Турбулентная структура пузырьковых газожидкостных течений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

РГ5 ОД

5»ПО На правах рукописи

Aili UíwO УДК 532.529.5

Рандин Вячеслав Валерьевич

ТУРБУЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА ПУЗЫРЬКОВЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ

ТЕЧЕНИЙ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1993

Работа выполнена в Институте теплофизик СО РАН

Научный руководитель - Кандидат технических наук

О.Н.Каипшсккй

Официальные оппоненты -' _ доктор технических наук М.И.Шиляев

кандидат физико-математических наук В.М.Ханин

Ведущая организация - Институт катализа СО РАН,

т.Новосибирск

Защита состоится 1993 т. в 3 часов

на заседании специализированного совета К 002.65.01 при Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, г.Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан " " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор технических наук " В.Н.Ярыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Газожмдкостиые течения встречаются в целом ряде промышленных установок в химической и микробиологической промышленности, в энергетике, а также при совместном сборе и транспорте нефти и газа.

Проблема надежного проектирования оборудования ставит задачу создания методов расчета газожидкостных потоков, имеющих высокую точность и достоверность. Несмотря на большое количество работ, посвященных этому вопросу, в настоящее время не существует надежных методов расчета двухфазных течений.

Существующие общепринятые полуэмпирические методы расчета двухфазных потоков: Арманда, Локкарта-Мартинелли, ВТИ-ЦКТИ и др. являются весьма приближенными и не отражают многообразия процессов в двухфазных потоках. Появившиеся в последнее время новые методы расчета (Зуна, Серизавы, Лахи, Вейерлейна л др.) еще далеки от завершенности, поскольку они требуют обширной эмпирической информации о структуре двухфазных течений. В этих условиях решающее значение приобретает экспериментальное исследование локальной структуры газожидкостных потоков в широком диапазоне параметров и при различных режимах течения.

Цслг» работа. Комплексные экспериментальные исследования локального газосодержания, локальных средних и пульсационных компонент скорости жидкости н трения на стенке в опускном пузырьковом течении в вертикальной трубе. Экспериментальное исследование относительной скорости газовой фазы и пространственных продольных и поперечных корреляций пульсаций трения в восходящем пузырьковом потоке.

Методика ЗЕСпернккггагьнпх ЕсагедоваЕзй. Исследования проведены с помощью электродиффузионного метода. В качестве вспомогательного использовался метод стробоскопической визуализации.

Научная нокнзпа. Проведены комплексные экспериментальные исследования локального газосодержания, локальных средних и пульсационных компонент скорости жидкости и трения на стенке в опускном пузырьковом потоке в вертикальной трубе в развитом турбулентном режиме течения. Впервые проведено подробное экспериментальное исследование относительной скорости газовой фазы в восходящем пузырьковом потоке. Впервые получены экспериментальные результаты по поведению пространственных продольных и поперечных корреляций пульсаций трення в восходящем пузырысовом потоке. Агггср зггцзпгаот:

1. Результаты экспериментального исследования локальных средних и пульсационных характеристик опускного пузырькового потока в вертикальной трубе в развитом турбулентном ре:хш« течения.

2. Новые экспериментальные результаты исследовашя скорости скольжения и пространственных корреляций пульсаций трения в восходящем пузырьковом течении.

Практическая ценность. Анализ экспериментальных данных позволяет создать реальную физическую картину вертикального пузырькового течения и может служить основой новых моделей расчета таких течений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых (ИТ СО РАН Новосибирск 1987, 1988 г.); на I Всесоюзной научно-технической конференции "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков" (Алушта 1988 г.); на 10 международном конгрессе СШБА'ЭО (Прага 1990 г.); на VIII Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград 1990 г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. О&ьеи работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы. Работа содержит 44 рисунка, библиография 66 наименований; общий объем диссертации 96 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введевии обосновавается актуальность выбранной темы, формулируется задача и цель исследований. Показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе приводится обзор теоретических и экспериментальных исследований гидродинамики пузырьковых газожидкостных течений, а также методов их диагностики. В современных расчетных моделях пузырьковых потоков используется эмпирическая информация о гидродинамической структуре течения (распределение локального газосодержания по сечению канала, трение на стснке). Большинство исследователей используют гипотезу Сато, Секогучи о турбулентности жидкости, наведенной относительным движением пузырей, и се влиянии на собственную турбулентность жидкости. Такие модели с удовлетворительной точностью описывают профили скорости жидкости развитых турбулентных течений в ядре потока, в пристенной области имеет место существенное расхождение расчетных и экспериментальных зависимостей. Модели, описывающие профили локального газосодержания, ограничиваются в основном случаем малых расходных газосодсржаний, когда отсутсвует коалесценция и дробление пузырей, а профиль скорости жидкости незначительно деформируется присутствием газовой фазы и его можно считать равным турбулентному однофазному.

Далее приводится сравнительное описание экспериментальных методик измерения локальных гидродинамических характеристик двухфазных потоков -

метода электропроводности, термоанемомстрии, метода оптачсс кого зонда, лазерного допплеровского метода, электрохимического метода.

Третий параграф первой главы посвящен обзору экспериментальных результатов исследования гидродинамики пузырьковых потоков. Отмечается, что выполненные ранее работы (например Осиново и Чарльза, Галчева Б.Г.) характеризуются в основном недостаточно подробным опнса}шем пристенной области течения, которая существенно влияет на процессы турбулентного переноса. В литературе отсутствуют также систематические и подробные экспериментальные данные по опускному пузырьковому течению, которое из-за своей симметричности наиболее привлекательно при построении теоретических моделей.

Вторая глава посвящена описанию методики измерений, экспериментальной установки и измерительной аппаратуры. Вначале дается краткое описание электрохимического метода исследования гидродинамических характеристик двухфазных потоков, основанного на измерении скорости диффузии активных ионов к поверхности электрода-датчика. Приводятся преимущества данного метода перед традиционными и его ограничения.

Далее следует описание экспериментальной установки - замкнутого по жидкости двухфазного контура, имеющего вертикальный рабочий канал -оргстеклянную трубу внутренним диаметром 42.2 мм и длиной 5.5 м. Эксперименты проводились в диапазоне приведенных скоростей жидкости 0.5^1.0 м/с и объемных расходных газосодержаний 0.02т 0.16, при среднем диаметре пузырей газа 0.9 и 1.5 мм. Трение на стенке измерялось в двух сечениях трубы, отстоящих от места ввода газа на расстоянии 3.7 и 5 м. Участок для измерения скорости располагался на расстоянии 5.2 м от входа канала.

Измерения проводились электрохимическим методом. В каждом блоке для измерения трения было установлено по 8 больших (1x0.1мм) и 8 маленьких (0.2x0.02мм) датчиков трения, распределенных равномерно по периметру канала. Для измерения скорости использовался датчик типа "лобовая точка" диаметром 0.05 мм на рабочем торце. Сигналы датчиков через усилители и коммутаторы подавались на аналого-цифровой "преобразователь и далее в ЭВМ "Электроника-60".

В третьей главе описываются результаты экспериментального исследования опускного спутного газожидкостного пузырькового потока в развитом турбулентном режиме течения. Напряжение трения на стенке в таком течении выше, чем в однофазном потоке (рисЛ). Превышение трения в двухфазном потоке т. над трением в однофазном т0 увеличивается с ростом объемного расходного газосодсржания р. Зависимость т„/т0 от р существенно отклоняется от известной формулы Арманда:

4

3

д.-3.0 ми <За- 1.5 ми

О- о - 03 и/с - С д - 5 - 0.75 и/с - Л О- - Н

О- Е- 125 к/с - 4.

(1- 0.833Р) Опюшсшс становится меньше с

уменьшением диаметра газовых пузырей, причем эта разница становится менее заметой при увеличении приведенной скорости згащкости. По-видимому, при дальнейшем увеличении скорости жидкости зависимость т„/т0 от (5 примет вид зависимости Арманда.

Значения среднего по периметру трения, измеренные в различных сечениях, отстоящих друг от друга на расстоянии 1.325 м, совпадают с о 0.С5 0.1 0.35 0.2 0.25 03 £ точностью 5%, что позволяет сделать Рис.1. Трсниа на стеши в опустоши вывод о стабилизации течения. газозшдкосюам течении.

Дальнейшие изменения характеристик потока могут происходить только за счет изменения диаметра газовых пузырей вследствие изменения давления по длине трубы.

Проведено сравнение измеренных значений трения с расчетными по методике работы Кларка и Флеммера. Прогсденные расчеты обнаружили совпадение с экспериментальными даюнгми с точностью 15%.

Пульсации трения на стенке в ,—- _ двухфазном пузырьковом течении * ниже, чем в однофазном потоке (рис.2). С увеличением приведенной скорости газовой фазы относительная величина пулсаций уменьшается. Этот эффект проявляется заметнее при меньшей скорости жидкости. С увеличением приведенной скорости защкостн проявляется тенденция к

независимости интенсивности

пульсаций от величины

газосодерхания.

об

0.35

0.3

0.25

0.2

д □

и (к/с) о Д -1.0 "□ - 0.75 О - 0-5

А

а

о

йа = 1.6 ын

I I

0

4

6 8 и г (см/с)

Рне.2. Пульсации тренкя в опускном газсшкЕоатном тетании.

Исследования спектральных характеристик пульсаций трения в однофазном и двухфазном течении показали, что спектральная плотность пульсаций, построенная в безразмерных координатах, в двухфазном и однофазном потоке

почта не отличается и мало зависит от газосодержашм. Спектральные кривые имеют одинаковый наклон, не обнаруживают резких пиков, что говорит об отсутствии в потоке выделенных частот. На частоте 500 Гц спектральная плотность сигнала становится сравнимой со спектральной плотностью шумов.

Характерной отличительной чертой опускного пузырькового течения является наличие у стенза! трубы области чистой жидкости, свободной от пузырей газа. Газ собирается в центральной части трубы, газосодержание там практически постоянно по сечению. Падение значения газосодержзния от величины в ядре потока до нуля у стенки происходит в довольно узкой области. Толщина пристенного слоя чистой жидкости может доходить до нескольких миллиметров и зависит от ряда факторов: Так, например, при уменьшении объемного расходного газосодержания толщина пристенного слоя увеличивается, а с уменьшением диаметра пузырей газа - уменьшается.

Для проверки правильности измерения газосодержания производилось измерение перепада давления по длине трубы л сравните рассчитанного из него 'газосодержания с измеренным. В двухфазном потоке перепад давления складывается из потерь на трение и веса газожидкостного столба. Таким образом, при известном трении на стенке, зная перепад давления, можно найти значение газосодержания. Величину газосодержания можно рассчитать также по эмпирической корреляции Уоллиса. Значения истинного газосодержания <р, полученные этими способами, сравнивались с экспериментальными данными, полученными из осреднения профиля локального газосодержания. Наблюдалось хорошее соответствие между величинами, полученными тремя различными способами. Это подтверждает корректность выбранной методики измерения локального газосодержания и удовлетворительную работу датчика.

Профили скорости жидкости в газожидкостном потоке являются более заполненными по сравнению с турбулентными однофазными. С ростом расходного газосодержания отлична профиля от однофазного увеличивается. Грациенг скорости на стенке достаточно хорошо соответствует значению напряжения трения. В ядре потока скорость жидкости примерно постоянна (при значениях р >0.04), так что можно считать, что в центральной части трубы газожидкоепшй поток движется как единое целое в виде цельного газожидкостного столба. При постоянном значении газосодержакия уменьшение приведенной скорости жидкости приводит к более заполненным профилям локальной средней скорости жидкости. При увеличении газосодержания профили скорости жидкости приближаются к ударным.

Пульсации скорости жидкости в пристенной зоне двухфазного потока нияее, чем в однофазном течении и уменьшаются с ростом расходного газосодержания. В ядре потока интенсивность пульсашш не спадает к центру трубы, как в однофазном течении, а принимает постоянное значение, зависящее от

газосодержания и приведенной скорости жидкости. Увеличение скорости жидкости приводит к уменьшению интенсивности пульсаций, а увеличение газосодержания ведет к усилению пульсаций в ядре потока. В пристенной области течения картина иная. С ростом скорости жидкости интенсивность пульсаций увеличивается, V увеличение газосодержания влечет за собой уменьшение пульсаций. Увеличение диаметра пузырей газа не оказывает заметного влияния на характер пульсаций скорости жидкости в пристенной области, хотя приводит к некоторому усилению пульсаций в ядре потока.

Профили скорости жидкости, построенные в универсальных полулогарифмических координатах, достаточно хорошо соответствуют "закону стенки" для однофазного течения (рис.3). Отклонение наблюдается в центре канала, оно, очевидно, связано с изменением знака производной скорости по радиусу, вызванным .. деформацией профиля скорости присутствием пузырей газа. Причем отклонение тег»! больше, чем больше величина газосодержшия. В чстЕгртон главе приведены результаты измерения скорости скольжения и пространственных корреляций пульсаций трения в восходящем пузырьковом течении.

В настоящей работе для измерения скоростей фаз испсшьзовалься двойной электрохимический датчик, состоящий из двух датчиков типа "лобовая точка", чувствительные элементы которых были смещены вдоль оси трубы. Первый датчик работал одновременно в режиме электрохимического датчика скорости и датчика электропроводности. Второй датчик использовался только как датчик электропроводности. Показания электрохимического датчика зависят от скорости жидкости и следят за пульсациями скорости, тогда как сигнал датчика электропроводности имеет два фиксированных значения, соответствующих нахождению датчика в жидкой или газовой фазе. Малые геометрические размеры датчиков (0.04 4-0.05 мм) давали возможность провести измерения в непосредственной близости стенки.

При обработке результатов применялась методика, аналогичная методике многоканального анализатора, использованная в работах Делэ и Гзлопа. Можно выделить три случая прохождения пузырей через сдвоенный датчик:

а) пузырь накалывается на оба датчика, и в то время, пока он движется между датчиками, на второй датчик не накалываются другие пузыри; сигналы "старт" и "стоп" генерируются одним и тем же пузырем;

б) пузырь, наколовшийся на первый датчик, не приходит на второй датчик; в этом случае через определенное время задержки формирователь длительности выключается прямоугольным импульсом отрицательной полярности, аналогичным по форме сигналу второго датчика, после чего формирователь готов к приему нового сигнала;

в) до того как пузырь, наколовшийся на первый датчик, достигнет второго датчика, другой пузырь накалывается на второй датчик.

Истинную информацию о скорости газовой фазы представляет только первый случай, два других дают ложные сигналы. Далее численно определялась гистограмма распределения пузырей по скоростям. В каждой точке проводился анализ 4000 прохождений пузырей через датчик. По описанной выше методике отбирались 25004- 3000 измерений, которые учитывались при определении скорости газовой фазы. Время измерения в одной точке сечения канала составляло в зависимости от локального газосодержания 1(к40 минут.

Измерения проводились в восходящем пузырьковом течении в трубе диаметром 42.2 мм. Измерительный участок был установлен на расстоянии 4.5 м от места ввода газа. Средний размер пузырен газа в измерительном сечении был раиен 2 мм. Для проверки правильности методики фотографировали поток при освещении его двумя импульсными лзмпами с заданным интервалом между вспышками. Затем по фотографиям определялась скорость пузырьков газа. Скорости Тазовой фазы, измеренные таким образом, совпадали с результатами измерений двойным датчиком в пределах ±5%.

Измерения показали, что относительная скорость пузырей газа в общем случае зависит от положения точки измерения (рис.4). Вдали от стенки скорость скольжения примерло постоянна и соответствует скорости всплытия 0.1 пузырей в свободном объеме. В то же время пузыри, находящиеся в пристенном слое, в q.O целом имеют меньшую относительную скорость, которая к тому асе существенно q j зависит от приведенной скорости жидкости. 0.5 1.0 п(м/с)

При увеличении скорости жидкости Рис.4. Скорость сиодьзеяшя относительная скорость может принимать (1-ягро псторсз, сбласть).

отрицательные значения. Следует отметить, что относительная скорость определялась как разность скорости пузырей и скорости жидкости в точке, координата которой совпадает с центром пузыря. Относительно этой точки пузырь

о

о

о- 1

д- 2

. . . 1 .

имеет отрицательную скорость скольжения. По отношению к точкам, расположенным, ближе к егтенке, чем центр пузыря, скорость скольжения положительна.

Эффект уменьшения относительной скорости пузырей газа вблизи стенки был качественно описан в работе Сато, Секогучи, однако количественной информации в этой работе нет. Данный эффект подтверждается также теоретическими исследованиями в работах Похвалова, Олехновича.

Для более детального исследования турбулентной структуры газожидкостного потока в пристенной области были проведены многоканальные измерения трешга на стенке трубы. С этой целью был изготовлен измерительный блок, включавший в себя две гребенки по 28 датчиков трения, расположенных на близком расстоянии в поперечном и продольном направлениях. Датчики вклешшшсь в стенку трубы и зашлифовывались заподлицо с ней. Для обработки сигналов датчиков применялась многоканальная измерительная система, содержащая четыре восьмиканальных усилителя тока с устройствами выборки-хранения и коммутаторами и позволявшая проводить одновременные измерения трения на стенке в 32 точках.

Измерения проводились в восходящем газожидкостном потоке в трубе диаметром 42.2 мм. Исследован диапазон приведенных скоростей жидкости 0.2-5-1.0 м/с и объемных расход; шх газосодержашш 0.054 0.2. До и после измерений производилась калибровка датчиков в однофазном потоке.

Масштаб продольной корреляции заметно уменьшается в двухфазном потоке с ростом газосодержания (рис.5), для поперечной корреляции эта тенденция выражена слабо. По всей видимости, в двухфазном потоке пузыри, движущиеся вблизи стенки, разрушают продольные

пристенные вихри, что приводи- к ^.5. Проддльвые коррелящпг уменьшению их размера. пульсаций тргння.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведены комплексные экспериментальные исследования локального газосодержания, локальных средних и пульсационных компонент скорости зкидкоста п трения на стенке в опускном пузырьковом потоке в вертикальной трубе в развитом турбулентном режиме течения; экспериментальное исследование

Еч 1.0

0.8

0.6

0.4

0Л

0.0

о

А

ср

□о

Д°

Р

о-0

л - 0.05 а - 0.1 о - 0.19

ал

и = 0.6 М/с

л а

1»°0

о о

_

10 15

о I л ; о

Л_* '

20 х(ш)

й о

о

о

о

относительной скорости газовой фазы и пространственных продольных и поперечных корреляций пульсаций трения в восходящем пузырьковом потоке. Установлено, что:

1. Вертикальное опускное газожидкосгное пузырьковое течение является симметричным относительно оси трубы. Газовые пузыри скапливаются в це]пральной части трубы, в пристенной области существует довольно узкий слой чистой жидкости, свободной от попрей газа, толщина этого слоя может быть различной в зависимости от режимных параметров течения.

2. Профили скорости жидкости являются более заполненными по сравнению с турбулентными однофазными и с увеличением газосодержаиия принимают форму ударного профиля. Построенные в универсальных логарифмических координатах профита скорости жидкости совпадают с универсальным профилем.

3. Добавка газа к чистой жидкости приводит к уменьшению пульсаций в пристенной области, это вызвано по-видимому демпфирующим влиянием пузырей газа на пульсации жидкости. С увеличением газосодержания пульсации скорости жидкости в пристенной области уменьшаются. В ядре потока увеличение газосодержания влечет за собой усиление пульсаций.

4. Трекие на стенке в опускном газожидкоегшом потоке выше, чем в однофазном ТС1С1ШИ и достаточно хорошо совпадает с расчетом Кларка н Флеммера. Опускное газожидкостное течение на расстоянии 80 калибров от входа можно считать установившимся. Зависимость трения от газосодержания существенно отклоняется от известной формулы Армацда, но при увеличении приведенной скорости жидкости стремится к виду, даваемому этой формулой.

5. Пульсации трения на стенке трубы в опускном пузырьковом течении ниже, чем в однофазном потоке и уменьшаются с ростом газосодержания.

6. Скорость скольжения в восходящем пузырьковом течении в ядре потока соответствует скорости всплытия одиночного пузыря в свободном объеме тихости. Вблизи стенки скорость скольжения меньше, чем в ядре потока и существенно зависит от приведенной скорости жидкости. С увеличением скорости жидкости скорость скольжения уменьшается и может принимать отрзщательные значения.

7. Масштаб продольной пространственной корреляции пульсаций трения заметно уменьшается в двухфазном потоке по сравнмпда с однофазны).!. Увеличение газосодержания ведет к уменьшению масштаба продольной корреляции.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: 1. Рандин В.В. Экспериментальное исследование гидродинамической структуры пузырькового двухфазного течения.// Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодингмики: Материалы II Всесоюз. конф. молодых исследователей, март 1987 г. - Новосибирск, 1988. - С. 129-134.

2. Рандин B.B. Исследование гидродинамики нисходящего пузырькового газожндкостного течения.// V Всесоюз. школа молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" : Тез. докл., март 1988 г. - Новосибирск, 19&8. - С. 126-127.

3. Кашинский О.Н., Горелик P.C., Рандин В.В. Скорости фаз в пузырьковом газожидкостном течении.// Инж.-физ. журн. - 1989. - Т.57, N 1. - С.12-15.

4. Кашинский О.Н., Рандин В.В., Шевченко В.И. Турбулентная структура пузырькового газожидкостного течения в вертикальных трубах.// VIII Всесоюз. конф. "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах": Тез. докл., 23-25 октября 1990 г. - Ленинград, 1990. - С.10-12.

5. Кашинский О.Н., Горелик P.C., Рандин В.В. Гидродинамика вертикальных пузырьковых потоков при малых скоростях жидкой фазы.// Газожидкостные течения: Сб. науч. тр. - Новосибирск, 1990. - С. 44-60.

Подписано к печатг II.Q2.IS93 г.

Формат бумаги 60 х 84 I/I6. Уч.изд.л. I

Заказ & 138. Тиран ЮС экз.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, пр.Ак.Лаврентьева,I.