Структурные параметры восходящего снарядного потока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СНАРЯДНОГО ПОТОКА В МИФИ НА ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ДАННОЙ РАБОТЕ СТАДИЯХ И БАЗИСНЫЕ ИСХОДНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ СНАРЯДНОГО ТЕЧЕНИЯ.

1.1. Параметрическое описание двухфазного снарядного потока.

1.2. Экспериментальные установки и резистивные методы диагностики структуры.

1.3. Модель восходящего снарядного течения в вертикальном канале.

1.4. Постановка задачи на данное исследование.

ГЛАВА 2. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПАРАМЕТРА СТРУКТУРЫ ПОТОКА -"ДОЛИ ВРЕМЕНИ СЛЕДОВАНИЯ СНАРЯДОВ (У)".

2.1. Оценка доли времени следования снарядов исходя из принципов минимума количества движения и минимума энергии.

2.2. Интерпретация временного веса кольцевой структуры как числа Струхаля.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА СНАРЯДНОГО ПОТОКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРАХ КАНАЛА.

3.1. Истинное объёмное газосодержание <ф> как режимная характеристика.

3.2. Экспериментальное исследование влияния внутреннего диаметра трубы на параметры снарядной структуры.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ В

ПАРОВОДЯНОМ ПОТОКЕ НА ЕГО СТРУКТУРУ.

4.1. Экспериментальное исследование изменений параметров структуры при увеличении давления.

4.2. Режимные характеристики, вызывающие некоторую гомогенизацию структуры потока.

4.3. Выводы.

ГЛАВА 5. МОДИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ СНАРЯДНОЙ СТРУКТУРЫ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА.

5.1. Зависимость параметров снарядной структуры от режимных факторов.

5.2. Расширение области применимости аналитической модели.

5.3. Выводы.

Научные исследования в области гидродинамики и теплообмена двухфазных потоков (ДФП) необходимы для создания перспективного и совершенствования современного энергетического и химико-технологического оборудования. Исследования по кипению и ДФП насчитывают десятки тысяч публикаций, и интерес к ним постоянно увеличивается. Это объясняется, прежде всего, технико-экономическим значением ДФП для различных областей новой техники. Различные структуры ДФП реализуются в оборудовании тепловых и атомных электростанций, в криогенной и холодильной технике, в массообменных процессах химической промышленности, в барботажных устройствах, при добыче и транспортировке нефти и газа. Актуальность исследования теплофизики двухфазных потоков обусловлена существующими требованиями к эффективности и надежности эксплуатации оборудований, оптимизации технологических процессов, анализу возможных аварийных ситуаций.

На данном этапе изучения ДФП основным источником получения знаний о таких потоках является эксперимент. Изучение физических закономерностей начинается с получения экспериментальной информации, затем она теоретически обобщается и создается расчетная модель процесса, в дальнейшем отдельные положения модели уточняются при помощи новых экспериментов. Эксперимент необходим также для проверки априорных теоретических представлений и верификации вычислительных моделей.

Научное объяснение и обобщение получаемой информации, а также внедрение часто противоречивых результатов исследований в практику по-прежнему остаются трудной задачей. Такое положение отражает чрезвычайную сложность проблем ДФП, которые связаны с проблемами турбулентности, но в условиях более сложных, чем в однофазных потоках, при самых разнообразных формах распределения и взаимодействия фаз. К трудностям учета турбулентной природы, не решенным даже для однофазных потоков, добавляются не менее принципиальные и сложные проблемы учета взаимодействия фаз на межфазных поверхностях.

В большинстве исследований нестационарных процессов должны использоваться осредненные уравнения с корреляционными коэффициентами, зависящими от степени неравномерности распределения характеристики по пространству или времени. Вопросы пространственного, временного и пространственно-временного осреднения детально рассматривались в работах [1-2].

При создании моделей процессов в ДФП решающими являются: определение структуры ДФП и распределения в ней паросодержания, корректная запись условий обменных процессов на межфазных границах и на стенке канала, а также обоснованное введение корреляционных коэффициентов. Все модели являются приближенными, и на основе новых экспериментальных данных о структуре и взаимодействии фаз возможна их корректировка.

В вертикальных газожидкостных и пароводяных потоках можно выделить следующие наиболее характерные структуры совместного течения жидкости и газа: пузырьковая, снарядная, дисперсно-кольцевая и дисперсная. Все они могут наблюдаться в реальных установках, изучение каждой из них представляется актуальной задачей. Наиболее интенсивно исследовался дисперсно-кольцевой режим, несколько менее -пузырьковый и в малой степени - снарядный.

Определение структуры ДФП важно не только для разработки расчетных моделей переходных и аварийных теплогидравлических процессов. Целый ряд характеристик стационарных процессов, таких как: интенсивность теплообмена при кипении и его кризис, гидравлическое сопротивление, паросодержание в активной зоне реактора, массообмен и площадь межфазной границы, отнесенная к единице объёма ДФП, зависят от режима течения и структуры потока. В одних технологических процессах тот или иной режим с его характерными особенностями может оказаться весьма ценным, в других - нежелательным. Так, свойства снарядного и пузырькового режимов течения очень полезны в аэрлифтных процессах, т.к. могут обеспечить максимальное удержание жидкой фазы в потоке. В системах с естественной циркуляцией и большой тепловой нагрузкой каналов появление снарядов пара в потоке может вызвать кризис теплообмена при кипении. В химико-технологических процессах с массообменом при непосредственном контакте между газом и жидкостью целесообразно использовать мелкодиспергированый пузырьковый поток. В длинных трубопроводах с газ-конденсатной смесью снарядный режим опасен ударными явлениями в потоке, вибрацией трубопроводов.

Не случайно, именно исследования карты режимов наиболее полно представлены в различных источниках. Исследование структур ДФП интенсивно ведется в последние десятилетия, обстоятельные обзоры по ним представлены в работах [3-6]. Так, в [3] отмечается, что в литературе встречается 84 различных названия структур потока и 60 из них для горизонтального ДФП. Статистическая природа двухфазного течения, неопределенность форм и размеров пузырей, снарядов, капель, волнообразных пленок жидкости - все это препятствует объективному определению структуры течения. Ситуация осложняется ещё и тем, что ДФП являются не полностью установившимися либо по причине изменения паросодержания по длине канала по мере падения давления, либо по причине действия на стенке тепловой нагрузки.

Большое значение установление структуры потока имеет в случае, когда рассматриваемое сечение канала находится недостаточно далеко от места формирования ДФП: смесителя газа и жидкости, дросселирующего устройства, конца обогреваемого участка канала.

В конечном счете, все многообразие структур ДФП определяется соотношением сил инерции, вязкости, поверхностного натяжения и силы тяжести. Причем последняя в случае небольших скоростей потока при разной ориентации канала существенно увеличивает число различных структур, они оказываются различными не только у вертикальных и горизонтальных ДФП, но также у восходящего и опускного вертикального течений [7-12].

Так, если в подъемном потоке жидкости обе фазы участвуют в спутном движении, то при опускном течении жидкости возможно и спутное и противоточное движение газа. Однако при высоких скоростях жидкой и газовой фаз доминирующими в потоке оказываются силы инерции и трения, в этой области истинные объёмные газосодержания и формы структур практически утрачивают свою зависимость от ориентации канала и направления потока в поле сил тяжести. Структуры горизонтальных, вертикальных опускных и восходящих потоков при больших скоростях течения оказываются весьма близкими.

Граница между пузырьковым и снарядным течением является условной, т.к. было бы правильнее говорить об области перехода. Причину появления снарядов связывают обычно с коалесценцией пузырей. В области истинных объёмных газосодержаний <ф> = 0.1-0.2 расстояния между пузырями из чисто геометрических соображений сопоставимы с диаметрами пузырьков, что резко повышает вероятность их столкновений и слияния. Поэтому за границу пузырькового и снарядного режимов принимается <ф> = 0.3 [13]. В работе [14] сделана попытка обосновать такие границы, исходя из кильватерного эффекта (подсасывающего следа пузыря, идущего первым). Этот фактор также усиливается при сближении пузырей.

Смена снарядной структуры на кольцевую согласно [13] происходит в области газосодержаний <ср> = 0.7-0.8 .

Идентификация режимов течения двухфазных смесей газ -криогенная жидкость в вертикальных трубах была проведена в работах [15 - 16]. Метод идентификации основан на статистическом анализе последовательности импульсов, сформированных в ходе анализа сигнала ёмкостного преобразователя истинного объёмного газосодержания. Разработанная методика была применена для идентификации режимов течения смесей газообразного и жидкого азота.

Смена режимов двухфазного потока в условиях микрогравитации анализируется в [17 - 20]. В частности, в работе [17] карты режимов течения при ускорении свободного падения на уровне 0,0981 м2/с представлены в координатах Wesl - Wesg, как линии WeSG= const, где Wesl и WeSG - числа Вебера, рассчитанные по приведенным скоростям жидкости и газа. Граница между снарядным и пузырьковым течениями выявлена при WesG =1- Утверждается, что кольцевое течение наступает при WeSG >20.

С появлением новых опытных данных анализ режимов течения в условиях микрогравитации был повторен в работе [19]. Показано, что лучшее описание опытных данных получается, если при расчетах чисел Вебера использовать не приведенные, а истинные скорости фаз. Отмечено, что изменение вязкости жидкости не влияет на смену режимов течения.

В работе [20] представлены результаты экспериментального исследования влияния диаметра трубы, вязкости и поверхностного натяжения жидкости на структуру газожидкостного течения в условиях микрогравитации. Авторы утверждают, что переход от пузырькового к снарядному течению зависел от свойств жидкости и диаметра трубы, а при переходе от снарядного потока к кольцевому зависимость смены этих режимов течения от перечисленных выше параметров не наблюдалась.

Влияние поверхностного натяжения на трансформации режимов течения рассматривалось в работах [21 - 22]. В [21] предполагается, что переход пузырькового режима течения в снарядный при уменьшении поверхностного натяжения затягивается.

В [23] теоретически исследовано влияние вязкости на переход от кольцевого режима течения к снарядному. Предложен механизм роста волн на поверхности жидкой пленки, приводящий к образованию снарядов и переходу от кольцевого к снарядному режиму течения. Авторы показали, что кольцевое течение устойчиво, когда жидкость в ядре потока имеет высокую эффективную вязкость, а по периферии - низкую.

В [24] экспериментально и теоретически исследованы условия перехода от дисперсного пузырькового режима течения к снарядному при восходящем течении в узкой трубе. Предложена полуэмпирическая теория, позволяющая рассчитывать количество N образующихся в единицу времени пузырьков с диаметром выше критического, которые объединяются в снаряды при своей деформации и зигзагообразном движении.

В работе [25] представлены результаты экспериментального исследования скорости всплытия крупномасштабных вытянутых газовых пузырей в вертикальной трубе, совершающей колебательное движение вдоль оси. Получено, что характер движения пузырей в осциллирующей трубке зависит прежде всего от ускорения в системе. С ростом ускорения скорость всплытия пузыря уменьшается, при этом изменяется форма пузыря: его носовая часть становится более вытянутой. Анализируется механизм влияния колебаний на характеристики движения пузыря.

Вероятно, среди известных режимов течения именно снарядный режим является самым сложным для аналитического описания. Для него характерно поочередное следование пробок жидкости с пузырьками газа и снарядов газа, отделенных от стенки канала жидкостной пленкой. Соответственно, истинное среднее по сечению газосодержание <ф> резко изменяется во времени почти во всем диапазоне от 0 до 1, что свидетельствует о существенной времени о'й нестационарности снарядного потока. Кроме того, в зависимости от координаты также от О до 1 меняется локальное газосодержание q>, среднее во времени следования снарядов. Таким образом, можно утверждать, что снарядный поток обладает еще и сильной пространственной неравномерностью.

При снарядном течении двухфазного потока наблюдаются крупномасштабные пульсации скоростей фаз, давления, температур и т.п. Они могут вызвать развитие неустойчивости в контуре реального устройства и кризиса теплообмена в каналах. Пульсации в потоке сопровождаются циклическим изменением температур стенок канала, вибрацией канальной арматуры и накоплением термомеханической усталости в элементах конструкции.

В энергетических установках пузырьковый и снарядный режимы течения наблюдаются, например, в аварийных ситуациях, особенно в момент возможного реверса течения теплоносителя в активной зоне. В химико-технологических процессах снарядный режим реализуется в абсорберах, предназначенных для получения продуктов диффузного взаимодействия жидкости и газа, барботажных устройствах.

Совместная транспортировка газа и нефти позволяет лучше использовать их энергетические возможности: исчезает необходимость строительства дорогостоящих перерабатывающих предприятий в местах нефтедобычи, экономится спутный газ, появляется возможность эксплуатации более глубоких залежей нефти. Одним из вопросов такой транспортировки является возможное возникновение снарядного режима в трубопроводах с газоконденсатной смесью.

В связи с проектированием и эксплуатацией транспортных магистралей нефтегазовых и газоконденсатных смесей в последние годы интенсивно изучается снарядное течение в горизонтальных и наклонных трубопроводах. Отдельные параметры таких снарядных течений как длины пробок и снарядов, частоты их следования, скорости некоторых элементов и т.п. приводятся в работах [26 - 29]. Сопоставление их с параметрами вертикального снарядного потока показывает, что гравитационное воздействие оказывает существенное влияние на структуру потока при малых скоростях смеси. В силу поперечной асимметрии в потоке структурно-кинематическая схема течения и её параметры оказываются отличными от вертикального потока. Так, при очень малых скоростях смеси в горизонтальном потоке снарядный режим сменяется расслоенным течением фаз.

Отличие фактических данных по структуре горизонтальных и вертикальных снарядных потоков обуславливает необходимость раздельного построения их моделей. Моделирование горизонтальных снарядных течений исследовалось в [30 - 33], в том числе и нестабильные переходные процессы в [34 - 35]. Общий обзор по моделированию нестационарных газожидкостных и многофазных течений для снарядных вертикальных и горизонтальных потоков представлен в [36 - 38], нестационарный процесс при росте одиночного пузыря в вертикальной трубе проанализирован в [39 - 41].

Структурные параметры снарядного течения тесно связаны не только с истинным средним по сечению газосодержанием, но и с другой осредненной характеристикой - гидравлическим сопротивлением канала. Связь структуры потока с гидравлическим сопротивлением, касательными напряжениями на стенке канала систематически изучается в институте теплофизики СО АН СССР [42 - 44].

Характерной особенностью снарядного течения является развитие в нем не только волн плотности (газосодержания), но и флуктуаций давления, что вызывает вибрацию трубопроводов. Экспериментальный и теоретический анализ флуктуаций давлений в газожидкостном потоке дан в работах [45 - 46]. Из него следует, что наибольшей интенсивности пульсации давления достигают у снарядного потока, причем в середине области его существования и ослабевают с приближением к границам пузырькового и кольцевого режимов течения.

На основе экспериментов с масловоздушной смесью и статистического анализа осциллограмм газосодержания с выделением характерных периодов следования газовых снарядов и пробок жидкости в обзоре [47] выделено несколько подрежимов снарядного течения. Показано, что при малых скоростях смеси Ucm = U0i + U02 существует режим с вытянутыми и малыми пузырями, характеристики которого отличаются от характеристик, традиционно применяемых при анализе снарядного течения.

Восходящее газожидкостное течение в вертикальной трубе кольцевого сечения экспериментально и теоретически обсуждалось в [48]. Рассматриваются случаи концентрической и полностью эксцентрической (внутренняя труба касается внешней) конфигурации. Результаты измерений скорости всплытия тейлоровского пузыря (пузыря снарядного типа) в неподвижной жидкости представлены в виде зависимости от объема пузыря. Отмечено, что скорость всплытия выше, чем для трубы круглого сечения. На основании экспериментальных наблюдений проведена классификация режимов двухфазного течения. В отличие от обычной трубы здесь в снарядном режиме пузырь имеет внутреннюю перемычку между внутренней и внешней стенками. Кроме того, различают два режима пузырькового течения: со сферическими мелкими "вмороженными" в жидкость пузырьками и крупными несферическими, совершающими осциллирующие движения. В зависимости от расходов газа и жидкости представлена карта режимов, получены критерии перехода режимов течения.

Моделирование такого двухфазного течения в кольцевой трубе как продолжение экспериментальной части осуществлено теми же авторами в работе [49]. Получены уравнения для определения градиента давления и среднего газосодержания при заданных расходах газа и жидкости. Структура снарядного режима течения рассматривается как система из последовательности тейлоровских пузырей (снарядов) и перемычек между ними, заполненных двухфазной пузырьковой средой. Считается, что пленка жидкости, находящаяся на стенках трубы, свободно стекает и имеет постоянную толщину. В то же время учтены эффекты начальной стадии образования пленки в головной части пузыря.

В [50] представлены результаты экспериментального исследования структуры водо-воздушного течения в вертикальной круглой трубе при различных способах инжектирования воздуха на входе в трубу (пористая вставка, сопло). В нижней части трубы наблюдались различные для разных способов введения газа в поток формы радиальных профилей газосодержания и продольного распределения перепада давления. В верхней части трубы характеристики течения слабо зависели от способа введения газа в поток. Отмечено, что при всех реализованных в опытах сочетаниях приведенных скоростей газа и жидкости формирование газовых снарядов в трубе большого диаметра не наблюдалось. Диаметр опытной трубы составлял d = 0.48 м.

Результаты экспериментального исследования режимов течения, газосодержания, скорости движения пузырей воздуха в снарядном режиме течения и потерь на трение при течении водо-воздушной смеси в капиллярных трубах с внутренним диаметром 1 - 4 мм приведены в обзоре [51].

Влияние обогрева канала на характеристики снарядной структуры изучалось в работе [52].

В [53 - 54] показано, что в пределах (0.1 - 3 МПа) у пароводяных адиабатных потоков не удалось обнаружить влияние давления на параметры снарядной структуры. Более того, делается вывод, что при сопоставимых условиях (по <(p>, UCM.) характеристики снарядного течения в адиабатных пароводяных потоках практически не отличаются от аналогичных в водо-воздушных потоках.

В [55] предложена новая модель эрлифтного движения, в которой перепад давления рассчитывается на основе комбинирования моделей снарядного и вспененного режимов течения. Модель позволяет анализировать двухфазные газожидкостные течения в трубах малого диаметра (до 40 мм) и большой относительной длины (до 250 калибров).

Анализ проблематики исследований снарядных потоков позволяет прийти к следующим заключениям.

1. Количество публикаций в мире по исследованию снарядных потоков постоянно нарастает, что является отражением технико-экономического значения и сложности физических процессов в этих потоках.

2. Резко расширилась проблематика исследований. Это связано как с многообразием технических приложений снарядных потоков, так и с повышением требований к точности расчетов, а значит и к глубине изучения процессов.

3. Акценты в исследованиях заметно сместились в сторону проработки элементов физических механизмов, изучения структур течения, распределения фаз в потоке, кинетики зародышеобразования фаз и т.п.

4. Ключевой характеристикой для описания снарядных потоков (так же как и всех других режимов ДФП) является среднее истинное газосодержание и распределение газосодержания по сечению канала.

Для развития теории ДФП и расчетных методов необходима новая экспериментальная информация о параметрах структуры снарядного потока и зависимости этих параметров от режимных характеристик. В отсутствие такой информации невозможно более глубокое понимание физических процессов, а значит, и повышение эффективности энергооборудования, надежности и безопасности его функционирования.

На основе сделанных выводов можно сформулировать комплекс проблем исследований в изучении снарядных течений:

1. Изучение пространственных и временных параметров снарядной структуры, связанных с её статистической природой и большой неравномерностью распределения фаз.

2. Исследование границ области существования снарядной структуры в зависимости от режимных факторов. Теоретическое обоснование их определения в расчетах для создания физически обоснованных моделей снарядного потока.

3. Изучение взаимодействия фаз на межфазной границе и на границе со стенкой.

Цель работы диссертанта.

В работе [53] на основании значительного числа экспериментов и их аналитической обработки предложена модель восходящего снарядного течения в вертикальном канале. Данное диссертационное исследование следует рассматривать как дальнейшее продолжение экспериментальной работы, проводимой в МИФИ, и её теоретическое обобщение. Основной целью работы являлось создание новой обобщающей физико-математической модели снарядного потока на основе экспериментального исследования структурных параметров снарядного восходящего течения. В частности, в ходе реализации цели работы необходимо решить следующие главные задачи:

• Установить зависимости пространственных и временных параметров снарядной структуры течения от режимных факторов в расширенной области изменения давлений, скоростей смеси и при различных диаметрах канала;

• Статистически проанализировать и физически обобщить в виде безразмерных зависимостей новые экспериментальные данные для исследованных пар жидкость-газ;

• Предложить теоретическую физико-математическую модель ДФП при снарядном режиме течения, дающую возможность единым комплексом уравнений связать все временные, пространственные, кинематические параметры снарядного потока в зависимости от режимных характеристик, и выработать практические рекомендации.

Комплекс исследований, посвященный решению этих задач, выполнялся в Московском инженерно-физическом институте в период 1992-2002 гг.

Основные результаты работы соответственно ходу исследований и изложению в диссертации следующие:

1. На основании физических принципов минимума количества движения и минимума энергии в потоке установлена теоретическая связь между пространственными и временными параметрами снарядной структуры.

2. Экспериментально получен новый материал по осредненным параметрам снарядного потока в зависимости их от режимных факторов в расширенном диапазоне изменения внутреннего диаметра канала, скорости смеси и давления в потоке. Данные по зависимостям структурных параметров от давления получены для пароводяного адиабатического потока.

Весь комплекс пространственных и временных параметров измерялся одновременно малоинерционной аппаратурой в условиях единичного эксперимента, когда четко соблюдался один и тот же режим, а именно: все режимные характеристики (паросодержание, скорость смеси, давление) сохранялись неизменными для всех параметров.

3. Установлены зависимости структурных параметров снарядного потока от: - внутреннего диаметра;

- скорости смеси;

- давления.

Показано, что характерные особенности и связи структурных параметров снарядного течения сохраняются при повышении давления, однако они количественно отличаются от параметров, полученных при низком давлении, поток при этом несколько гомогенизируется.

4. С учетом изученных физических закономерностей течения модернизирована существовавшая расчетно-теоретическая модель. Усовершенствованная модель позволяет вычислять важнейшие временные, пространственные и кинематические параметры снарядного потока в зависимости не только от таких режимных характеристик как паросодержание и скорость смеси, но и дополнительно от давления.

Научная новизна работы состоит в том, что при проведении экспериментов в условиях единичного опыта (фиксированные < ф>, UCM , давление р) одновременно измерялись все временные, пространственные, кинематические параметры одной из самых сложных структур двухфазных течений - снарядного потока. Усовершенствована расчетно-теоретическая модель, позволяющая вычислять весь набор параметров. Совокупность экспериментального материала и адекватно описывающей его расчетно-теоретической модели позволяют рассматривать выполненную работу как развитие перспективного научного направления исследований в теплофизике двухфазных потоков.

Практическая ценность и использование результатов работы. Полученные новые экспериментальные данные по структуре снарядного течения могут служить научной основой для планирования и проведения дальнейших исследований процесса совместного течения жидкости и газа.

Выполненные исследования раскрывают физические закономерности снарядного режима течения, который занимает практически весь диапазон изменения объёмных газосодержаний (0.2

0.8. Такое уточнение физических аспектов необходимо при моделировании структур потоков, а значит и для развития теории ДФП в целом.

Разработанная обобщенная физико-математическая модель снарядного течения представляется ценной для дальнейшего совершенствования расчетных описаний ДФП, обладающих временной и пространственной неравномерностью.

Предложенные практические расчетные рекомендации, необходимые для расчета теплогидравлических характеристик, будут полезными для проектных организаций при разработке и анализе работы функционирующих современных теплонапряженных энергетических установок в плане их эффективности, надежности и безопасности.

Новые экспериментальные данные по структуре снарядного течения, возможно, являются также необходимым экспериментальным материалом для разработки физически обоснованных моделей теплообмена и его кризиса при кипении, гидравлического сопротивления, истинного паросодержания. Автор защищает.

1. Экспериментальные данные по усредненным пространственным и временным параметрам восходящего снарядного потока.

2. Обобщенную расчетно-теоретическую модель снарядного потока и вытекающие из неё практические расчетные рекомендации.

Апробация работ.

Результаты работ докладывались на институтских научных конференциях в МИФИ (2001, 2002 г.г.), на второй Российской национальной конференции по теплообмену (1998 г.).

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, и одна статья находится в печати.

5.3. Выводы:

1. Установлено, что ранее предложенная модель (см. 1.3) структуры снарядного течения может быть использована при скоростях смеси до

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью данной диссертационной работы было экспериментальное исследование параметров снарядной структуры, анализ зависимостей структурных параметров от режимных характеристик и разработка обобщенной физико-математической модели снарядного течения.

На основе проведенных экспериментов и их изучения можно сделать следующие выводы:

1. Для получения новых данных по параметрам структуры снарядного течения проведены эксперименты в таком диапазоне изменения режимных характеристик, где ранее экспериментальная информация отсутствовала. А именно исследована область давлений до 7 МПа, скоростей смеси до 10 м/с и в диапазоне от 18 до 38 мм изучено влияние изменения внутреннего диаметра канала.

2. Выведены аналитические выражения для главного структурного параметра (доли времени следования снарядов). Эти выражения позволяют подойти к определению величины исходя из принципов минимума количества движения или минимума энергии в снарядном потоке.

При проверке соответствия указанных соотношений экспериментальным данным получено, что для моделирования структуры снарядного потока предпочтительнее исходить из принципа минимума энергии по сравнению с принципом минимума количества движения. На основе вычислений при фиксированном задании величин максимального и минимального паросодержаний в потоке установлено, что полученная зависимость доли времени следования снарядов от паросодержания не вполне адекватна экспериментальной зависимости. Несоответствие наиболее заметно при низких давлениях.

3. Исходя из экспериментальной связи между параметром ¥ и паросодержанием, получено уравнение, описывающее связь между пространственными структурными параметрами. Для вывода такого уравнения полагается возможным использование в снарядных потоках предложенного выше (в п.З) аналитического соотношения для величины

4. Структурные параметры и (1-¥) являются статистическими весами в снарядном потоке кольцевой и пузырьковой структур соответственно. Они определяют весовые вклады указанных структур в общее истинное осредненное паросодержание потока. Предложена так же трактовка величины ¥ как неопределяющего безразмерного критерия Струхаля, составленного из истинной средней скорости газа, длины снаряда и частоты следования снарядов: sSh = fl^7u2cH

5. Полученные новые экспериментальные данные позволили получить информацию о зависимости параметров структуры снарядного течения от внутреннего диаметра канала. Установлено, что в диапазоне диаметров (18 - 38) мм безразмерные структурные параметры <фсн>,

- 10„ f • d ф >, —, -) от диаметра не зависят; а, соответственно, средняя d UCM длина снарядов (1сн) оказалась линейно зависящей от внутреннего диаметра трубы (d), а частота следования снарядов (f) обратно пропорциональна d. Это априорно предсказывалось аналитической моделью снарядного течения, разработанной ранее для меньшего интервала изменения внутренних диаметров канала.

6. Новые экспериментальные данные дали возможность исследовать влияние давления на параметры структуры снарядного течения. Показано, что в дополнительном по отношению к ранее исследованному [(0.2 - 3) МПа] диапазоне давлений (3 - 7) МПа параметры снарядной структуры пароводяного потока начинают заметно меняться с увеличением давления. Была зафиксирована тенденция к некоторой гомогенизации структуры потока, заключающаяся в том, что в конкретном сечении (контрольный объем датчика) различие величин минимального (в пузырьковых пробках жидкости) и максимального (в кольцевой структуре снарядов) паросодержаний становится менее выраженными. При этом такое сближение происходит за счет возрастания меньшего паросодержания <фдр>, а большее паросодержание <ФСН> остается практически неизменным.

7. Новые экспериментальные данные позволили также исследовать влияние скорости смеси на структуру снарядного течения. Показано, что параметры снарядной структуры при больших скоростях смеси (до 10 м/с) могут быть описаны соотношениями, полученными ранее [68] для интервала меньших скоростей смеси. Вырождения снарядного режима в указанном интервале скоростей обнаружено не было. Была выявлена лишь тенденция к такому вырождению, выражающаяся в некоторой гомогенизации структуры потока, а именно: наблюдающиеся в потоке наименьшее (<Фпр>) и наибольшее (< фсн>) значения истинного объемного паросодержания несколько сближаются. При этом не только снижается большее паросодержание <фсн>, но и растет меньшее паросодержание фпр>. Однако все характерные временные и пространственные неоднородности снарядной структуры полностью сохраняются.

8. В настоящей работе были сопоставлены изменения структуры потока, связанные либо с обогревом, либо с увеличением скорости смеси или давления. Под влиянием этих факторов структура потока проявляет тенденцию к гомогенизации (т.е. к сближению реализуемых в потоке мгновенных паросодержаний), а также растет частота следования снарядов. Однако при этом воздействие этих режимных факторов на другие параметры оказывается неодинаковым. Например, величина доли времени следования снарядов с ростом значения скорости смеси увеличивается, а с ростом давления несколько уменьшается.

97

9. С целью физического обобщения экспериментальных данных для различных исследованных пар жидкость-газ предложены безразмерные зависимости пространственных и временных параметров структуры от режимных характеристик потока. Для пароводяных потоков представлены размерные соотношения - более удобные для практических расчетов.

10. С учетом новых экспериментальных данных, полученных в более широком диапазоне изменения режимных характеристик (р, UCM), и на основе опытов с различными внутренними диаметрами каналов усовершенствована теоретическая модель структуры снарядного течения. Расчеты по усовершенствованной модели сопоставлены с экспериментом, получено удовлетворительное соответствие.

11. Представленные экспериментальные данные, результаты анализов и расчетные соотношения могут быть полезны для: а) дальнейшего углубления исследований снарядных течений; б) оценки параметров колебаний теплогидравлических характеристик в снарядных течениях; в) расчета теплоотдачи и кризиса теплоотдачи в снарядном потоке; г) оценки термоциклических механических напряжений в стенках теплоотдающих каналов.

1. Делайе Дж., Гио М., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков в атомной и тепловой энергетике. М.: Энергоатоииздат, 1984.

2. Ishii М. Thermo-fluid dynamic theory of two-phase flow. Paris: Eyrolles, 1975.

3. Rouchani S.Z., Sohal M.S. Two-phase flow patterns: a review of research results// Progress in Nuclear Energy. 1983 11, №3 - p.219-259.

4. Mishima K., Nishihara H. Methods for determining flow regimes in gas-liquid two-phase flow// Annu.Rep.Res. Reactor Inst. Kyoto Univ. 1984 — №17 p.61-93.

5. Dueler A.E., Taitel Y. Flow pattern transitions in gas-liquid systems: measurement and technology. HPC, 1986 v.2 - p. 1-94.

6. Barnea D. A unified model for predicting flow pattern transitions for the whole range of pipe inclinations.// Int.J.Multiphase Flow 1987 - 13, №1 -p.1-12.

7. Bando Y., Kuraishi M. Flow characteristics in bubble columns with cocurrent upflow, countercurrent flow, and cocurrent downflow// Кагаку когаку ромбунсю. 1985 11, №6. - p.738-742.

8. Taitel Y., Barnea D. Counter current gas-liquid vertical flow model for flow pattern and pressure drop// Int.J.Multiphase Flow 1983 - 9, №6 -p.637 - 647.

9. Yamaguchi K., Yamazaki Y. Combinated flow pattern map for cocurrent and counter current air-water flows in vertical tube// J. of Nuclear Science and Technology 1984 -21, №5 -p.321 - 327.

10. Crawford T.J., Veinberger C.B., Weisman J. Two-phase flow patterns and void fractions in downward flow. Part 1: steady-state flow patterns// Int.J.Multiphase Flow 1985 - 11, №6 - p.761 - 782.

11. Crawford T.J., Veinberger C.B., Weisman J. Two-phase flow patterns andvoid fractions in downward flow. Part 2: void fractions and transient flow patterns// Int.J.Multiphase Flow 1986 - 12, №2 - p.219 - 236.

12. Experiments on flow characterisation in vertical downward two- phase flow.//Kendoush Abdullah Abbas, Al-Khatab Salah A.W. // Exp. Therm, and Fluid Sci. -1994 №9 - p.34 - 38.

13. Mishima K., Ishii M. Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical tubes. // IntJ. Heat and Mass Transfer 1984 - 27, №5 -p.723 -737.

14. Bilicki Z., Kestin J. Transition criteria for two-phase flow patterns in vertical upward flows.// Int.J.Multiphase Flow 1985 - 11, №2 - p. 161 -175.

15. Flow regime identification in cryogenic gas- liquid flow through vertical tubs./ Das R.K., Pattanayak S.L./Cryogenics 1995 - 35, № 6 - p.393 -398.

16. Bubble to slug flow transition in vertical upward two-phase flow of cryogenic fluids./ Das R., Pattanayak S.L./Cryogenics 1995 - 35, № 7 -p.421-426.

17. Gas liquid pipe flow under microgravity conditions: influence of tube diameter on flow patterns and pressure drops. //Adv. Space Res. - 1995 -16, №7 -p. 137-142.

18. Weber number based flow-pattern maps for liquid gas flows at microgravity. /Rezkallah K.S.// Int.J.Multiphase Flow - 1996 - 22, №6 -p.1265-1270.

19. Gas liquid flow patterns in microgravity: Effects of tube diameter, liquid viscosity and surface tension. /Bousman W.S., McQuillen J.В., Witter L.C./ IntJ.Multiphase Flow - 1996 - 22, №6 - p.1035-1053.

20. Резкалла К.С., Симе Г.Э. Новые результаты исследования теплопередачи и гидродинамики двухфазного двухкомпонентного потока в вертикальной трубке. Л: Наука, 1987.

21. Структура потока при течении вскипающих жидкостей в коротких каналах/ Накорчевский А.И., Басок Б.И., Гаскевич И.В.//Пром.теплотехн. 1993 - 15, №3 - с.38-45.

22. Stability of annular flow and slugging. / Joseph D. D., Bannwart A.C., Liu V.J.// Int.J.Multiphase Flow 1996 - 22, №6 - p.1247 - 1254.

23. Bubble to slug flow transition in vertical upward two-phase flow through narrow tubes./ Das R.K., Pattanayak S.L./ Chem.Eng.Sci. 1994 - 49, № 13 -p.2163 -2172.

24. Velocity of long bubbles in oscillating vertical pipes/ Brannock D., Kubie J.// Int.J.Multiphase Flow- 1996 22, №5 - p.1031 - 1034.

25. Taitel Y. Stability of severe slugging// IntJ.Multiphase Flow 1986 - 12 -p.203-217.

26. Velocity distribution in horizontal slug flow/ Kvernvold O. et al.// Int.J. Multiphase Flow 1984 - 10, №4 - p.441 - 457.

27. Cercignani C., Battara V. A mathematical model for slug frequency// Int. Conf. Phys. Modell. Multiphase Flow, Coventry, Apr. 1983, Cranfild, 1983. p.159- 168.

28. Ferschneider G. Ecoulexents gaz liquide a poches et bouchons dans les conduits de section circulaire: These, a l'institut national polytechnique de Toulouse. 1982. 205 p.

29. Mishima K., Ishii M. Theoretical prediction of onset of horizontal slug flow.// Trans.ASME: Journal of Fluids Engineering -1980 -102, №4 -p.441 -445.

30. Теоретическое исследование структуры двухфазного потока в случае одномерного периодического движения./ Волошинов А.Д. и др.// Аэродинамика: сб. Саратовского университета. 1983, №9/12, с.98 -105.

31. Маркович Э.Э. Структура и динамика пробковых потоков// Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации: матер. Всес. конф., Рига, 1986. т.4, ч.1, с.98 107.

32. Маркович Э.Э. Модель нестационарного пробкового течения// Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках. Харьков, 1984, в.6, с.34-41.

33. Correlations or characteristic parameters with reference to horizontal gas -liquid transient slug flow// Tr.JSME-1984 -350, №460 p.3199 - 3202.

34. Impact force by transient liquid slug flowing out of horizontal pipes/ Sakaguchi Т., Osawa M. et a 1// Tr. JSME-1985 -351, №465 p. 1648 -1659.

35. Osawa M., Hamaguchi N., Sakaguchi T. Gas liquid two - phase transient slug flow modeling//Mem. Fac. Eng. Kobe Univ. 1985, №32, p. 1-23.

36. Osawa M., Sakaguchi T. Note on modeling of transient slug flow system//Mem. Fac. Eng. Kobe Univ. 1985, №32, p. 25-44.

37. Modeling of two phase slug flow/ Fabre J., Line A.// Annu. Rev. Fluid Mech. Vol.24 Palo Alto (Calif), 1992 - p.21 - 46.

38. An experimental study on a steam water single slug in a adiabatic vertical pipe/Fujita N. et al// Tr. JSME-1986 -352, №481 - p.3278 -3281.

39. Моделирование движения парового пузыря в трубке в восходящем потоке жидкости./ Волков П.К.//Изв. АН Мех. жидкости и газа 1994 - №4 - с.76-78.

40. Анализ сил и напряжений в пристенной области при движении двухфазного потока./Безносов А.В., Замятин С. А., Ремизов Ю.Ю.//Изв.вузов. Ядер.энерг. -1998,-№4 с.60-63.

41. Nacoryakov V.E., Kashinsky O.N. Local characteristics of upward gas -liquid flows.// Int.J.Multiphase Flow 1981 - 7, №1 - p.63 - 81.

42. Электродиффузионный метод исследования локальной структуры турбулентных течений/ Накоряков В.Е., Бурдуков А.П., Кашинский

43. ОН., Гешев П.И. СО АН СССР, Институт теплофизики, Новосибирск, 1986, 247 с.

44. Нестационарные процессы в двухфазных потоках. Под ред. к.т.н. Кашинского О.Н. СО АН СССР, Институт теплофизики, Новосибирск, 1986.

45. Фокин Б.С., Аксельрод А.Ф. Расчет переменных гидродинамических сил в стабилизированном двухфазном потоке// Повышение эффективности теплообмена в энергетическом оборудовании. JL, 1981,с.42-52.

46. Fucano Т., Sekoguchi К., Matsumura К. Transient behavior of a gas slug. 1-st report. On an ascending gas slug with rapid growth// Bull. JSME-1980 -23, №180 p.918 - 925.

47. Characterisation of subregimes in two-phase slug flow./Paglianty A., Giona M., Soldati A.// Int.J.Multiphase Flow 1996 - 22, №4 - p.783 -796

48. Upward vertical two-phase flow through an annulus. Part 1. Single-phase friction factor, tailor bubble rise velocity, and flow pattern prediction./Caetano E.F., Shoham О.// Trans.ASME.J.Energy Resour. Technol -1992 -114, №1 -p.l 13.

49. Upward vertical two-phase flow through an annulus. Part II. Modeling bubble, slug and annular flow./Caetano E.F., Shoham O., Brill J.P.// Trans.ASME.J.Energy Resour. Technol -1992 114, №1 - p. 14 - 30.

50. An experimental study on developing air-water two-phase flow along a large vertical pipe: Effect of air injection method/ Olrnuki A., Akimoto H.// Int.J.Multiphase Flow 1996 - 22, №6 - p.l 143 - 1154.

51. Some characteristics of air-water two-phase flow in small diameter vertical tubes./ Mishima K., Hibiki T.// Int.J.Multiphase Flow 1996 - 22, №4 -p.703 - 712.

52. В.И.Субботин, Ю.Е.Похвалов. Влияние обогрева на структуру снарядного пароводяного потока в трубе. //Теплоэнергетика. 1983,7, с.48-51.

53. Похвалов Ю.Е. Структурные характеристики снарядного и пузырькового восходящих потоков. Дис.доктора техн.наук. М., 1988.

54. Похвалов Ю.Е., Обручкова JI.P. Параметрическое описание и статистические параметры двухфазного снарядного потока.//Теплоэнергетика, 1997, №6, с.69-75.

55. A slug churn flow model for small diameter airlift pumps./ Cachard F. de., Delhaye J.M.// Int.J.Multiphase Flow - 1996 - 22, №4 - p.627 - 649.

56. Резистивный и емкостной методы измерения паросодержания/ В.И.Субботин, Ю.Е.Похвалов, Л.Е.Михайлов и др.//Теплоэнергетика. 1974. №6. с.63-68.

57. Временные и структурные характеристики газожидкостного потока при снарядном течении/В.И.Субботин, Ю.Е.Похвалов, Л.Е.Михайлов и др.//Теплоэнергетика. 1976. № 1. с.67-70.

58. Ю.Е.Похвалов, В.И.Субботин. Статистические параметры снарядного двухфазного течения//Теплоэнергетика. 1988. № 2. с.28-33.

59. Зависимость статистических распределений параметров структуры снарядного газожидкостного потока от скорости смеси. О.В.Андрианова, А.Н.Олехнович, Ю.Е.Похвалов и др. Газожидкостные течения. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР. 1990. с.66-75.

60. Fernandes R.C., Semiat R., Dueler A.E. Hydrodynamic model for gas-liquid slug flow in vertical tubes//AIOLE Journal. 1983. v.29. No 6. p.981-989.

61. Jones O.C. Two-phase flow measurement techniques in gas-liquid systems//Fluid Mechanics Measurements. HPS, 1983, ch. 10. p.479-558.

62. Handbook of Multiphase Systems// Ed. C. Hetsroni. HPS, 1982, ch. 10. p.101-112.

63. Электрофизические методы исследования свойств теплоносителей/ Б.П.Голубев, С.Н.Смирнов, Ю.М.Лукашев, Е.П.Свистунов. М.: Энергоатомиздат, 1985.

64. Measuring techniques in gas-liquid two-phase flows// Ed. J.M.Delhaye, C.Cognet. 1984.

65. Субботин В.И., Похвалов Ю.Е., Леонов В.А. Измерение истинного объемного паросодержания в потоке прибором, основанном на резистивном методе.// Теплоэнергетика, 1977, №9, с.68-70.

66. К расчету газосодержания смесей при пузырьковом течении по данным измерения резистивным и емкостным методами/В.И.Субботин, Ю.Е.Похвалов, Л.Е.Михайлов и др.//Теплоэнергетика. 1975. № 4. с.67-75.

67. Ю.Е.Похвалов, А.И.Каблин. Измерение вероятностного локального паросодержания в трубе. //Теплоэнергетика. 1981. № 7. с.44-48.

68. Похвалов Ю.Е., Обручкова Л.Р. Модель восходящего снарядного течения в вертикальном канале. //Теплоэнергетика, 1998, №2, с.60-67.

69. В.И.Субботин, Ю.Е.Похвалов, В.А.Леонов. Структура снарядного пароводяного потока//Теплоэнергетика. 1977. № 7. с.65-67.

70. Влияние нестационарности двухфазного потока на гидравлические характеристики парогенерирующих каналов/ Андреев П.А., Алферов Н.С., Фокин Б.С., Гольдберг Е.Н./Труды ЦКТИ, 1976. № 139. с.3-28.

71. Зубер, Финдлей. Средняя объёмная концентрация фаз в системах с двухфазным потоком// Труды Американского общества инженеров-механиков. Теплопередача. 1965. №4. с. 29-47

72. Движение газожидкостных смесей в трубах/ Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В. и др. М. Недра, 1978.

73. Delhaye J.M. Two-phase flow patterns// Two-phase flow and heat-transfer in the power and process industries. HPC, 1981, ch.l, p. 1-39.

74. Weisman J., Kang S.Y. Flow pattern transitions in vertical and upwardly inclined lines. // Int.J.Multiphase Flow 1981 - 7, №3 - p.271 - 291.

75. Похвалов Ю.Е., Обручкова JI.P. Структурные параметры снарядного восходящего потока в трубах различного диаметра. //Теплоэнергетика, 1998, №12, с. 69-71.

76. Похвалов Ю.Е., Обручкова JI.P. Влияние давления на структурные параметры снарядного восходящего пароводяного потока в трубе. // Теплоэнергетика, 2001, № 3, с.49-52.

77. Matsui G. Automatic identification of flow regimes in vertical two-phase flow using differential pressure fluctuations // Nucl. Eng. and Design. 1986. v.95. p.221-231.

78. Spectral analysis of wall pressure fluctuations in turbulent two-phase flow./ Sami S.M., Lakis A.A.// J. Acoust. Soc. Amer. 1986 - 80, №5 -p. 1392 -1403.

79. Detection of slug flow from pressure measurements./ Lin P.Y., Hanratty T.J.// Int.J.Multiphase Flow 1987 - 13, №1 - p.13-21.

80. The bubble slug flow pattern transition and instabilities of void fraction waves./ Matuszkiewicz A., Flamand J.C., Boure' J.A.// IntJ.Multiphase Flow - 1987 - 13, №2 - p. 199-217.

81. Void signal analysis and gas-liquid two-phase flow regime determination by a statistical pattern recognition method./ Secoguchi K., Inoue K., ImasakaT.// JSME Int.J. 1987 - 30, №266 - p. 1266-1273.

82. Taitel Y., Barnea D., Dueler A.E. Modelling flow pattern transitions for steady upward gas-liquid flow in vertical tubes.// AIChE Journal, 1980 -26, №3 p.345-354.