Исследование гетерогенного потока "Газ-твердые частицы" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ГИДРОДИНАМИКИ

И ТЕПЛООБМЕНА ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОТОКОВ

1Л Предмет исследования.

1.2 Исследования теплообмена между гетерогенным потоком и стенкой канала

1.3 Исследования влияния частиц на гидродинамику несущей фазы.

1.3.1 Теоретические работы.

1.3.2 Экспериментальные исследования

1.3.3 Систематизирующие и аналитические работы.

1.4 Выводы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЕТЕРОГЕННЫХ ПОТОКОВ

2.1 Метод ЛДА и его преимущества.

2.2 Измерительный объем ЛДА. Доплеровский сигнал.

2.3 Использование ЛДА для исследования гетерогенных потоков . Перекрестная помеха.

2.4 Методы селекции сигналов. Амплитудная дискриминация.

2.5 Оценка эффективности амплитудной селекции сигналов.

2.6 Контроль перекрестной помехи экспериментальным путем

2.7 Методика определения координаты измерительного объема ЛДА относительно стенки.

2.8 Выводы

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА.

3.1 Схема экспериментальной установки.

3.2 Физические свойства используемых частиц и рабочий диапазон концентраций.

3.3 Порядок проведения экспериментов.

3.4 Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ НА ТЕЧЕНИЕ В

ТРУБЕ

4Л Введение

4.2 Характеристики однофазного течения

4.3 Характеристики гетерогенного течения

4.4 Выводы

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ НА ТЕЧЕНИЕ В

ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ

5.1 Введение

5.2 Измерения в набегающем потоке.

5.3 Измерения в пограничном слое.

5.4 Выводы

ГЛАВА 6. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ НА ТУРБУЛЕНТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НЕСУЩЕЙ ФАЗЫ

6.1 Введение

6.2 Осредненное движение частиц

6.3 Пульсационное движение частиц.

6.4 Осредненное уравнение теплообмена частиц

6.5 Уравнение пульсационного теплообмена частиц

6.6 Уравнения сохранения количества движения и пульсационной энергии энергоемкого турбулентного вихря с частицами.

6.7 Влияние частиц на турбулентные пульсации скорости и температуры несущей фазы.

6.8 Выводы

Потоки сплошной среды, содержащие взвешенные частицы, уже в течение нескольких десятилетий привлекают внимание исследователей. В настоящее время имеется достаточно большое число работ, посвященных исследованию гидродинамики и теплообмена гетерогенных течений типа газ-твердые частицы. Как показали исследования даже небольшое количество дисперсной примеси в виде твердых частиц может оказывать существенное влияние на гидродинамику и конвективный теплообмен потока.

Несмотря на значительный интерес к исследованию теплообмена при движении газовзвесей в каналах вопрос о вкладе твердых частиц в механизм конвективного теплообмена далек от своего решения. Введение твердых частиц в турбулентное течение (и без того сложное) вызывает много дополнительных трудностей при проведении исследований, обобщении и систематизации полученных результатов. Это связано со сложностью процессов, протекающих в таких системах, и большим количеством (по сравнению с однофазным течением) определяющих факторов.

Анализ опубликованных работ показывает ограниченность информации о структурных характеристиках потока газовзвеси. Имеющиеся данные о профилях осредненных (по времени) скоростей несущей газовой фазы и твердых частиц, полях концентрации последних при движении газовзвеси в каналах носят , как правило, частный характер, сложно поддаются обобщению и не могут быть использованы для апробации расчетных методик. Основная причина такого положения дел - наличие многочисленных режимов течения газовзвеси, определяемое как параметрами несущей среды (числом Рейноль-дса, интенсивностью турбулентных пульсаций и их масштабами, частотным спектром турбулентности и т.д.), так и параметрами самих частиц (локальной концентрацией, физическими свойствами, локальным числом Рейнольдса частицы, полидисперсностью и т.д.). Наличие различных режимов течения предопределяет различные механизмы влияния несущей среды на взвешенную примесь, обратное влияние примеси на несущую сплошную среду и взаимодействие частиц между собой. Без знания этих физических механизмов и "сфер их влияния" решение вопроса о вкладе частиц в гидродинамику и теплоперенос представляется невозможным.

Понимание физики взаимодействия частиц с окружающей средой, наличие информации о профилях скоростей обеих фаз позволит проводить расчеты и устанавливать соотношения между процессами переноса количества движения, тепла и массы в смеси газ-твердые частицы. Возможность управления потоком при помощи введения в него частиц с определенными физическими свойствами при необходимых концентрациях открывает широкие возможности применения гетерогенных потоков на практике.

Настоящая работа состоит из шести глав и выводов.

Первая глава дает представление о предмете исследования, современном состоянии вопроса и содержит обзор ранних теоретических, имеющихся экспериментальных, аналитических и систематизирующих работ. Приводится классификация турбулентных гетерогенных течений по объемной концентрации и числам Стокса ( в осредненном и пульсационном движениях).

Во второй главе освещены методические вопросы проведения измерений в гетерогенных потоках. Выделены уникальные преимущества выбранного в данной работе метода исследований - метода лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) - по сравнению с другими оптическими методами. Показано, что основная сложность при использовании серийных лазерных доплеровских анемометров (ЛДА) для исследования тонкой структуры турбулентных гетерогенных потоков связана с возникающей перекрестной помехой от обоих видов частиц, присутствующих в потоке: частиц-трассеров субмикронных и микронных размеров, моделирующих движение несущей газовой фазы, и собственно частиц, представляющих дисперсную фазу. Описываются основные методы селекции сигналов. Также во второй главе приводится разработанная методика оценки эффективности амплитудной дискриминации сигналов - основного из методов селекции, используемого в настоящей работе. Обосновывается необходимость и приводится пример определения эффективности амплитудной селекции сигналов и перекрестной помехи экспериментальным путем. Описывается хорошо зарекомендовавший себя простой и эффективный метод определения координаты измерительного объема ЛДА относительно поверхности стенки, использованный в данном исследовании.

В третьей главе описывается созданная экспериментальная установка для изучения пристенных слабозапыленных течений. Приводятся физические параметры используемых в экспериментах частиц и порядок проведения измерений полей скоростей "чистого" воздуха, воздушной фазы гетерогенного течения и твердых частиц, а также относительной массовой концентрации последних. Описан способ контроля соотношения расходов основного и транспортирующего частицы потоков воздуха.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния твердых частиц на восходящее турбулентное течение в вертикальной трубе. Приводятся распределения осредненных скоростей "чистого" воздуха, газовой фазы гетерогенного потока и твердых частиц по сечению трубы. Также в этой главе содержатся результаты исследования влияния частиц на профили продольной и нормальной составляющих интенсивности турбулентности несущей газовой фазы.

Пятая глава содержит результаты исследования влияния частиц на течение в пограничном слое. Приведены профили осредненных скоростей "чистого" воздуха, воздушной фазы гетерогенного потока и твердых частиц в набегающем потоке и выборочных сечениях в ламинарной, переходной и турбулентной областях осесимметричного пограничного слоя, развивающегося вдоль боковой поверхности цилиндра с передней кромкой в виде полусферического затупления, установленного на оси вертикальной трубы. Также пятая глава содержит результаты измерений распределений степени турбулентности для "чистого" воздуха и газовой фазы гетерогенного течения для выборочных сечений в турбулентном пограничном слое.

Шестая глава посвящена аналитическому исследованию влияния твердых частиц на величину турбулентных пульсаций скорости и температуры несущей среды. Рассматриваются вопросы, связанные с осредненным и пульсационным движением достаточно инерционных частиц (Кер < 1000 ) . Приводится вывод уравнений осредненного и пульсационного теплообмена таких частиц. Также в шестой главе описывается модель учета влияния твердых частиц на пульсационную скорость и температуру несущей фазы. Получены соотношения для оценки дополнительной диссипации турбулентности и уменьшения пульсаций температуры частицами для случаев реализации различных видов гетерогенных течений в соответствии с предложенной в первой главе классификацией.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Создана экспериментальная установка для исследования пристенных гетерогенных потоков типа "газ-твердые частицы " с использованием лазерного доплеровского анемометра фирмы Ба^ес (Дания), позволившая провести измерения полей осреднен-ных скоростей "чистого" воздуха, воздуха в присутствии частиц и самих твердых частиц, а также характеристик турбулентности с высоким пространственным разрешением.

2. Разработана и опробована методика оценки эффективности амплитудной селекции сигналов и величины перекрестной помехи сигналов от обоих видов частиц (частиц-трассеров, моделирующих движение газовой фазы, и частиц дисперсной фазы) , присутствующих в течении, при проведения ЛДА-измерений.

3. Впервые получены данные о развитии распределений осредненных скоростей "чистого" газа и обеих фаз гетерогенного потока во всех областях пограничного слоя: ламинарной, переходной и турбулентной. Несмотря на то, что воздействие частиц на набегающий поток было пренебрежимо мало, они оказывали существенное влияние на течение в пограничном слое. Профиль осредненной скорости несущей фазы становился более заполненным по сравнению с аналогичным профилем для однофазного течения вследствие ускорения воздуха частицами вблизи стенки. Различие между скоростями "чистого" воздуха и газовой фазы гетерогенного течения достигает своего максимума в пристенной области из-за имеющейся там максимальной разницы между скоростями фаз. Наполняя профиль осредненной скорости, частицы увеличивают ее градиент на стенке в ламинарной области. Также наполнение профиля приводит к уменьшению формпараметра в этой области пограничного слоя и, таким образом, ускоряет начало ламинарно-турбулентного перехода. Установлено экспериментально, что присутствие частиц уменьшает первое критическое число Рейнольдса. В переходной и турбулентной областях пограничного слоя частицы также приводили к наполнению профиля осредненной скорости вследствие своей инерции.

4. Полученные распределения интенсивности турбулентности в турбулентном пограничном слое показали, что присутствие в потоке частиц вызывает дополнительную диссипацию турбулентности, особенно значительную вблизи стенки. Основные причины этого явления : 1) уменьшение генерации турбулентности вследствие уменьшения градиента осредненной скорости несущей фазы из-за выполаживания профиля в пристенной турбулентной области; 2) наличие дополнительной диссипации турбулентности за счет траты кинетической энергии турбулентных вихрей на ускорение частиц (вовлечение частиц в пульсационное движение).

5. Получены данные по распределениям осредненных скоростей "чистого" газа и обеих фаз гетерогенного потока для восходящего турбулентного течения в вертикальной трубе. Измеренные распределения продольной и нормальной интенсивностей пульсаций скоростей газовой среды выявили существенное влияние на них частиц. Все используемые в экспериментах частицы во всем диапазоне массовых концентраций приводили к уменьшению обеих компонент пульсационной скорости несущей фазы практически по всему сечению трубы. Эффект подавления пульсаций скорости возрастал с увеличением массовой расходной концентрации частиц, уменьшением их инерционности (размера и плотности) и удалением от стенки канала.

6. Выведены уравнения пульсационного движения и пульсационного теплообмена инерционных частиц, число Рейнольдса которых не превышает 1000. В этих уравнениях выявлены дополнительные члены по сравнению с аналогичными уравнениями для сто-ксовых частиц, учитывающие наличие осредненного динамического и теплового скольжений.

7. Разработана классификация турбулентных гетерогенных потоков типа "газ-твердые частицы", основанная на двух параметрах: экстенсивном - объемной концентрации частиц и интенсивном - числе Стокса ( в осредненном и пульсационном движениях).

8. Для интерпретации полученных экспериментальных данных привлечена теоретическая модель влияния частиц на турбулентные пульсации скорости несущей среды Г.Н.Абрамовича. На основе модификации модели проведено аналитическое исследование влияния дисперсной примеси на турбулентные пульсации скорости и температуры несущей фазы для различных классов слабозапыленных течений в соответствии с предложенной в данной работе классификацией.

9. На основании проведенного теоретического анализа и полученных экспериментальных данных получены условия аналогии влияния частиц на гидродинамику и теплообмен несущей газовой фазы.