение гидродинамики и теплообмена газожидкостных течений по цилиндрическим трубам;
- теоретическое описание гидродинамики двухфазных (газожидкостных) течений в трубах с применением физических моделей структурности среды;
- создание установки для получения электрогидравлического эффекта и использования его для очистки труб от твердых отложений;
- разработку' теоретических моделей для описания эволюции нелинейных физических явлений, сопровождающих высоковольтный электрический разряд в пузырьковых жидкостях, и динамики среды;
- экспериментальные исследования влияния электрогидравлического эффекта на повышение эффективности теплообменников; . .
- создание комплексной элекгрогидравлической аппаратуры для очистки рабочих поверхностей промышленных теплообменников от твердых, отложешш и интенсификации процесса теплообмена, внедрение результатов исследований, технических разработок в производство.
Научная новизна
1. Экспериментально установлены закономерности гидродинамики и теплообмена газожидкостных сред в цилиндрических трубах, в том числе определено, что незначительное газосодержание (ф~0,2) увеличивает коэффициент гидравлического сопротивления в несколько раз, а интенсивность теплообмена -до 20%.
•2. Построены физические модели усредненного и легального пространственного масштабов фрактальных структур, описывающие экспериментальные
■чономсрности пузырькового и снарядного режимов течения газожидкостного ¡гока.
3.Теоретически определены закономерности динамических характеристик двухфазного пспока в зависимости от степени газосодержания через показатель ;кейлинга фрактальных моделей: зависимость напряжения трения, обусловленного твердой поверхностью трубы, и коэффициента гидравлического сопротивления двухфазной среды от скорости несущей фазы; обобщающие экспериментальные данные настоящей работы и результаты других исследователей, полученные в широком интервале изменения числа Рейнольдса ~103 -НО6.
4. Получены выражения, определяющие зависимость степени свободы фрактальных структур и показателя политропы от степени газосодержания двухфазной среды и позволяющие рассчитать динамические характеристики электровзрыва в трубах.
5. Создана экспериментальная установка для очистки поверхностей промышленных теплообменников от твердых отложений и интенсификации процесса теплообмена на основе электрогидравлического эффекта с разработкой новых эффективных модулей разрядного устройства.
6. Теоретически описан экспериментально определенный нелинейный закон мощности выделяемой энергии при электрическом разряде в жидкости, учитывающий изменение свойств рабочей среды.
7. Экспериментально доказано, что электрические воздействия повышают интенсивность конвективного теплообмена поверхностей до 30% вследствие турбулизации среды. Установлены области оптимальных значений параметров электрогидравлической установки, частоты подаваемых импульсов, обеспечивающие максимальную интенсификацию теплообмена.
8. Экспериментально установлено существование оптимальных значений степени газосодержания, энергии электрического разряда (в зависимости от прочности материала труб), количества подаваемых импульсов, обеспечивающих максимальною эффективность очистки теплообменников от отложений и
максимальную интенсификацию теплообмена.
Достоверности результатов работы Достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждена сравнением их с ранее определенными другими исследователями значениями динамических характеристик газожидкостного потока, коэффициентам« теплоотдачи в соответствующей области изменения параметров и проведенными оценками погрешности измерений.
Результаты.теоретических исследований динамики двухфазной среды подтверждены сопоставлением числеь шх реализаций с собственными экспериментами и экспериментальными данными других авторов.
Теоретические закономерности влияния двухфазности на эволюцшо канала разряда, давления на фронте ударной волны, образуемой при электрическом взрыве в воде, проверены сопоставлением их с известными экспериментами других исследователей и собственными опытами на разработанной лабораторной установке.
Технические разработки узлов электрогидравлической установки, подтвержденные рядом патентов и авторских свидетельств, проверены многократными испытаниями в Лаборатории гидродинамики и теплообмена КарГУ им.Е.А.Букетова и на промышленных предприятиях, результаты испытаний подкреплены актами внедрения, заключением ЦЗЛ (приведены в приложении).
Практическая ценность работы состоит в расширении теоретических представлений о движении пузырьковой жидкости, применении идей нелинейно" физики к описанию свойств двухфазной рабочей среды и динамических характеристик высоковольтного электрического разряда в воде для управления процессом теплообмена и очистки поверхностей, использовании результатов работы в инженерных расчетах параметров двухфазных течений по цилиндрическим трубам.
К прикладным результатам работы можно отнести следующие: 1. Разработаны экспериментальная установка и методика измерений для исследования гидродинамики и теплообмена газожидкостных потоков но
цилиндрическим трубам.
2. Создана и внедрена в производство элеетропщравлическая установка для интснсиф!1кации теплообмена и очистки теплообменных поверхностей от твердых отложений в промышленных условиях, позволяющая интенсифицировать технологические процессы тепломассообмена.
3. Разработана конструкция коммутирующего устройства, обеспечивающая плавное регу лирование характеристик разряда и получение необходимой частоты следования импульсов тока, выдерживающая быструю коммутацию необходимой энергии при длительной непрерывной очистке и интенсификации работы теплообменников.
4. Предложен способ управления электрогидравлическим эффектом варьированием степени газосодержания рабочей срсды с целью повышения технико-экономических показателей очистки поверхностей промышленных теплообменников от твердых отложений.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментального исследования влияния двухфазности потока на гидродинамику и теплообмен цилиндрических труб, объяснение их с точки зрения теорий турбулентности и фракталов.
2. Теоретические модели и численные расчеты распределения скорости, трения и гидродинамического сопротивления для различных режимов течения и степени газосодержания потока в трубах.
3. Теоретические модели термодинамического описания турбулентного движения газожидкостного потока при наличии мощного энерговыделения в рабочей среде.
4. Постановка и результаты нелинейной теории:
- мощности, выделяемой при высоковольтном электрическом разряде; "
- динамики расширения канала разряда;
- неоднозначной эволюции давления элекгрогидравлического эффекта с учетом наличия газосодержания.
5. Технические идеи, конструкции их реализации по созданию элекгрогидрав-лнческой установки для получения элекгровзрыва в технической воде и ппожнд-костных средах при движении по цилиндрическим трубам;
6. Комплекс технико-экономических разработок по работе с системой аппаратуры для очистки труб промышленных теплообменников от твердых отложений и интенсификации теплообменных устройств с применением электрогидравлического эффекта.
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены и обсуждены: на VI Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов (г.Ленинград, 1978г.); городском межвузовском семинаре по теплофизике (г.Караганда, 1980г.); региональной конференции молодых ученых и специалистов (г.Караганда, 1988г.); I, III, IV Всесоюзных школах-семинарах "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах" (г.Николаев, 1985,1987,1989гг. - ДСП); научно-практической конференции "Состояние и перспективы создания и использования средств контроля измерении и АСУ ТП на предприятиях РК", АО "Казчерметавтоматика" (г.Караганда 1996г.); Международной научной конференции "Математическое моделирование в естественных науках" (г.Алматы, 1997г.); Международной конференции КПТУ "Научно-техш1ческий прогресс - основ;! развития рыночной экономики" (г.Караганда. 1997г.); Симпозиуме "Проблемы прикладной аэродинамики тепломассообмена и горения" (г.Алматы, 1997г.), Международной научной конференции "Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент" (г.Караганда, 1997г.); Казахстанско-Российской нлучно-прлктнчсской конференции "Математическое моделирование научно-технологических и экологических проблем в нефтеперерабатывающей промышленности" (г.Алматы, 1997г.); Международном семинаре по устойчивости течении гомогенных и гетерогенных жидкостей (г.Новосибирск, 1998г.); V семинаре "Акустика неоднородных сред" (г.Новосибирск, 1998г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 печатных работ, имеются 3 патента РК, патент США и 5 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации
Текст диссертации объемом 283 страницы включает введение, 5 разделов и заключение. К тексту прилагаются список использованной литературы из 157 наименований, 64 рисунков и 22 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во нпедешш обоснована актуальность исследуемой темы, сформулированы цель работы, конкретные задачи исследования и положения, выносимые на защиту.
В первом разделе приведены результаты изучения современного состояния гидродинамики и теплообмена газожидкостных сред, наиболее часто встречающихся в технологических установках и промышленном оборудовании. Проанализирована ценность и отмечены нерешенные проблемы в имеющихся научных публикациях по исследуемой теме. Возникающие в них многообразные процессы зависят от наличия разнородных фаз. Различные комбинации фаз и структур усложняют межфазные и вкутрифазные взаимодействия, определяемые вязкостью и межфазным трением, теплопроводностью и теплообменом, фазовыми переходами и химическими реакциями, дроблением и слиянием капель и пузырей, различием в сжимаемости фаз и т.д.
В этом направлении известны работы Кутателадзе С.С., Буевича Ю.А., Нигматуллина Р.И., Накорякова В.Е., Кашинского О.Н., и др., подтверждающие актуальность данной области гидродинамики в связи с важностью практических приложений. Но в то же время, имеющиеся теоретические исследования не доведены до целостного описания особенностей экспериментальных закономерностей, где проявляются эффекты двухфазности и проблемы турбулентности.
Особо важную значимость в понимании физической сущности явления
турбулентности представляют современные исследования, посвтпемь. приложению идей синергетики - теории самоорганизации - к физике турбулентности. Основы таких фундаментальных исследовании заложены в работах Пригожина И., Климонтовина Ю.Л. Представление о турбулентности как о значительно внутренне упорядоченном движении позволило создать физические модели турбулентности, основаниые на выделении ее структурных элементов, имеющих универсальные нелинейные свойства.
Рассмотрены методы интенсификации теплообмена посредством очистки теплообменных поверхностей от отложеч--й, используюшир гидравлические, вибрационные, акустические и импульсные электрогидравличеемю воздействия, которые могут быть одновременно использованы и д.с. интенсификации процессов переноса. Анализ работ по электрическому взрыт в жидкости, являющегося технологическим инструментом преобразования электрической энергии в механическую энергию гидродинамических возмущений, приведен в подразделе 1.4.
Основополагающие теоретические и экспериментальные результаты использования электрогидравлического эффекта получены в работах Юткина Л. А., Наугольных К. А., Рой И. А., Кривицкого Е.В., Шамко В.В., Гул о го ГА. п др. Известны современные исследования влияния гетерогенности среды на распространение ударной волны в пузырьковых средах (Донцов В.Е. и др.) и в средах с массообменом, также работы по изучению механизмов эволюции и разрушения структур при импульсных воздействиях в газожидкостных сре : I (ПрибатуринН.А. и др.). На основе их анализа были определены цель и зал.пн' исследования.
Во втором разделе представлены результаты экспериментальна исследования гидродинамики и теплообмена двухфазных потоков в трубач
Экспериментальная установка для исследованнягидравлнческо; ■ сопротивления в цилиндрических трубах, показанная на рисунке !. представляет собой замкнутую систему, в которой жидкость -техническая ь.:
- циркулирует а течение всего эксперимента. В качестве газовой фазы используется воздух. Жидкость из бака (1) центробежным насосом (2) подается через тройник (3) и кран регулировки скорости подачи жидкости (4) в бак постоянного уровня (б), служащего для подавления пульсаций давления, создаваемых центробежным насосом. Далее жидкость из бака через расходную шайбу (7) поступает в смесительный бак (9). Поток жидкости, содержащий большие турбулентные вихри, проходя через хонейкомб (10), стабилизируется и через плавный вход поступает в экспериментальный участок канала (12). Сюда же из компрессора (14), через успокоительную емкость (16), вентиль плавной регулировки (17), по трубке (18) обтекаемой формы, расположенной в смесительном баке, подается вторая фаза - воздух.
При необходимости экспериментальный участок канала заменяется цилиндрическими трубами различных диаметров. В опытах по исследованию конвективного теплообмена гидродинамический экспериментальный участок заменялся на теплообменныи участок, схема которого приведена на рис. 2.
Результаты визуальных наблюдений газожидкостного потока в трубах помощью специальной оптической системы позволили получить картины движения газожидкостной среды при различных скоростях несущего потока и различном расходном газосодержании Р (рис.3), подтверждающие предположение о том, что добавление газовой фазы турбулизирует все течение. На основе упрощенной физической модели проведен приближенный расчет коэффициентов гидравл1гческого сопротивления А. при течении пузырьковой смеси в трубах различного диаметра Б. при разных скоростях (числах Рейнольдса Ие=иО./У), различном объемном газосодержанин ф, определяемом отношением объема газовой фазы к общему объему газожидкостного потока
V +УГ), с учетом влияния силы Архимеда Аг.
Схема экспериментальной установки для исследования гидродинамики газожидкостных потоков
Рисунок 1.
Схема рабочей части установки для изучения теплообмена
1-смесительная труба, 2 - газовый генератор, 3 - сменные диффузоры, 4-тонкостснная обогреваемая труба, 5 - трансформатор, 6 - гальванометр.
Экспериментальные снимки двухфазного потока по вертикальной цилиндрической трубе
и = 1.0м/с, /3=1%
кД.
о
„4___-А...«..о... -»Л
к=1.0м/с, р=5%
и -1.0м/с, (1=25 %
и 1.0м/с, р=20%
...
и =2.9м/с, р=3()%
и-скорость потока, р- расходное газосодержание потока.
Получена зависимость
ф Аг Б.3
Х=\ + к- -, (1)
1-ф Ие2^3
где к - некоторый постоянный множитель, определяемый из эксперимента; - коэффициент сопротивления для чистой жидкости; с^ - средний диаметр пузырьков. На рисунке 4 показаны типичные зависимости коэффициентов сопротивления от числа Рейнольдса и степени (3 для вертикального восходящего потока по трубам, подтвержденные также результатами других авторов. Видно, что газовая «фаза турбулизирует поток, что приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления.
V
I
к-
г
1-7 -данные для труб с диаметром 14,0мм при (3=: 1 - 0,2,5 - 0.1,3, 6 - 0.2, 4,7 - 0.3; 8-12 - данные В.И.Накорякогщ и др. для труб диаметром 15мм; 13-16 - данные А.Лрманла; 13,14 - р - 0.09-г0.40; 15-16 - р £ 0.40.
Зависимость гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса
»40
! 0 «
' | "о , * ,
)
о; о
I
»-г •-1 Т-А
9 - 5 • - о - 1 3 4 - 11
0 - Б * - 19 ♦ - И
1 - 7 л- Н V - 15
а - 12 Л - К
о
О —о
. а • . \Я\\\ .
1
Это увеличение существенно при малых числах Рейнольдса, вследствие роста концентрации газовых пузырьков в пограничном слое происходит перестройка профилей скорости. С увеличением скорости несущей фазы влияние газовой фазы на гидравлическое сопротивление потока уменьшается. Результаты опытов, показывающие, что при восходящем течении пузырькового потока гидравлическое сопротивление трубы больше, чем при движении однородной жидкости с тем же объемным. расходом, обобщены полуэмпирической формулой. При высоких скоростях потока абсолютное значение скорости всплытия пузырьков мало по сравнению со скоростью несущей фазы и влияние относительного движения пузырьков незначительно. Причем при больших скоростях потока пузырьки дробятся, газожидкостная среда ведет себя как однофазная жидкость. Обработка опытных данных в координатах полуэмпирического обобщения, рис. 5, показывает их удовлетворительное согласие с формулой (1) при значении коэффициента к == 0,6.
В этом же разделе приводятся результаты исследования влияния степени двухфазности потока на теплообмен с помощью собранной установки с рабочей частью, показанной на рис. 2, по отработанной методике измерений характеристик теплообмена. Опыты по исследованию теплообмена при движении двухфазной среды в цилиндрической трубе проводились при граничных условиях второго рода, когда поток тепла через стенки трубы был постоянным ^=соп$0. Нагрев стенок трубы осуществлялся током, пропускаемым непосредственно по стенке трубы! Анализ погрешностей измерений показывает, что средняя ошибка в определении коэффицицента теплоотдачи составляет ±4%.
Установлено, что увеличение газосодержання приводит к интенсификации теплообмена, причем это влияние сильнее при малых числах Рейнольдса. Изменение коэффициента теплообмена связано также с перестройкой потока в начальном участке гидродинамической стабилизации вследствие двухфазности потока (рис.6).
Сводный график обработки опытных данных для коэффициента сопротивления при восходящем режиме течения газожидкостного потока
в» Г-
[V
Д-Л. Ч/О-Т)
♦ * ♦
А — В»-* Кб
О______пи
----- К МЦ
♦ - В - Т «« '
• — Я »26 ми
Я с атлрлг ДД(11Н1>*
* —I ~ 2 Б ми
И»лзс»? лет
ДйыммГ «•гвм
г. I. и др
Ланям« ;
Я.Я.Црп» ндд
И ДР.
к.1
И*1 1С"' Ю* •»
Рисунок 5.
' Зависимость коэффициента теплоотдачи от приведенной скорости газовой фазы
»т н«К 1 1 ■ |
! ! !
1 1
1 1 ^га
о - 5 • - 5 Д- 7 -
>»- г 1 о- 9 1 • - 13 |
и' к/се«
2 4 I«"' 2 4 ИГ* 2 А " ИГ* 1 к 10'
экспериментальные данные: 1 - Р.Ф.Кнотта, 2 - И.В.Домлнского, 3 - РуксГжштейна, 4 - М.Х.Ибрагимова, 5-10 - автора, линия - данные И.Г.Кима.
Эксперименты показали, что необходимо одновременно учитывать влияние
относительной скорости газовой и жидкой фаз смеси, различие их теплофизических
характеристик, размеры и форму газовых пузырьков и другие факторы. Учегт всех
перечисленных факторов был предпринят посредством эмпирической формулы для
расчета коэффициентов теплообмена Ни двухфазных сред (типа жидкость - газ,
жидкость - твердые частицы) при движении по цилиндрической трубе на основе
изу чения данных ряда исследователей
№ Ат (О. /су4
-- [ 1+125 (-)" -]«', (2)
Киг Яе2 (1-Р)1 •
где Ыи г - коэффициент теплоотдачи для однофазной жидкости.
Результаты обработки опытных данных автора представлены на рис.7. Существенное увеличение Ыи с ростом значения Р происходит в области резкого увеличения коэффициента X, следовательно, физический механизм влияния газовой фазы на теплообмен аналогичен ее влиянию на величину X.
Экспериментальные данные по теплообмену с газожндмэстным потоком
а
з
2 (О
А/и ,
1
1 <
— >-0
о-- - " - 5 7.
«1 — - — 10
— - - (. — 15
1* — — ■ — за
о — ---- 29
* — — 30
Вследствие того, что полуэмлирические зависимости справедливы только в некоторых ограниченных условиях и не могут описать все нелинейные свойства турбулентных течений газожндкостных потоков, была предпринята попытка теоретического решения проблемы с использованием современного метода фрактального анализа, успешно применяемого для описания турбулентных явлений Раздел 3 посвящен теоретическому исследованию фрактальной динамики газожидкостных потоков в цилиндрических трубах. Анализ фотографий газожидкостного потока (рис.3) показывает, что в картинах течения имеется некоторое самоподобие. Кажущееся хаотичное объединение пузырьков происходит по вполне определенным каскадным моделям. Газовые пузырьки, двигаясь беспорядочно, объединяются в структуры, которые сохраняются вдоль течения или повторяются в различных его точках. Крайне запутанная, на первый взгляд, картина течения двухфазной жидкости имеет два универсальных свойства - структурность и самоподобие, присущие объектам, называемым фракталами.
Схемы определения пространственных масштабов фрактальных структур а Ь
а
К/'/' ' / .
о,;
а) усредненного масштаба <гп(7)>; Ь) локального масштаба гт(у).
Рисунок 8.
Разработаны фрактальные модели двухфазного потока, соответствующее пузырьковому (рис.8,а) и снарядному (рис.8,Ь) режимам течения. Определены выражения, связывающие фрактальные характеристики с концентрацией газовой фазы двухфазной среды, в том числе фрактальная размерное, ь Э в зависимости сг
гачосодсржания, усредненный фрактальный пространственный масштаб <гт(у)>, характеризующий поверхность жидкой фазы и включающий в себя показатель скейлинга у - показатель пространственно-инвариантной деформации:
<гт(У)> = г0(1 - (РУ"У= (аЖе0)(1-ф)"у, (3)
где Ке0= г0и/У - число Рейнольдса, связанное с начальными размерами газовых пузырьков г0
Показатель скейлинга у выбирается в соответствии с моделью каскадных процессов, описывающих рассматриваемое явление, рис. 9. Для случая снарядного режима течения, при котором жидкие структуры как бы разделены газовой фазой, получено выражение для локального фрактального масштаба гт(у), связанного с разрезанной поверхностью жидкой фазы,
гв(Г) = {(3+У)Ьа^Т( 1-ф)/4Яе0Т} (4)
где Ь" - продольный масштаб течения.
Зависимость пространственного масштаба фрактальной структуры от газосодержания в патоке
<г(у)>/г0 а г(у)/а Ь
а) усредненного; Ь) локального при у = У-Ц 1Ц,: 1 - 0.1; 2 - 1; 3 - 10.
Рисунок 9.
Результаты расчетов локального масштаба г Л) для различных степеней газосодсржання потока (рис.9.Ь) показывают, что наименьшие масштабы
фрактальных структур реализуются при изотропной деформации, еоответствутощей большим скоростям газожидкостного потока.
В подразделе 3.2 определены динамические характеристики газожидкостного потока при течении по цилиндрической трубе с учетом изменения турбулентной вязкости Г)( от числа Рейнольдса. Вид функции гЦг) выбран в соответствии с моделью Климонтовича:
Л,= П(Го,а,^АР,Ь-,у,р,гтг). (5)
Зависимость Д(у,г) от всех параметров учтена следующим образом:
(а2-г2) 1*е*(у)
Т}((г—>а) —> Т), Т)((у,г)=Г)(1+--), Ле*(у)=и*г*(у)/У, (6)
а2 Яек
где и*,г* - характерные масштабы скорости и длины, зависящие от остальных явно не учтенных параметров; ГЦ, - критическое число Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного движения в турбулентное.
Для стационарного движения газожвдкостной среды по трубе получено:
АР Иек Яе*(у) (а2-г2)
и(г) =--1п(1+--). (7)
4г|Ь" Яе*(у) Ие^ а2
Распределение скорости движения двухфазной жидкости с учетом влияния газосодержания показано на рис.10. С ростом 11е0 профили скорости становятся более "заполненными", турбулизованными.
Профили скорости, рассчитанные по локальной фрактальной характеристике гга(у), показаны на рис. 11.
Влияние газосодержания приводит к тому, что скорость на оси трубы может быть меньше или больше, чем скорость однофазной жидкости, из-за структу рности потока. Этот факт проявляется в эксперименте в виде асимметрии профиля сшросгн.
Распределение скорости несущей фазы
■*■ - экспериментальные данные: а) Яе =2280, расчет - у = уо, <р: 1-0.1; 2-0.2; 3-0.3, Ь) ч>=0.091, Ке =107400, расчет - Ке =: 1 - 10; 2- 102; 3 - 101; 4 - 104, 5-105.
Рисунок 10.
Профили скорости жидкости с локальной фрактальной структурой
а)ф-0.?,,у= у_1_, Ке0:1 -0.1; 2- 1; 3 -10; Ь) Ле^ОЛ, у = у±,. ф: 1 - 0; 2 - 0.3.
Рисунок 11.
В подразделе 3.3 получено выражение для коэффициента трения двухфазной срс::ы Т (у), обусловленного стенкой трубы: ■
Т,(у) 1+ Яе*(у)/21Ц) 1+ ги(у)^(ДРа/2рЬ*)/2аи0
1+ Ие*/2Пе.)
1+л/(ЛРа/2рЬ")/2и0
(К)
где т, - коэффициент треши для однофазной жидкости.
Неизвестный коэффициент при Яек включен в определение характерных масштабов. Расчеты показывают, что данное выражение соответствует физической сути явления н правильно. описывает экспериментально установленную закономерность напряжения треши двухфа дой жидкости о стенки трубы (рис. 12.а). Для области разв1ггого турбулентного течения (1/»а, гт получено:
ЧУ)
С(и0)
(9 )
Т, Яе0(1-ф)"у С(и0)/Ке0= и*/2ц/(1+ и*/2ц).
С ростом газосодержания фрактальная структура двухфазной жидкости может изменяться от анизотропной (у=уЛ) до изотропной (у=у0).
Зависимость коэффициента трения от газосодержания <Т,(у)>/Х, а \(.УУ\ Ь
0.2 0.4 0.8 0.»
1.» 1.2 1.1 1 0.» О,в
0.1
'ф
а) по усредненному, Ь) по локальному масштабу при Ке0 = 0.1, 1 - Т1; 2 - Т^О.6; 3 • Т0.
Соответственно, показатель степени п = 1/у меняется в интервале 1.2б-ь2.15,
чго хорошо согласуется с данными, полученными в опытах А.Арманда.
*
Установлено, что в переходном режиме т,(у) сильнее Зависит от числа Рейнольдса, чем от других факторов, поэтому должен характеризоваться локальным значением Ф, т.е. в качестве характерного размера необходимо использовать локальный масштаб гт(у), рис. 12,Ь. Уменьшение трения в узком интервале изменения ф было обнаружено также и в эксперимеоте.
В подраздеде 3.4 исследовано изменение коэффициента гидравлического сопротивления трубы А. при движении газожидкосшой среды, для которого получены иыраження:
1 Яек Иек8^2 <Яе>А
— =-К-+1)1п(1+->-1], (10)
у/Х <Пе»/Г Яек8^Г
Л(у<Яе>) = (Я.(<Яе>)(<гт(у)>/а)2+1),
г де второе выражение учитывает фрактальную структуру газожидкостного потока. При ф —> 0 (у—>1) данная формула переходит в уравнение; определяющее коэффициент сопротивления трубы при движении турбулентной однофазной
жидкости.
В интервале ф = 0.1-Ю.З при относительно малых значениях <Яе>^ 104 коэффициент сопротивления трубы может возрастать в несколько раз с ростом ф, чго и наблюдается в экспериментах, при больших числах Рейнольдса этот эффект уменьшается, рис. 13.
Применение элементов фрактального анализа позволило описать-нелинейный характер изменения динамических характеристик газожидкостных потоков в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
0.1
Зависимость коэффициента сопротивления двухфазного газожидкостного потока в трубе от числа Рейнольдса
v-^g л А
105
104
10®
10'
1 - зависимость Пуазейля, 2 - зависимость Блазиуса, расчеты при ср: 3 - 0.1, 4 - 0.2; 5 - 0.3; данные: Накорякова D.E. и др., <р=: Д-0.025; »-0.045, <>-0.07, автора ф=:«-0.1; ж-0.2; О-О.З.
Рисунок 13.
Раздел 4 посвящен экспериментальному исследованию интенсификации теплообмена промышленных труб посредством электрогидравлического эффекта. Для исследования влияния элекгропщравлического эффекта на теплообмен плоской поверхности использовался экспериментальный стенд, представляющий собой замкнутую систему, в которой жидкость циркулирует непрерывно в течение эксперимента. Рабочая часть и успокоительная камера выполнены из органического стекла в виде канала квадратной формы 60x60мм, длиной 760мм. На одной из стенок наклеивалась нагреваемая фольга, в успокоительной камере перед рабочим участком была вмонтирована электродная система аппаратуры.
На рисунке 14 приведены результаты исследования зависимости коэффициента теплоотдачи поверхности от числа Рейнольдса при наличии элекгрогндравлического воздействия. При всех значениях частоты разряда Г наблюдается общая закономерность влияния числа Рейнольдса т локальный коэффвдиент теплоотдачи. Вследствие малой толщины фольги, рассматривается
локальный коэффициент теплоотдачи, который обратно пропорционален местному значению разности температур. С ростом числа Рейнольдса устанавливается равномерная теплоотдача вдоль поверхности, уменьшается влияние частоты электрического разряда, что объясняется турбулизацией пристенного пограничного слоя с ростом Re, вследствие чего ослабевает влияние внешних факторов на теплообмен поверхности.
Анализ описанного механизма влияния электрогидравлического эффекта на интенсивность теплообмена позволяет аппроксимировать зависимость теплоотдачи выражением
Nu=CRen, (11)
где С - постоянная,
п - показатель степени, зависящий от частоты f.
При f = 0 имеем п ~ 0.6, при f ~ 6+7Гц значение n ~ 0,8. Данная зависимость общеизвестна в теплофизике. В ламинарном течении n = 0,5, в турбулентном режиме конвективного теплообмена из экспериментов следует п « 0,8.
Зависимость усредненного числа Nu от частоты следования разрядов Nu/Nu
1Л
1.2 ----------
0 02 0.4 0,6 0.8 ' 1 f/f
вх
Re: 0-8350, »-13720, --21000,0-31000, х-41200. Рисунок 14.
Зависимость усрсяиенного числа Нуссельта от числа Рейнольдса при различных частотах следования импульсов
Nu
1600
1*х> 13м 1000 800 eco
ACO
В современные исследованиях определено, что значения показателя п можно оценить теоретически, если принять во внимание структурную (фрактальную), т.е. вихревую природу турбулентности. Из теории следует, что п, = 0.465 в случае регулярного движения жидкости, п0 = 0.7925 при развитом турбулентном движении, рис.15. Рост теплообмена под влиянием электрогидравлического воздействия достигает 30%.
В подразделе 4.4 обсуждается проведенная в экспериментальных испытаниях на стенде (рис. 16) количественная оценка эффективности очистки теплообменных поверхностей электрогидравлическим методом.
Результаты измерения коэффициента теплоотдачи в зависимости от толщины отложений 5 представлены на рисунке 17. Как видно, появление первоначального небольшого налета отложений толщиной до 0,50 мм уменьшает теплоотдачу до 20%. Дальнейший рост толщины уже имеющейся накипи нарушает технологический режим промышленных теплоустановок, поэтому очистные работы необходимо проводить с высокой степенью чистоты. Оставшийся даже небольшой слой приводит к резкому ухтдшешпо характеристик теплообменных аппаратов.
8340 13723 21000 31000 41200
f = : Ф - 0Гц, * - 1Гц, ж -3Гц, О - 5Гц, х- 6 Гц. Рисунок 15.
Схема стенда для исследования эффективности электрогидравлической очистки теплообменных поверхностей
4 Э
Г - ЭГ устаноика, 2 - кран, 3 - тройник, 4 - резиновый уплотнитель, 5 - кабель электрод, (> ш. шн;; 7 - пластмассовая трубка. 8 - хомут, 9 - очищаемая труба, 10 - твердые отложения, ! I входной штуцер для воды , 12 - отложения с отработанной водой.
Рисунок 16.
Зависимость теплоотдачи трубы сг толщины отложений
Nu/Nu0
d= 18,8 мм, L" = 1 м. б,мм
Эксперименты показывают, что возрастание плотности импульсов на единицу площади приводит к увеличению среднего коэффициента теплоотдачи и восстановлению теплообменных характеристик рабочих поверхностей, рис. 18.
Зависимость теплоотдачи трубы от количества очищающих разрядов Ки/Ыи„
1.2 1 0.8 0,6 0.4 0,2
—-
к/
/
25 50 75 100 125 • 150
Ь* = 1.0 м ; с! = 18.8 мм; 5 =: О - 1 мм ; * - 2 мм; ж - 3 мм
> > * отл * '
Рисунок 18.
Таким образом, на основе анализа проведенных экспериментальчых исследований можно сделать вывод, что элекгрогидравличсское воздействие не только интенсифицирует процессы переноса, но одновременно и очищает теплообменную поверхность от различных твердых отложений.
Подраздел 4.5 посвящен описанию натурных исследований и результатов испытаний опытной электрогидравлической установки для повышения эффективности промышленных теплообменников.
Рассмотрена методика проведения натурных исследовании. о ароделены условия и порядок их проведения, рис.19,20. Результаты натурных исследований показывают, что очистка трубных пучков под воздействием ударной волны, образующихся при высоковольтном разряде в воде, зависит от электрических параметров установки и состав;! рабочей среды.
Схема очистки частично и полностью забитых твердыми отложениями цилиндрических труб
I - ЭГ установка, 2 - кран, 3 - тройник, 4 - резиновый уплотнитель, 5 - кабель электрод, 6 - шланг, 7 - пластмассовая трубка, 8 - хомут, 9 - очищаемая труба, 10 - твердые отложения,
II - входной штуцер для воды , 12 - отложения с отработанной водой.
Рисунок 19.
Схема расположения электродов в теплообменнике для интенсификации теплоотдачи
1 - маслоохладитель. 2 - первый теплоноситель, 3 - дифференциал.ьные термопары, 4 -второй теплоноситель, 5 - положительный электрод, 6 - штатные болты, 7 - капралановая атулка, 8 - резьбовой капралановый болт (регулировочный), 9 - центральная жила положительного электрода, 10 - уплотнкгельные резины.
Экспериментально установлены зависимости степени очистки 5о труб от различных параметров электрогвдравлической установки (напряжения, длины разрядного промежутка и др.). На рисунке 21 представлено влияние частоты следования разрядов на степень'очистки труб при различных значениях выходных напряжений. Эффективная работа установки достигается в диапазоне рабочих напряжений от 15 до 23кВ. Из опытных данных следует, что стабильная скорость очистных работ (порядка 1-гЗм/мин) обеспечивается при частоте следования разрядов порядка 5Гц.
В ходе выполнения работы была проведена технико-экономическая оценка применения электрогидравлического способа очистки поверхностей промышленных теплоустановок, которая показала, что объем ожидаемого экономического эффекта от внедрения установки в промышленное предприятие Бнйскнй комбинат составил за год 16908 (шестнадцать тысяч девятьсот восемь) долларов США.
5,%
О 110
100 50 СО 70 СО 50 40-
Зависимость степени очистки труб от частоты следования разрядов при различных напряжениях
19
у-г-----1 у —у— ■ у -v v — у //7с—.~~-я---x-x-x-x-x
V —* —-' - г- -' -а
г
/
г
x'
21
£Гц
1 3 5 7 9 11 13 . 15 17
С = 0,4 мкФ; 1р = 7 мм, и»: Д - 10 кВ ; * - 15кВ; О - 20кВ. Рисунок 21.
Раздел 5 посвящен описанию динамики высоковольтного электрического разряда в рабочей среде с учетом степени се газосодсржания. Рассмотрены физичес-
кис особенности электрического разряда в двухфазной жидкости. Доказано, что
условие адиабатичности при элекгровзрыве не выполняется, энтропия меняется за
„ „ »
счет структурной перестройки раоочеи среды. В качестве' уравнения состояния использу ется уравнение политропического процесса, в котором показатель политропы ге зависит от структуры среды и степени свободы турбулентных структур i.
PVae = const, (12)
где V - объем рабочей среды.
Степень свободы макроскопических движений может принимать практически все непрерывные значения в интервале (1 < i < оо), в то время как для молекулярного уровня движений значения i ограничены и дискретны. Получены зависимости показателя политропы от среднего газосодсржания и показателя скейлинга для усредненного пространственного масштаба:
аг =[2+(1-ф):/у](1-ф)2/у и <£=[2+(1-ф)-3/у](1-ф)3'У (13)
и для локального фрактального масштаба:
ж = { 2+[(2+у)/2]'( 1-ф)3'у } [2/(2+у)]3( 1 -ф)"3/у, а = {2+[(3+у)/3]\1-ф)''у}[3/(3+у)]3(1-ф)"3,у, (14)
соответственно, для цилиндрического и сферического объемов, рис.22.
Зависимость показателя политропы от усредненного (I) и локального (II) газосодержания
аэ
/ 1
2 V 1 Г
0 Q2 0.4 Q6 Q8 ф
(1) - для цилиндрического и (2) - сферического объемов фрактальных структур.
В подразделе 5.2 рассмотрены основные уравнения и законы сохранения, описывающие динамику электрического разряда в двухфазной жидкости. Уравнения движения, неразрывности и энергии для жидкой фазы записываются в виде, учитывающем ее сжимаемость вследствие образования ударных волн при электровзрыве в воде. Граничные условия заданы в виде законов сохранения массы, импульса и энергии на фронте ударной волны, движущейся со скоростью и.. Расширение границы полости разряда a(t) определяется режимом выделения мощности электрической энергии, превращаемой в тепло. Для описания режима выделения энергии N(t) при электрическом разряде в жидкости, представляющей осциллирующую и быстро затухающую кривую, используются различные модельные аппроксимации. Для поиска вида N(t) у чтена основная специфика явления разряда в жидкой среде - его существенно нелинейный характер. Методом вариации параметров определена зависимость мощности N("C) от силы тока I и напряжения U в цепи нелинейного колебательного контура в виде
N(T)= IU = Ot1(L/C)1/2[P(T)+ pI(T)4/3], X = t/(L/C)"\ (15 )
где L и С - индуктивность и емкость цепи,
а, и (3- постоянные характеристики среды.
На рис.23 приведены зависимости изменения мощности от времени для различных значений a, ( Р = а,3), которые показывают, что выражение (15) правильно описывает экспериментальную зависимость мощности от времени, представляющую осциллирующую кривую с затуханием. Затухание происходит тем быстрее, чем больше параметр а,.
В подразделе 5.3 рассмотрено влияние двухфазности и связанной с нею фрактальности среда на динамику расширения полости электрического разряда в двухфазной среде. Указанные характеристики считаются интегральными, относящимися ко всему объему, где происходит электрический разряд. В уравнении баланса энергии использовано максимальное значение давления, достигаемое на фронте ударной волны.
Зависимость мощности выделяемой энергии разряда от времени ^ ^ для различных значений сопротивления среды
а,=:1-0.1, 2-0.2, 3-0.3. данные: • - при U0=60kB, С=120мкФ, L=1.5mkT, 1=0.28м, *- при U0=25kB. С=0.4мкФ, L=0.9mkT, /=0.018м.
Рису нок 23.
Из этого уравнения можно найти временную зависимость границы расширения полости разряда a(t), которая движется со скоростью ударной волны. Используя соотношение Гюгонио для "сильной волны" и считая плотность невозмущенной среды р0 и давление Р0 перед фронтом ударной волны (в невозмущенной среде) пренебрежимо малыми, имеем
Pm„ = 2p0u.V(ee + l). (16)
Тогда, выражая объем через линейный размер расширения полости разряда, запишем:
( da(t)> 2p0aeCj 0+1) ai(t)x|-I x -- N(t), (17)
I dt J a^-l
У = C,=7CL„ С2=47Г/3,
где j= 1,2 относится к цилиндрической и сферической геометрии полости разряда.
Из (17) следует закон расширения полости разряда во времени ( агМ>(5ч> х
а(т)=В.|
U )
{i [Ы(х)]"МГ}3/(3+л +а(0),
(18)
где
в частности,
( j+3>™ Г 1 ]
I/Q+3)
вдт) = I
V 3 ) L 2p0(l+j)C J
В,= (ЬС)М (16/27С,р0)"\ В = (ЬС)5"0 (125/162Сгро)"5.
Расчеты по формуле (18) приведены на рис.24, здесь влияние степени двухфаз-ности среды на динамику канала разряда учтено через значение показателя политропы аз.
Зависимость расширения полости разряда от времени для случая цилиндрической симметрии канала
а(Т)/а0
2.5 2
а=: 1-0.1, 2-0.2, 3-0.3, данные при U0=43,5kB, С=610-«Ф. Рисунок 24.
Была исследована эволюция давления по времени в расширяющейся полости разряда с использованием уравнения баланса энергии, счипя Р=Р(т) переменной величиной и используя найденное выражение а(Т).
Тогда
dP(T)/dt + f(X)P(X) = g(T), (19)
f(x)=(3a2/a)da(x)/dx, g(T)=(ae -l)N(x)(LC)l/J/Ckal
V, = Ckak, C2 = К1Д C3 = 47C/3, где к = 2, 3 для цилиндрической и сферической геометрии полости разряда. Решение уравнения (19) имеет вид:
P(T) = exp(-ff(x)dT){C + i[g(T)exp(-if(T)dx]dt}.* (20)
Рассчитанные значения давления подтверждают немонотонное поведение давления Р(Х), рис.25 , наблюдаемое в эксперименте.
Зависимость давления в канале разряда от времени для случая цилиндрической симметрии Р/Р а P/P b
О О
а) ае = 2.5, а(: 1 -0.1,2-0.4,3-0.9; Ъ) а, = 0.4, <в =: 1 -3,2-2.27,3- 1.63,4- 1.11.
Рисунок 25.
С ростом а, (линейная часть электрического сопротивления) и показателя политропы ае максимальное значение давления Рт растет, а промежуток времени, за который оно достигается, уменьшается. Влияние показателя политропы' (газосодсржания ф) на эволюцию давления неоднозначное. В замкнутом объеме, где определяется среднее значение газосодержания, давление может иметь наибольшее значение при ф ~ 0.6 (рис.26), что соответствует значению Ж ~1.4,
описывающему адиабатическое расширение. В случае сравнимости межэлектродного расстояния I.* с размерами фрактальных структур г что имеет место при Ь"~гт~1мм. необходимо пользоваться локальным значением газосодержания ф. При этом с увеличением ф показатель политропы ае резко возрастает, процесс становится изохорическим. С ростом ф максимально достигаемое значение давления падает, эволюция давления становится более кругон.
Зависимость максимального давления от газосодержання потока
Р /Р„
п о
1 ,6 1.4 1 ,2 1
0,8 0.8 0,4 0,2 0
14
\ \
ч \
ч V
ч ч
ч
Ф
О 0,2 0,4 О.е О.Э' 1
1 - усредненному и 2 • локальному пространственным фрактальным масштабам.
Рисунок 26.
В подразделе 5.4 приведены результаты экспериментального исследования влияния степени газосодержания рабочей среды на величину давления при элекгрогидравлпчесюм эффекте. Рассмотрены различные методы пространственно-временного управлешш энергией электрогвдравли-ческого эффекта (ЭГЭ).
Из приведенного анализа следует, что интересующий нас способ управления эффективностью ЭГЭ посредством варьирования степени газосодержання, в сущности, связан с явлениями образования ударных волн и кавитацией воздушных пузырьков, которые характеризуются быстрыми изменениями пространственно-временных характеристик, поэтому рассматриваемый спосо? управления ЭГЭ мы
называем пространственно-временным, в отличие от способов электрического происхождения, описанных выше.
С целью проверки выводов теории и количественной оценки эффектов, связанных с двухфазностью рабочей среды, была изготовлена экспериментальная установка для изучения зависимости давления, создаваемого подводными электрическими разрядами, рис.27.
Экспериментальная установка
1 -верхний бак; 2-нижннй бак; 3-разрядная труба; 4-алектрод; 5-контрольное отверстие, 6-генератор пузырьков, 7-воронка, 8 -рабочая среда, 9 - экран.
Для измерения получаемых при ЭГЭ кратковременных импульсов давлений, имеющих порядок 10® -НО'Н/м2, использовалась специальная методика измерения.
На рисунке 28 приведем результаты измерений импульсного давления, которые показывают его неоднозначную зависимость от ф. Была исследована зависимость импульсных давлений от концентрации воздуха и газа СО, в рабочей смеси при фиксированных значениях параметров разрядного контура, в том числе разрядного напряжения, емкости накопителя энергии, индуктивности разрядного контура. Варьируемыми параметрами были межэлекгродное расстояние / и ф. Эксперименты подтверждают основные выводы фрактальной теории динамики электровзрыва в двухфазной жидкости.
Зависимость давления от степени газосодержания в рабочей срсде
1,2,3-воздушных пузырьков, 4,5,6-уплекислого газа, для / =:1,4 - 4мм; 2,5 - 8мм; 3,6 -10мм.
Рисунок 28.
Из теоретического исследования следует возможность роста давления с увеличением ср именно при пузырьковом состоянии среды (мелкозернистая среда, описываемая усредненной фрактальной моделью), которое легко реализуется при инжекции в жидкость быстрорастворимого углекислого газа. Размеры более крупных воздушных пузырьков сравнимы с межэлектродными расстояниями, поэтому их
■1(1
¡'..птице на давление электрогидравлического эффекта учитывается локально! моделью масштабов фрактальных структур. В этом случае из теории следует уменьшение относительного давления с ростом газосодержания, что и наблюдает« в эксперименте.
Полученные результаты подтверждают теоретически полученный эффект неоднозначного влияния газосодержания рабочей среды при электрическом разряде на величину давления и, следовательно, возможности управленш элсктрогидравличсским эффектом вариацией степени газосодержания двухфазнок потока.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
ВЫВОДЫ
1. На основе экспериментального исследования газожидкостных течений пс цилиндрическим трубам установлено, что увеличение степени газосодержаши приводит к росту коэффициента гидравлического сопротивления и теплообмена обу словленного влиянием пузырьков газа на структуру пристенного пограничногс слоя, это влияние существенно при малых числах Рейнольдса.
2. Построены фрактальные модели турбулентности газожидкостных течений I цилиндрических трубах, в том числе модели усредненного и локальной пространственного масштабов фрактальных структур, соответствующие различны», режимам течения газожндкосгного потока. Определены фрактальньк характеристики двухфазного потока в зависимости от степени газосодержания которая выражается через показатель скейлинга фрактальных моделей. На основ! построенных фрактальных моделей получено решение уравнения движения дд турбулентного режима течения двухфазной газожидкостной среды. Определень профили скорости, рассчитаны напряжения трения. Получены зависимосп коэффициента гидравлического сопротивления двухфазной среды от скоросп несущей фазы в широком диапазоне чисел Рейнольдса, согласующиеся < экспериментальными данными.
3. Получены теоретические выражения, описывающие состояние двухфазн-.ч газожидкостной среды' и связьтзаюшпе степень свободы турбулентнмч макроскопических движений с газосодержанпем потока и показателем политропы На основе этих результатов исследованы физические особенности электрического разряда в газожидкостной среде с учетом непосредственной связи изменения энтропии с фрактальностыо среды. Получены решения уравнении, описывающих динамику электрического разряда в двухфазной жидкости с учетом зависимости термодинамических свойств среды от степени ее газосодсржания.
4. Разработана нелинейная теория мощности, выделяемой при высоковольтном электрическом разряде в воде, и динал .ки расширения канала разряда. Теоретически определена неоднозначная временная зависимость давления электрогидравлнческого эффекта с учетом наличия газосодсржания.
5. Разработана электрогидравлическая установка, позволяющая в обычных условиях эксплуатации теплообменников увеличивать интенсивность теплообмена до 30%, что подкреплено авторскими свидетельствами. Установлено, что физической основой эффекта интенсификации теплоотдачи при воздействии электрического разряда в жидкости является турбулизация потока.
6. Определено минимальное значение энергии, при котором начинается разрушение отложений в теплообменных трубах. Установлена оптимальная частота следования разрядов, определяемая параметрами течения рабочей среды и соответствующая максимальной эффективности электрогидравлнческого воздействия.
7. Экспериментально установлена возможность управления электрогидравлическим воздействием изменением степени двухфазностн газожндкостныч сред. Показано, что использование в качестве рабочей среды ппожпд костного нотка с малым содержанием пузырьков углекислого газа приводит к увеличению импульсов давления на 15-М 7%, чем в случае однофазной жил кости.
8. Внедрена в производство элсктрогидравлическая установка для комплексного использования одновременной интенсификации теплоотдачи г. очпегк;;
рабочих поверхностей от твердых отложений, подтвержденная патентами Республики Казахстан.
9. Получен фактический экономический эффект применения элекгрогид-равлической установки на промышленных теплообменниках, подтвержденный актами внедрения в Государственном производственном объединении "Сибприбормаш" (г.Бийск, Россия), Акционерном объединении закрытого типа "Гран" (г.Энергодар, Украина), ТОО "Омега-ЛТД" (г.Актау, Казахстан) и др.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1. Исатаев С.И., Татенов А., Кусаиынов К. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления плоских диффузоров при течении газожидкостной смеси. Часть 1 // Прикладная и теоретическая физика.-Алма-Ата, 1977,- Вып.9,- С.26-31.
2. Исатаев С.И., Кусаиынов К. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления плоских диффузоров при течении газожидкостной смеси. Часть 2 // Прикладная и теоретическая физика.-Алма-Ата. 1977,- Вып.9,- С.32-36.
3. Исатасв С.И., Ползик В.В., Кусаиынов К. Результаты экспериментального исследования полного гидравлического сопротивления горизонтальных труб при течении газожидкостного потока // Прикладная и теоретическая физика,- Алма-Ата, 1997,- Вып. 10,- С. 112-116.
4. Наубетжанов М, Исатасв С.И., Ползик В.В., Кусаиынов К. Влияние входных диффузоров на теплообмен трубы // Прикладная и теоретическая физика.-Алма-Ата, 1977. -Вып.10. - С.117-123. •
5. Кусаиынов К. Исследование гидродинамики и теплообмена газожидюстных потоков при течении по каналам переменного сечения: Автореф. дис. канд. -Алма-Ата, 1978,- 25с.
6. Исатаев С.И., Кусаиынов К. Результаты экспериментальных исследований течения газожидкостного потока в каналах // Теплофизика и физическая гидродинамика И Сб. научн.тр. - Новосибирск, 1979.-С. 17-22.
7. Кусаиынов К. Об исследовании гидродинамики и теплообмена газожидкостных потоков при течении по каналам постоянного и переменного сечений // Люминесценция и теплофизика // Сб.научнлр. - Караганда, 1980. -С.93-99.
8. A.C. №1221796. СССР. Устройство для очистки труб А/ Кусаиынов К, Бекгурганов Ж.С. ДСП. Опубл. 01.12.85.
9. Кусаиынов К., Бекгурганов Ж.С. Исследование загрязнений внешней поверхности на тешюобмен круглого цилиндра // Исследование физических процессов в газообразных и конденсированных системах П Сб.научн.тр.-
Караганда,1985 - С.66-72.
10. Кусаиьгаов К., Бекгурганов Ж. С. Исследование физики удаления отложений от теплообменных поверхностей с применением электрогидравлического эффекта // II Всес. школа-семинар "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах": MareptfiLTbr семинара. ДСП.-Николаев, 1985,-С. 142-145.
11. Кусаиынов К., Бекгурганов Ж.С., Сатыбалдин K.M. Очистка тепло-обменных поверхностей электрогндравлическим воздействием // III Всес. школа-семинар "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах": Материалы семинара. ДСП,-Николаев, 1987,-С. 187-188.
12. Кусаиынов К., Бекгурганов Ж.С., Давренбеков С.Ж1 Восстановление эксплуатационных характеристик промышленных теплообменников//В кн.: Молодые ученые науке Центрального Казахстана. - Караганда, 1988.-С.92.
13. Кусаиынов К., Бектурганов Ж.С., Сатыбалдин Н.М. Повышение эффективности очистки" труб и трубчатых пучков с применением электрических разрядов в жидкости // IV Всес. школа-семинар "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах":Тезисы докл. ДСП,- Николаев, 1989,- С. 133.
14. United States Patent. № 4,822,584. Process for obtaining phosphorus from aqueous suspension of phosphorus slime using energy of electric discharge. Date of patent 18.04.1989.
15. Кусаиынов К., Бектурганов Ж.С., Сатыбалдин Н.М. Разрушение отложений теплообменных поверхностей под воздействием электрических разрядов в жидкости // IV Всес. школа-семинар "Физика импульсных разрядов в конденсированных средах": Материалы конф. ДСП.-Николаев, 1989,-С. 196-200.
16. Кусаиынов К., Давренбеков С.Ж. Повышение эффективности удаления загрязнений теплообменников с применением электрогндравлического эффекта // Сб.научн.тр. - Караганда, 1990,- С. 107-118.
17. A.C. №1539502. СССР. Способ интенсификации теплоотдачи // Кусаиынов К.К., Нусупбеков Б.Р. Опубл.30.01.90.
18. Исатаев С.И., Кусаиынов К. Гидродинамика и теплообмен газожидкостных потоков при течении по каналам со входными диффузорами и юнфузорами // Сб.научн.тр.- Караганда, 1990.-С.53-70.
19. A.C. №1587768. СССР. Элекгрогцдравлическое устройство для очистки труб // Кусаиынов К., Бектурганов Ж.С. ДСП. Опубл. 22.04.90.
2 0. A.C. №1691297. СССР. Электрогидравлический способ извлечения фосфора из водной суспензии Ц Кусаиынов К. и др. ДСП. Опубл. 15.07.91.
21. A.C. №1768333. СССР. Устройство для очистки труб // Кусаиынов К, Бектурганов Ж.С. ДСП. Опубл. 05.06.92.
22. Национальный патент PK. №251. Устройство для очистки. Опубл. 17.12.92.
23. Национальный патент PK. №250. Способ очистки внутренней поверхности труб. Опубл. 17.12.92.
24 . Национальный патент PK. № 444. Электрогидравлическое устройство для очистки труб. Опубл. 17.12.92.
25. . Кусаиынов К.. Нусупбеков Б.Р. Новые методы интенсификации теплообмена
// Состояние и перспективы создания и использования средств контроля измерений и АСУ ТП на предприятиях PK// Сб.научн.тр. - Караганда, 1996,-С.17-18.
26. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. К расчету скорости двухфазной жидкости // Релаксационные процессы в конденсированных средах // Сб.научн.тр. -Караганда, 1996,- С.100-110.
27. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. К расчету динамических характеристик газожидкостного потока // Математическое моделирование в естественных науках: Материалы Междунар. науч. конф. - Алматы, 1997.- С.153.
2 8. Кусаиынов К. Фрактальная теория двухфазной жидкости в трубе. -Алматы
( Дсп. в КазГосИНТИ, 30.09.96, №70204 - Ка96).
29. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Особенности электрического разряда в двухфазной жидкости //Тр. Междунар. науч. конф. "Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики", - Караганда, 1997.-С.897-900.
3 0. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Динамические характеристики высоковольтного
электрического разряда в двухфазной жидкости. - Алматы ( Деп. в КазГосИНТИ, 10.02.97, №7430 - Ка97).
31. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Осредненные дгнамические характеристики газожидкостного потока // Вест. КарГУ. - Караганда, 1997. - №3,- С.57-65.
32 . Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Фрактальная динамика двухфазной жидкости // Проблемы Црикладной аэродинамики, тепломассообмена и горения: Материалы Междунар. симпозиума,- Алматы, 1997,- С.53.
33. Кусаиынов К., Сакипова С.Е., Нусупбсков Б.Р. Исследование влияния индуктивности и емкости на динамику выделения мощности подводного искрового разряда в трубах.-Алматы (Дсп. в КазГосИНТИ, 04.08.97, №7805 -Ка97.).
34 . Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Фрактальная динамика электрического разряда в двухфазной жидкости // Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент: Материалы Междунар. конф,- Караганда, 1997,- С.193-198.
35. Кусаиынов К., Сакипова С.Е., Нусупбеков Б.Р. Теория мощности элекгро-взрыва в нелинейной среде // Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент: Материалы Междунар. конф. - Караганда, 1997,- С. 199-206.
36. Кусаиынов К, Н^стбсшв Б.Р. Элекгрогидравликалык эффектшш жазык денеге жылу беру Зсерш зерттеу // Релаксационные процессы в конденсированных средах // Сб. науч. тр.- Караганда: Изд. КарГУ, 1996,- С.17-26 -
37 . Кусаиынов К., Нусупбсков Б.Р., Давренбсков С.Ж. Экспериментальное исследование эффективности очистки теплообменных поверхностей при воздействии ударной волны.- Алматы (Деп. в КазГосИНТИ, 04.08.97, №7806-Ка97).
38. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Фрактальный анализ турбулентного течения гетерогенной среды // V Междунар. семинар по устойчивости течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Материалы семинара.-Новосибирск; 1998,- С.62-67.
39. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Фраетальная модель динамики двухфазной жидкости в трубе // Теплофизика и аэромеханика,- Новосибирск, 1998,- №4,-
С.472-484.
40. Кусаиынов К., Сакипова С.Е., Кусаиынова Д.К. Влияние двухфазности на эволюцию давления в разрядном простракстве//Вест. КазГУ Сер. Математика, механика, информатика. - Алматы, 1998,- №10,- C.92-1G2.
41. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Фрактальная модель динамики газожидюсгного потока//Вест. КазГУ Сер. физ. - Алматы, 1998,-№3,-С. 120-128.
42. Кусаиынов К., Сакипова С.Е., О гидродинамическом сопротивлении газожцдкостного потока // Вест. КарГУ,- 1998.-№1(9).- С.61-67.
43. Кусаиынов К., Сакипова С.Е. Нелинейные физические особенности двухфазной среды при наличии электрогидравлического эффекта // Изв. вузов. Физика.-Томск, 1998,-№11,-С.105-111.
44. Кусаиынов К, Нусшбеков Б.Р, Сакыпова С.Е., Дауренбеюв С.Ж. Жылу алмасу кондьгргыларындаш кактарды ' жкы толкьищардын KOMeri аркылы тазалау II Вест. КарГУ.-1998,-№1(9)-С.56-61.
4 5. Кусаиынов К. Гидродинамика, теплообмен и электрогидра влпчсскис явления при движении двухфазных сред в трубах. - Караганда: КарГУ, 1998.- 112с. (ISBN 9965-445-02-8).
КАППАС КУСАЙЫН УЛЫ
ЕК1 ФАЗАЛЫ ОРТА КУБЫР БОЙЫМЕН КОЗРАЛРАНДА БОЛАТЫН ГИДРОДИНАМИКАЛЬЩ, ЖЫЛУ АЛМАСУ ЖЭНБ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИКАЛЫК К,¥БЫЛЫСТАР
Кубыр.бойымен газ араласкан суйык козгалысыньщ гидродинами-касы. жылу алмасуы мен электрогидравликалык кубылыстарын зерт-теу аркылы отын кездерш енЬщейтщ жэне де жылу алмасу кондыргы-ларыньщ тшмдшгш арттыратын техпикалык шеипм баяндалып, ар-наулы кондыргылар аркылы жасалган гьхлыми бшктх зерттеулерд'щ нэтижен келт1р1лген.
Газ косылган суныктан туратын ею фазалы ортаньщ кубыр бой-ындагы козгалысын еппаттайтын фракталдык моделдерге нспзделген теориялык есептерд!^ шецимдер1 алыкган.
Электрогидравликалык кубылыска непзделе отырып жасап шыга-рылган кондыргы енд!рютк жылу алмастыргыштардьщ тшмдшгш архтыруды, олардыц ¡цпп беттершдеп пайда болатын кактардан та-залау жэне жылу беру процестерш жеделдетуд1 жузеге асырады.
Ей фазалы ортадагы электр разряды кезшде пайда болатын кур-дел! фцзикалык, продестерд! зерттеу нэтижесшде кубыр кабыргасында пайда болатын импульстк кысымды еппаттайтын теориялык модель . усынылган. Тэж1рибе жузшде газ косылган суйык ортаны пайдала-ну аркылы электрогидравликалык кондыргы жумысыныц тшмдшгш артыруга болатындылыгы дзлелденген.
Kusaiynov Kappas
THE HYDRODYNAMICS, HEAT-TRANSFER AND ELECTROGYDRAVLICAL EFFECTS IN THE MOVING TWO-PHASE
MEDIUM IN PIPE
For creations complex apparatures for optimization and intensification heat-transfer characteristics because economy energy resurses the hydrodynamics, heat-transfer and electrogydravlical effects that caused in the moving two-phase medium in pipe was considered. Using physical fractal models of structurity medium the theoretical describtion was obtained for hydrodynamics of the two-phase moving liquid in pipes
Technically apparatus for electrogydravlical effects in the moving two-phase medium in pipe were creation and using for increasing heat-transfer {coefficients. The dynamics description of electrical recharge in the two-phase medium that connected non-linear physical characteristics of the hight-voltage electrical recharge in bubble liquid was considered.
By experiments in worker medium the optimally graduate of gas consistance, energy means and specific characteristics of electrical recharge for maximum effects were determined. It was found that it possible to influence on the pressure unmonotonous behavior by increasing graduate of gas consistence medium.
