Восходящее ламинарное пузырьковое газожидкостное течение в вертикальной трубе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

VГ» СП СП

:г

!Х>

На правах рукописи УДК 532.529.5

Тимкин Лсонвд Сергеевич

ВОСХОДЯЩЕЕ ЛАМИНАРНОЕ ПУЗЫРЬКОВОЕ ГАЗОЖИДКОСТНОЕ ТЕЧЕНИЕ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБЕ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Новосибирск-1995

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Кашинский О.Н.

Официальные оппонента: доктор технических паук, профессор Миронов Б.П.

доктор физико-математических наук Григорьев Ю.Н.

Ведущая организация: Институт теоретический и прикладной механики СО РАН

Защита состоится мая 1995г. в Л часов на заседании

диссертационного совета в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, Новосибнрск-90, пр. Академика Лаврентьева 1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан * 14" апреля 1995г.

В.НЛрыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность пртбггмы. Многофазные течения различие™ рода широка аспространены в современном технологическом оборудовании. Частным случаем аких течений является газожидкостные пузырьковые течения. Они широко аспространены в современной технике, энергетике, химической технологии, иотсхнологии, добыче и транспортировке нефти и газа, металлургии. Область их ¡рименения непрерывно расширяется с развитием новых технологий. В связи с тим актуальным является предсказание поведения газожидкостных течений и асчет их характеристик в различных тепах новых технологических устройств и ппарагов. Ввиду многообразия пузырьковых течений и большого количества физических параметров, определяющих их поведение, исчерпывающее еоретическое решение этих задач еще недостаточно развито, и прогнозирование озможно выполнить только при наличии развитых модельных подходов.

В силу отставания теоретических методов описания двухфазных [узырьковых течений на первое место выходят экспериментальные методы излучения достоверной информащш как для конкретных устройств и аппаратов, ак и для тестирования развиваемых модельных подходов. В болышшетае кспериментальных работ по восходящему пузырьковому течению исследования выполнялись, как правило, в развитом турбулентном потоке, в котором даовременно присутствуют как наведенная пузырьками "псевдотурбулентность" ах и собственная турбулентность жидкости. Экспериментально выделить и щенить влияние на структуру течения вклад от каждого из этих слагаемых в таком ечении невозможно из-за тесного взаимодействия этих составляющих урбулептности. Экспериментальные данные по пузырьковой гсеццотурбулешности в литературе практически отсутствуют.

В связи с этом представляется необходимым детальное экспериментальное гсследование восходящего пузырькового течения при докритических числах 'ейнольдса, построенных по приведенной скорости жидкости и диаметру трубы.

Цевья работы является определение основных закономерностей поведения гаминарного пузырькового газожидкостного течения в вертикальной трубе.

Методвза экспериментальных всследсвгнва. Основной объем данных в гсследовании получен с помощью электродиффузионного метода, адаптированного ля проведения измерений в жидкости повышенной вязкости. Измерения скорости [узырьков и скорости скольжения пузырьков проводились с использованием пециально разработанного ЛДА. Также проводилось систематическое ютографирование потока для регистрации размера пузырьков, и применялась изуалюация течения с использованием метода водородных пузырьков.

Научная новюва работы заключается в том, что автором впервые

проведено исследование комплекса основных гидродинамически характеристик восходящего пузырькового течения в области докритических чисо Рейлольдса в широком диапазоне режимных параметров;

показано, что в ламинарном пузырьковом течении происходит плавно развитие профилей локальной скорости жидкости от параболического однофазной к заполненому двухфазному, по мере увеличения газосодержания;

проведены измерения расстояния пристенного максимума газосодерзшния <у стенки для разных реаимных параметров течения, зарегистрирован слой чисты жидкости вблизи стенки, толщина слоя зависит от среднего диаметра пузырьков 1 потоке;

показано, что развитие пулъсационной структуры ламинарного пузырьковой течения предполагает развитие коллективных эффектов в течении;

разработана методика дня локальных измерения скорости и размер« пузырьков с применением модифицированной дифференциальной схемы ЛДА, не основе которой развита комбинированная методика для измерения лохально£ скорости скольжения пузырьков;

проведены подробные измерения средней локальной скорости сксяьженш пузырьков в потоке, показано что в пристенной зоне происходит увеличение скорости скольжения пузырьков, этот эффект более выражен при большш скоростях жидкости и больших газосодержаниях, в максимуме пристенного пика газосодержания скорость скольжения меньше, чем скорость всплытия одиночных пузырей в покоящейся жидкости.

Эти результаты представляются автором к защите.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием отлаженной электродиффузионной методики, тщательно огработаной г применении к двухфазным пузырьковым потокам, и подробной методической проработкой применения ЛДА для измерений скорости пузырьков. Для регистрации сигналов использовалась проверенная стандартными средствами метрологии контрольно-измерительная аппаратура. Регистрация и обработка сигналов проводилась с использованием ЭВМ, что существенно снижало по1решносш измерений.

Практическая ценность работы. Результаты исследования могут быть использованы при создании и тестировании новых методов расчета газожвдкостных пузырьковых течений. Разработки методик измерений могут быть

использованы при дальнейших исследованиях локальной гидродинамической структуры двухфазных потоков.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 7-ой Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (ИТ СО РАН, Новосибирск, 1992), и международных конференциях: ASME Fluid Engineering Summer Meeting (USA, Lake Tahoe, 1994) и 2-nd Int. Conference on Fluid Dynanic Measurement and Its Application ( China, Beijing, October 1994).

Пу&кякяцпа. По материалам работы опубликование 7 печатных работ.

Структура я сб»ш рзЗоты. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 66 рисунков, 4-е таблицы, 1S7 библиографических ссылок. Общий объем работы - 16§ стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведепнэ обосновывается актуальность данного исследования, определены гели работы, кратко сформулированны полученные результаты, показана их гаучная новизна и практическая ценность.

В nepsaS глзвг приводится краткий обзор работ по двухфазным изожидкостным потокам, рассматриваются работы по ламинарному пузырьховому речению, рассматриваются основные методы диагностики пузырьковых -азожидкостных течений.

В теоретических работах Телетова, Нигматулина, Дюнина и Борщевского, Лиши, и др. сформулированны основные уравнения движения двухфазных ■ечений. Простейшие модели течения (гомогенная модель, расслоеное течение), федставлены в работах Бэнкофа, Зубера и Финдлея, Уоллиса и др. Учет ^равномерности распределения параметров течения привел к созданию двумерных гадслей Зуна, Субботина, Ибрагимова, Бобкова и др..

На основе известного профиля газосодержания основаны методы расчета, гредложенные Сато и Секогучи, Кларка и Флеммера. Используется гипотеза об ддитинноста пульсаций скорости жидкой фазы, связанных с собственной урбулентаостыо жидкости и вызванных относительным движением фаз.

Впервые в работе Ашарда и др.(1985) вводится термин "ламинарное |узырьковое течение", подчеркивающий, что все перемешивание в потоке [роисходит за счет псевдотурбулетности, вызванной относительным движением ш. На основе модели Нигматулина получено выражение для тензора [севдотурбулешных напряжений в жидкой фазе, применимое в случае

потенцилыюго обтекания пузырьков. В работе Аитала и др.(1991) для объяснены пристенного пика в ламинарном течении вводится предположение существовании поперечной силы, отталкивающей пузырьки от стенки.

В имеющихся теоретических моделях ламинарного газожидкостного течеии пока не получено сколько-нибудь удовлетворительного описания восходящег пузырькового течения. Серизава и Катаока (1991) подчеркивают, что тольк тройственное соотношение между механизмом распределения фаз, вихревой межфазной структурами может описать характеристики пузырькового течения терминах их взаимодейпшя. Для понимания взаимных влияний этих составляют}! необходимо выяснять не только внутренние особенности каждого из них, но такж определить области существования этих механизмов и их взаимные корреляции.

Впервые неравномерное распределение фаз в газожидкостном поток экспериментально обнаружено в исследовании Нила и Бэнкофа. Дале пузырьковое течение интенсивно исследовалось в работах Дэле, Херринга : Дэвиса, Аохи и Ину, Серизавы, Теофануса и Сулливана, Иакорякова и др Бурдукова и др.. Из работ Иакорякова и др., в частности следует, что числ Рейнольдса основного течения не является определяющим критерием пузырьковых потоках.

Экспериментальные исследования ламинарного пузырькового течени крайне немногочисленны. По-видимому первые профили скорости пр докригических числах Рейнольдса трубы представлены в работе Сато и др.(1975' Более подробная информация представлена в работах Бурдукова и др. (1975,1979 Работы выполнение с использованием в качестве рабочей жидкости воды показал большой разброс данных, асимметрию течения, в силу чего даже не удалое получить плавного перехода между однофазным и двухфазным режимами течени» Авторы объясняют это большой величиной скорости скольжения пузырькох превышающей приведенную скорость жидкости. Исследование ламинарног пузырькового течения в вязкой жидкости в прямоут"~"\ном канале выполненное работе Картеллиера и др.(1993) показало нарушение устойчивости течения п большому размеру канала и возникновение вторичных течений.

В обзоре методов исследования пузырьковых потоков акцент сделан н современных методах изучения локальной структуры пузырьковых течение способных обеспечить точную количественную информацию. Среди методо следует отметить термоанамометрический, методы с использованием оптически волокон и датчиков на основе оптических волокон, лазерные доплсровские(ЛДА): фазовые доплеровские анемометры (РДРА). Отмечается, что в силу специфик пузырьковых потоков, применение любых методов для диагностики течени: требует предварительной детальной адаптации.

Вторая глава посвящена подробному описанию экспериментальной установки и методик измерения гидродинамических характеристик потока.

Для проведения экспериментов изготовлена специальная установка. Рабочая секция высотой 6.5м, представляла собой трубу внутренним диаметром 14.8мм. На входе трубы установлен газожвдкостный смеситель. Два различных газожидкостных инжектора (здесь и ниже обозначены как Р и М) устанавливались осесимметрично в смесителе для обеспечения различного размера газовых пузырьков. Эти инжекторы генерировали монодисперсные пузырьки, причем М-инжекгор обеспечивал сферические пузырьки диаметром окало 1мм, а Р-инжектор слегка пузырьки слегка эллиптичные, диаметром около 2мм. Измерительный участок расположен на 5.25м выше выхода смесителя (355 калибров трубы).

Измерения параметров течения производились с помощью электродиффузионной методики, широко применявшейся ранее для диагностики газожидкостных в том числе и пузырьковых течений. Сущность методики заключается в регистрации скорости окислительно-восстановительной реакции в электрохимической ячейке, состоящей из катода-датчика и анода большой площади, помещенных в раствор специального электролига. Электрохимические растворы представляют эквимолярные водные растворы ферро- и феррицианнда калия с добавлением едкого натра или карбоната натрия, они обладают вязкостью и плотностью практически равным соответствующим свойствам воды. При работе датчика в диффузионном режиме ток в электрохимической ячейке зависит от подвода рабочих ионов к катоду, и в зависимости от конструкции и расположения датчика, метод позволяет определять либо скорость жидкости либо трение на стенке. Одновременное дополнительное включение датчика скорости в режиме электропроводности позволяет точно определять нахождение датчика либо в 1азовой, либо в жидкой фазе потока, и таким образом измерять локальное газосодержание потока.

В данной работе для увеличения вязкоста в растаор добавлялся глицерин. Параметры раствора при температуре стабилизации 20°С изменялись в пределах: вязкость -у=3.5т-10»10"<|м2/с, плотность р=112(Ы151кг/м3. В работе выяснено, что основными источниками ошибки при элгктродиффузионных измерениях в вязком расшоре являются его температурная и концентрационная нестабильности. В результате удалось наладить долговременные стабильные измерения. Локальная относительная точность измерения скорости в ламинарном однофазном режиме течения составляет величину ±3%, интеграл по измеренному профилю скорости совпадает с приведеной скоростью жидкости с точностью порядка -12%.

Для измерения среднего ео времени и по сечению трубы напряжения трения на стенке использовался измерительный блок, содержащий 8 электрохимически датчиков трения, расположенных в одном сечении блока, равомерно по его окружности. Датчики для измерения трения вклеены в стенку блока и

отполированы заподлицо с ней. Размер чувствительного элемента каждого датчика равен 100мкм*700мкы. Для одновременного измерения всеми 8-ю датчиками среднего трения применялась специальная методика основаная на программной обработке данных в ЭВМ. Следует отметить, что поскольку использовались простейшие датчики трения, то в действительности измерялся средний по всем датчикам модуль напряжения трения на стенке, без учета отрицательного знака трения в тех режимах, где могли иметь место обратные течения.

Далее рассматриваются вопросы измерения локальной скорости больших пузырьков (диаметр которых больше или сравним с продельным размером измерительного объема ЛДА). В работе Дурста и Заре(1975) впервые отмечались особенности измерения скорости пузырьков с использованием дифференциальной схемы ЛДА. Ими замечено, что: центр пузырька, от которого регистрируется качественный доплеровский сигнал, смещен из центра измерительного объема ЛДА; отмечается что при измерении скорости больших сферических частиц величина коэфициента пропорциональности между скоростью и доплеровской частотой зависит от угла под которым лучи, отраженные от пузырька в обратном направлении интерферируют на фото приемнике, следовательно частота зависит от диаметра пузырька; отмечается что на доплеровскую частоту маает влиять поперечная компонента скорости пузырька, влияние которой тоже зависит от этого угла. При проведении локальных измерений скорости пузырьков Есе отмеченные факторы влияют на увеличение ошибки в определении скорости скольжения.

Скорость скольжения пузырьков обычно значительно меньше скоростей фаз потока, поэтому измерения необходимо производить с максимальной точностью. Для уменьшения ошибки измерений связаной с наличием градиента скорости жидкости, в эксперименте при определении скорости скольжения пузырьков

необходимо учитывать только те пузырьки, положение центра которых ограничено размером измерительного объема ЛДА в окрестности измеряемой точки.

В данной работе для измерения скорости скольжения разработана схема дифференциального ЛДА с

цилиндрическими линзами,

формирующими малый продольный размер измерительного объема, см. рис.1. Для уменьшения влияния поперечной компоненты скороста пузырька на результат, два фотоприемника, используемые в схеме, располагаются в

Рис.1 Принципиальная схема ЛДА для локальных измерений скорости пузырьков

Ду, = Я / (2соэ(ф, / 2)) /„,„. = 0.5044

п = 1.39

Ду2 = -Я 5Ш(Ф, + а) * (с18(ф,) - С18(ф, + а)) /,.,„ Ду = (Ду, - Ду,)/,„„. = 0.78511

о*1 39

Рис.2 Отражение лучей ЛДА схемы:

а) от первой поверхности пузырька

б) от второй поверхности пузырька

фокальной плоскости приемных линз. В этом случае угол под которым лучи ограненные от пузырьков интерферируют на фотоприемниках, мал и влиянием поперечной

компоненты скорости пузырьков на результат измерений можно пренебречь.

Для проведения локальных -0.28211 измерений необходимо учесть что пузырек имеет две поверхности относительно

оптической оси схемы, по ходу лучей схемы - первую и вторую поверхности, причем отражение от каждой из поверхностей может давать качественные допл ере некие сигналы, см. рис.2. Из рассмотрения геометрического хода лучей оказывается, что для отражения от каждой поверхности существует свое смещение между центром измерительного объема и центром пузырька. При отражении от первой поверхности Есличина смещения равна Ду„ причем центр пузырька расположен дальше от схемы ЛДА чем центр измерительного объема схемы, а при отражении от второй поверхности величина смещения равна Ду2, но центр пузырька расположен теперь ближе к схеме, чем центр измерительного объема, см. рис.2а и 26 соответственно. Расстояние между положениями центров пузырьков при отражениии от первой и второй поверхностей пузырька, для данной схемы, порядка радиуса пузырька и равно Ду. Соответственно следует различать случай, когда размер измерительного объема схемы больше, чем Ду и случай когда размер измерительного объема меньше Ду. Когда размер измерительного объема схемы меньше, чем Ду, то в потоке как бы существуют два измерительных объема, из которых приходят доплеровские сигналы, соответствующие отражению от первой и второй поверхностей пузырька. Для проведения локальных измерений необходимо устранить одно из этих отражений. Устранение основано на факте, что при движении пузырька вверх (в направлении течения) интерференционная картинка, образованная отражением лучей от первой поверхности пузырька движется в плоскости фотоприемников сверху вниз, а при отражении от задней поверхности пузырька интерференционная картинка движется снизу вверх (см. стрелки на рис.2а и 26 соответственно). При использовании двух фотоприемников в схеме ЛДА с помощью аналогового устройства формирования импульса запуска легко определить какой случай отражения имеет место, и соответственно либо

пропустить сигнал для дальнейшей его обработки в ЭВМ, либо режектаровать сигнал, если он образован отражением от второй поверхности пузырьков. При обработке в ЭВМ вычисляется скорость пузырька, его диаметр и точное положение центра пузырька, с учетом смещения его от центра измерительного объема схемы - Ду^ Диаметр пузырька определялся на основании регистрации временного интервала, соответствующего прохождению интерференционной картинки расстояния по вертикали между двумя фотоприемниками. В блоке формирования импульса запуска этот временной интервал преобразовывался в длительность прямоугольного сигнала, регистрируемого с помощью второго АЦП и в дальнейшем обрабатывался программным образом в ЭВМ.

Методика измерений и программное обеспечение отрабатывались в модельных экспериментах, проведеных с использованием стальных шариков, диаметрами: 0.69, 0.99, 2.36, 4.76, 7.03 и 10.3мм. Шарики закреплялись на прецезионном вращающемся диске и могли перемещаться вдоль основных осей измерительного объема ДДА. При сканировании шариков вдоль осей скорость шарихов измерялась по частоте вращения диска и с помощью ДДА. Разнила скоростей, определенных различными методами, не превышала величину 2% в центре измерительного объема и слегка увеличивалась к краям. Точность измерения диаметра стальных шариков составляла величину порядка 5%. Также определялась величина смещения центра шариков от центра измерительного объема, которая в пределах точности эксперимента совпадала с выражением для Ду1 (см. рис.2а). Для измерения скорости пузырьков использовался счетный способ определения догхлеровской частоты. Для отсечения доплеровских пачек с малым количеством доплеровских периодов, размер измерительного объема, с помощью устройства формирования импульса запуска, устанавливался по уровню 0.5 от максимальной амплитуды доплеровского сигнала, а не по уровню е~2, как принято в лазерной анемометрии. При этом реальный размер измерительного объема в воздухе был одним и тем же для всех диаметров шариков и равен / -0.07мм

(продольный размер), и I, = 0.8мм (поперечный).

Трзтьа глаза посвящена исследованию гидродинамических характеристик течения. Профили скорости жидкой фазы, газосодержания и пульсаций скорости жидкости измерялись датчиком типа "лобовая точка" на половине сечения трубы (от стенки до оси).

Профили скорости жидкой фазы, измеренные в пузырьковом потоке вязкой жидкости представлены на рис.3 в размерном виде. Для разных вязкостей раствора на рис.4а и 46 приведены профили скорости в координатах "закона стенки" ( Т| = у • Ц; /V, где и, = /р - динамическая скорость). Сплошными линиями на рис.3 показан ламинарный профиль, а на рис.4 однофазные профили. Для двухфазных профилей характерно плавное развитие от ламинарных однофазных к

Рис.3 Профили скорости жидкости, Р-шшсктор, v=10»I(r* м2/с

U/U,

u /u,=2.5-ln(y-u</v)+5.5

ш

о - (3=0.02 Д- (3=0.05 V- р=о.ю _ +- (3=0.15

ÎÛSLL

5олее заполненым, по мере увеличения

объемного газосодержания. В приосевой 10

юяе при больших газосодернаниях (р

=0.15+0.20) двухфазный профиль

зыладиг более плоским, чем

однофазный турбулентный профиль (см.

зис.4а и 46). Плавный характер развитая

щухфазных профилей резко отличается o.i

зт развитая профилей, полученных в Рис.4 Профили скорости гладкости в

тузырьковом потоке жидкости с координатах "закона стенки",

мгзкостыо порядка вязкости воды. В Р-шшекгор: ___

. a) v=10*10hSM2/C. V/-0.32M/C

тоследнем случае проф1ши резко ^.V^OJOft^e

иполнялись с увеличением '

азосодеряания, так, что узхе при (J

=0.005 были близки к ударным. Течение при этом становилось сильно симметричным, что затрудняло физическую интерпритащпо полученных «зультатоз.

Профили локального газооодеряания приведены на рис.5а и 56 для Р и М-НЕекторов, соответственно. Профили показывают существование четко ыраженного пристенного пика При увеличении объемного газосодержания «личина пристенного пика возрастает.

Необходимо отмстить, что при использовании больших пузырьков газа (db а +4мм, получаемых с помощью дополнительного инжектора) пристенный пик в ксперименте не обнаружен. Существование критического диаметра пузырьков, ри превышении которого реализуются только приосевые профили

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

V! f

д - 0.16 0.05

о - 0.32 0.05

<7 - 0.16 0.2

□ - 0.32 0.2

l'h, \ ^v^^v^vWvv'V7

0 -

'bciDOOOoo О

лололоАо у(мм)

0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 О

а

V □ \7

V □ V

□ Ч,

v, f> '

О - 0.16 0.05

д - 0.32 0.05

а - 0.16 0.2

? - 0.32 0.2

б) W^^cfS

Аь

^°0°^ôooôoôooôocéP у(мм)

3 4 5 6

э _

0 2 А 6 8 0 1

Рис.5 Профили локального газосодсржания v=10*104 м2/с : a) M - инжектор 6) Р - инжектор

газосодержания, неоднократно отмечалось ранее для турбулентного режим; пузырькового течения.

Для выяснения зависимости поведения пузырьков от скорости жидкости : работе выполнены измерения расстояния максимума пристенного пик газосодержания до стенки - Yp. Для М-инжектора в этих экспериментах средни диаметр пузырков, измеренный с помощью фотографии, составлял (1.25±0.2)mm, для Р-инжектора (2.1S±0.35)mm. Результаты измерения Yp в зависимости о привсдсной скорости жидкости представлены на рис.6 для разных вязкосте: растворов и разных диаметров пузырьков. Результаты показывают следующее. Пр вязкости раствора в 10 раз выше вязкости воды, пристенный пик расположен н

расстоянии от стенк приблизительно равно среднему диаметр

пузырька, так что меж; стенкой трубы ближайшими к не пузырьками существу! слой чистой жддкосп толщиной порядка радиу< пузырька При вязкое] раствора в 3.5 раза выв вязкости воды толщш слоя чистой жидкости ] стенке порядка полоши радиуса пузырька. П] использовании воды

Yr

р мм

V=3.5-10'V/c :10-10*V/C

3: Р M Ji: P

0.02 - о - .

0.05 - û - â 0.10- ♦

0.10 - ? - » 0.20- *

0.1 5 - ° " ■

Рис.6 Расстояние максимума пристенного пика газосодсржания от стенки

□

качестве рабочей жидкости, по разным литературным источникам, толщина слоя жидкости на стенке составляет величину 10+50мкм.

Из данного рисунка можно определять область существо вами* нрмсгемнек» пика газосодержания. За границами данных изображенных на рис.6, а именно при V; меньше 0.045м/с и больше 0.84м/с, пристенный пик газосодержания в эксперименте не обнаружен. Также он не обнаружен при \^=0.843м/с для М-инжекгора и всех р, и для Р-инжектора р=0.02 и меньше 0.445м/с. В целом поведение пузырьков следующее: при нулевой скорости жидкости пузырьки всплывают в приосевой зоне. Начиная с некоторой скорости жидкости приосевой профиль газосодержания начинает трансформироваться в профиль со слабо выраженным пристенным пиком. Далее с увеличением газосодержание в пике

возрастает, расстояние от стенки до пика уменьшается и достигает своего минимального значения при V; ~ 0.2-0.445м/с для М-инжектора, и при V} ~

0.445м/с для Р-инжектора. При дальнейшем увеличении скорости жидкости пристенный пик отходит от стенки, и затем полностью исчезает, пузыри переходят в приосевую зону. Такое поведение пузырьков приблизительно совпадает с поведением отдельной твердой сферы в восходящем потоке жидкости вязкостью в 6 раз выше вязкости воды, см. работу Хааэе и др. (1991). Эксперименты в этой работе были выполнены до чисел Рейнольдса по жидкости не выше 1000, и только обратный переход сферы в осевую зону, при большой скорости жидкости не наблюдался. Интересным на рис.6 является отход пузырьков от стенки при увеличении скорости жидкости. В литературе, в турбулентных режимах течения, причиной отхода пузырьков от стенки считается размывание пристенного пика возрастающими турбулентными пульсациями жидкости. При использовании раствора с вязкостью в 3.5 раза выше вязкости воды, пузырьки отходят от стенки в переходном по числам 11е трубы режиме течения, поэтому может реализовыватся аналогичный механизм отхода. Однако при использовании раствора с вязкостью в 10 раз выше вязкости воды, пузырьки отходят от стенки в ламинарном режиме течения, при К.с~680, (см. рис.б), что позволяет предположить существование другой причины отхода пузырьков от стенки в ламинарном режиме течения. Такой причиной может быть сила отталкивающая пузырьки от стенки, аналогично предложенной в работе Антала и др.(1991).

Сравнение коэфшиента сопротивления (X. = 8Т„ / рУ/) для течения с использованием раствора с у=3.5*10~6 и2/с, и для течения с использованием раствора вязкостью порядка вязкости воды приведено на рис.7, где использованы данные из работа Валукиной и'др.(1979). График показывает, что повышение коэфициента сопротивления для пузырьков диаметром 1мм для более вязкой жидкости, как и для менее вязкой, реализуются практически для одних и тех же чисел Рейнольдса, в диапазоне Ие<5000. При этом для разных диаметров пузырьков реализуются разные зависимости от числа Рейнольдса трубы. Разные

Д-<1ь=1ми, ¥=3.5*10-" м7с \ Х- <1ь = 1мм, у=1*10"6мг/с О - 11ь=0.5МИ,У=1«10"5М2/С

юо юоо Ке 5ооо

Рис.7 Коэфициент сопротивления, р=0.1 (сравнение с данными Валукииой и др.)

А л-гк=1ИИ зависимости реализуются и для разных

вязкостей рабочего раствора но одного диаметра пузырьков( (1^=1 мм). В то время

как выраженной зависимости от числа Рейнольдса трубы не наблюдается.

Результаты измерений трения на стенке в пузырьковом потоке вязкой жидости, показали, что ддя разных приведенных скоростей ходкости существует различного рода зависимости г, / т0 (отношения двухфазного напряжения трения на стенке к однофазному при той же самой приведенной скорости жидкости) от объемного газосодержания, см. Кашинский и др.(1991).

На рис.8 представлены результаты измерений трения ддя Р-инжектора в виде трех зависимостей т„ / т0 от при постоянных значениях газосодержания, равных р=0.02, 0.10 и 0.2, и трех зависимостей отношения напряжений трения от р при постоянных \^=0.104, 0.207 и 0.445м/с. Поверхность, образованная

пересечением этих зависимостей дает общее представление о поведении отношения напряжений трения в восходящем пузырьковом потоке. В

зависимости от скорости жидкости на рисунке можно выделит три области (см. номера под графиком), в соответствии с разным влиянием, которое охазываюг пузырьки на трение. Это: 1 -область при меньше

0.25м/с, 2 - область при от

0.25 и до 0.65м/с, 3 - область при V/ больше 0.65м/с.

Число 11е=2300 соответствует приблизительно верхней границе второй

области(\^=0.54м/с), так что

вся третья область лежит в переходном и турбулентном режимах течения. Влияние пузырьков на т. / т0 в этой

Рис.8 Отношение двухфазного напряжения трения на стенке к однофазному, у=3.5»10~* м2/с, Р-инжекгор

области, при V; выше 0.65м/с, незначительно. Во второй области отношение напряжений трения всегда больше 1, в целом оно возрастает до величины порядка 2.5 при увеличении объемного газосодсржания до р=0.2. При уменьшении приведеной скорости жидкости отношение напряжений трения также уменьшается до значения равного 1. С дальнейшим понижением скорости жидкости т„ / т0 продолжает дальнейшее снижение до значений меньше 1. Это первая область, где т. / т0 достигает своего минимума. Положение этого минимума и значение в нем изменяются с изменением р, значительно уменьшаясь с уменьшением газосодержания. После минимума дальнейшее понижение скорости жидкости приводит к возрастанию / т0 в области нулевых скоростей.

Существование минимума в первой области связано с появлением в потоке вторичных пристенных течений, что подтверждено визуализацией потока водородными пузырьками. В этих режимах датчики трения показывают существование асимметричной структуры потока. А именно, часть датчиков регистрирует малое среднее отношение трений (равное приблизительно 0.2-0.4), и только 2-4 датчика регистрируют отношение трений равное приблизительно 1. Это означает, что вторичные течения распределены не равномерно по окружности трубы, а существуют только на ее большей части. Такое течение тестировалось датчиками 2 часа подряд с интервалом в 2 минута с целью проверить стабильность такой структуры потока. Положение пика т„ / т0 на датчиках за этот период времени не изменилось. Таким образом асимметричная структура течения представляет собой устойчивое образование в пузырьковом восходящем течении. С увеличением вторичные течения сильнее прижимаются к стенкам трубы и начинают исчезать. Поведение т. / т0 для меньших пузырьков (М-инжектор) качественно аналогично, с существованием всех областей и иторичных течений. Для меньших пузырьков экстремумы реализуются на несколько меньшей скорости жидкости, что можно связать с меньшей скоростью пгузырьков. Максимальное значение т, / -10 во второй области для М-инжекгора Золъше и достигает величины равной приблизительно 3-4. Это может быть :вязано с меньшим расстоянием между стенкой и пристенным шнеом газосодержания для меньших пузырьков.

Результаты измерений среднеквадратичных пульсаций скорости = ч/(и -- и)2 представлены на рис.9 для разных газосодержаний. В пристенной '.не профилей отмечается существование пика пульсаций для режимов течения с ¿раженным пристенным пиком газосодержания. Это режимы с газосодержанием =0.15 и 0.10. В соответствии с поведением пристенного пика газосодержания (см. 1с.6), для Р; 0.02 и Р-инжектора на этой скорости он не существует, Iответственно нет и пика в пульсациях, см. рис.9. Для [)-:0.05 пик в эосодержании слабо выражен, аналогично и пик в пульсациях выражен слабо.

0.08

и ,м/с

сР □

л

0 о о о *

л О О

□ □ уУу

- □ £

■8°

+ - (3=0.00 о - (3=0.02 Д - [3=0.05 V - (3=0.10 □ - Р=0.15

у(мм)

Рио.9 Пульсации скорости жидкости, у=3.5»10~6 мУс, Р-инхектор,\^0.207м/с

Таким образом существует корреляция между пристенными пиками газосодержания и пульсаций скорости жидкости. Е приосевой зоне профили пульсаций представляют другую характерную особенность. И; рис.9 видно, что в этой облает величина пульсаций не зависит от объемного газосодержания при изменении газосодержания от 0.02 до 0.15. Но для р=0.02 пульсации скорости существенно превосходят однофазные, показанные на рисунке. Это означает, чтс пульсации на оси резко растут £ диапазоне газосодержания от нуля и до 0.02, а при дальнейшем росте газосодержания выходят на постоянный уровень. Для меньшего диаметра пузырьков поведение пульсаций аналогично. Следует отметать, что абсолютная величина пульсаций в приосевой зоне растет вместе со скоростью всплытия пузырьков и составляет от нее величину приблизительно равную 0.5-0.7.

На рис.10 приведено сравнение с данными из работы Картеллиера и др, (1995), палучеными с использованием ЛДА и термоанемометров в пузырьковом

потоке жидкости с вязкостью в 1520 раз выше вязкости воды. Представлены данные только по сферическим пузырькам (М-инжектор). Тем не менее приведенные данные

подтверждают общую

закономерность развитая

псевдотурбулентных пульсаций на оси трубы, заключающуюся в том, что локальные пульсации жидкости' резко растут при 12 изменении локального

газосодержания в диапазоне от О до 0.02, и практически не зависят от него при дальнейшем

ю -

8 "

6"

и , м/с

■ % Т<

X

а

Данные Картеллиера: О - Яе=320, Кср=3.4-4.3 #

В - 11е=125, 1^=0.8-1.3 о - 11е=125, Кер—0.6-1.5 • - 11е=140, 1^=2.7-4.6

Д- Ке=125-400,Кер=0-6- 1.5 ++ °

0 „ Данные автора: * + - Ке=1900, Яер=16-23 X - 11е=430, Яер=25-34 * - Яе=920, Ке =21-30

а,%

Рис.10 Пульсации скорости жидкости (сравнение с данными из работы Картеллиера и др.)

увеличении. Таким образом развитие пульсаций в потоке предполагает развитие некоторых коллективных взаимодействий пузырьков,

существенно влияющих на пульсационную структуру течения, особенно при объемном

газосодержании больше р=0.02.

Сравнение пульсаций скорости с данными Экелъмана (1974), выполнено в координатах "закона стенки" и представлено на рис. 11а и 116 для Р и М-инжекторов соответственно. Данные Экелъмана для пульсаций продольной компоненты скорости вблизи стенки в развитом турбулентном однофазном течении представлены сплошной линией. Профили псевдотурбулентных пульсаций скорости для Р-инжекгора имеют пристенный пик и выглядят подобно однофазным турбулентным пульсациям. Для для меньшего диаметра пузырьков (М-инжектора) и соответственно меньшей скорости всплытия величина пульсаций в приосевой зоне течении меньше. В пристенной зоне пик пульсаций, также как и для больших пузырьков, вполне выражен.

U'/U,

2 .

о - р=0.02 Д - Р=0.05

V - р=о.ю

+ - Р=0.15

0.1

и'/Ч /\\

/ \ \ / Данные / Экельмана

û - р=0.02 Д- Р=0.05 . v- р=0.10 + - Р=0.15 " Мл б> ■4° btftiip

ei/ .......H л= у • ц. h

0.1

10

100

Рис.11 Пульсации скорости жидкости в координатах "закона стенки", Yf=0.207м/с,V—3.5*10"6 м2/с: а) Р-инжектор; б) M-инжектор

1 _

Четвертая глзза посвящена измерениям скорости пузырьков и скорости гкольжения пузырьков.

Для проведения измерений скорости пузырьков с помощью ЛДА был изготовлен блок, выполнений из стекляной трубки внутренним диаметром 14.8мм, размещеной в прозрачном контейнере с иммерсионной жидкостью. В Злоке установлен на координатном устройстве электрохимический датчик типа 'лобовая точка", размером порядка ЗО+бОмкм.

Для получения скорости скольжения сначала в стационарных условиях с помощью электрохимического датчика измерялся профиль средней скорости жидкости. Время усреднения скорости в каждой точке 20-40 секунд. Затем

измерялся профиль скорости пузырьков, усреднение в каждой точке профиля проводилось по 20-100 пузырькам. Средняя скорость скольжения пузырьков получалась как результат вычитания из второго профиля первого профиля скорости. Скорость скольжения пузырьков обезразмеривалась на скорость всплытия пузырька равного диаметра, оцененой согласно соотношениям для "твердых сфер" из работы Уаллиса (1974). Результаты измерений локальных параметров течения в трубе представлены на рис.12. Здесь представлены шесть режимов течения с данными по скорости жидкости, скорости пузырьков, среднем} диаметру пузырьков, газосодержашда, и безразмерной скорости скольжения пузырьков. Три левых режима течения приведены для М-инжекгора, р=0.1 и различных средних скоростей жидкости \^=0.048, 0.445 и 0.843м/с, чте

соответствует числам Рейнсшьдса равным соответственно 203, 1880 и 3560. Эти трг режима иллюстрируют развитие локальных характеристик потока с увеличение!.: скорости жидкости. Три правых режима на рисунке приведены дня Р-инжектора \^=0.445м/с и трех различных объемных газосодсржаний р=0.02, 0.10 и 0.15. Эп

режимы иллюстрируют изменение параметров потока с увеличением обьемнохх газосодержания. Основные тенденции поведения безразмерной скоросп скольжения следующие. В приосевой зоне течения скорость скольхенж пузырьков равна приблизительно 0.5-г1.0, зависит от локального газосодержания скорости жидкости и практически не зависит от среднего диаметра пузырьков. I областях потока, где наблюдается увеличенное локальное газосодержани; (например в пристенном пике газосодержания), скорость скольжения уменьшается Особенно четко это уменьшение выражено при увеличенной пргазеденой скоросп жидкости. Вблизи стенки обнаружено возрастание скорости скольжения дс величин порядка 2-4 (особенно при больших скоростях жидкости и больпас газосодержаниях). Это повышение, по-видимому обусловлено существованием дои скорости жидкости граничного условия, требующего обращения се в ноль н; стенке, следовательно вблизи стенки градиент скорости жидкости может был больше градиента скорости пузырьков, и в результате средняя скоросп скольжения ближайших к стенке пузырьков может быть больше единицы.

Безразмерная скорость скольжения сравнивалась с формулой из работы Гар ол и Васло (1968), описывающей среднюю скорость всплытия ансамбля стоксобье пузырьков в зависимости от средней объемного газосодержания и коэфициента учитывающего степень "твердости" поверхности пузырька - К. Показано, чп формула удовлетворительно описывает скорость скольжения в приосевой зон течения с величиной коэфициента £1=0.6. Такая величина коэфициента означает что скорость пузырьков лежит' приблизительно посередине между скоростям! "твердых" и "жидких" сфер. В пристенной области формула значительно хуж описывает скорость скольжения.

м/с

Р=О.Ю .

И, м/с

£ л л

/

4

-"дл

д-л, _1

,6

•06 .

'£>2 .

\^=0.445 м/с

I

А

*"*-*—Г7Я—*

XX* д

Л„ 1

и, м/с-^ь. а

.1 л

У(=0.445 м/с р=0.10

6 7.4 У,тт

а) М-инжектор, р=0.10

б) Р-инжекгор, У/-0.445м/с

Рис.12 Профили локальных параметров: + - скорость жидкости,* - скорость пузырьков, х - средний диаметр пузырьков, Л - локальное газосодержание, о - безразмерная скорость скольжения пузырьков.

В заключении проводится краткий обзор основных особенностей пузырькового ламинарного течения, выявленых в ходе исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведено исследование комплекса основных гидродинамических характеристик восходящего пузырькового течения в области докритичееких чисел Рейнольдса в широком диапазоне режимных параметров;

для исследования гидродинамики газожидкостаого течения с использованием жидкости повышенной вязкости в качестве несущей фазы применена электродиффузионная методика, для локальных измерений скорости и размера пузырьков разработана методика с применением модифицированной дифференциальной схемы ДЦЛ ;

показано, что в ламинарном пузырьковом течении при диаметре пузырьков меньше 3-4 мм реализуются профили локального газосодержания с пиками вблизи стенки, проведены измерения расстояния пристенного максимума газосодержания от режимных параметров течения при различных вязкостях жидкости, вблизи стенки зарегистрирован слой свободной от пузырьков жидкости;

показано, что в ламинарном пузырьковом течении по мере увеличения газосодержания происходит плавное развитие профилей скорости жидкости от ламинарного однофазного к заподненому двухфазному, при этом происходит повышение трения на стенке по сравнению с однофазным потоком, наблюдается зависимость трения на стенке от размера пузырей;

показано, что пульсации скорости жидкости в приосевой зоне течения растут с увеличением локального газосодержания от нуля до 0.02, а при дальнейшем увеличении газосодержания пульсации остаются приблизительно постоянными; такое развитие пульсаций предполагает наличие в течении коллективных эффектов при развитии псевдотурбулентности;

проведены детальные измерения локальной скорости скольжения пузырьков в потоке, показано что скорость скольжения распределена по сечению неравномерно: в пристенной зоне происходит увеличение средней скорости скольжения пузырьков, этот эффект более выражен при больших скоростях жидкости и больших газосодержаниях, в области пристенного пика газосодержания скорость скольжения меньше, чем скорость всплытия одиночных пузырей в покоящейся жидкости;

сравнение с результатами исследований газожидкостных течений в развитом турбулентном режиме показало, что ламинарное пузырьковое течение по своим характеристикам, а именно: повышенное напряжение трения на стенке, пристенный пик газосодержания, профили пульсаций скорости жидкости с

максимумами вблизи стенки; качественно подобно турбулентному пузырьковому

течению.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Евсеев А.Р., Накоряхов В.Е., Покусаев Б.Г., Тачков СЛ., Тимкин J1.C. Измерение структурных характеристик газожидкостного потока лазерным анемометром с волоконным световодом, Автометрия, 1987, N 2, 69-73.

2. Kashinsky O.N., Timkin L.S., Cartellier A. Experimental study of "laminar" bubbly flow in a vertical pipe. Experiments in Fluids, 1993, v. 14, N 4/5, 308-314.

3. Nakoiyakov V.E., Kashinsky O.N., Randin V.V., Timkin L.S. Gas-liquid bubbly flow in vertical pipes. FED-180, Experimental and Computational Aspects of Validation of Multiphase Flow CFD Codes, ed. I. Celik, ASME 1994, 101-106.

4. Kashinsky O.N., Timkin L.S. Slip velocity measurements in upward bubbly flow by combined LDA and electrodiffusional technique. "Modem Techniques and Measurements in Fluid Flows", Proc. of the 2nd International Conference on Fluid Dynamic Measurements and Its Applications, 1994, Beijing, China, 61-66.

5. Cartellier A., Kashinsky O.N., Timkin L.S. Experimental characterisation of pseudo-turbulence in Poiseuillc bubbly flow, Second International Conference on Multiphase Flow, Kyoto, Japan, 1995, 27-33 .

5. Kashinsky O.N., Timkin L.S. Wall shear stress and the wall void peak in upward laminar bubbly flow, Second International Conference on Multiphase Flow, Kyoto, Japan, 1995, 63-68.

\ Кашинский О.If., Тимкин Л.С. Пузырьковое газожидкосгаое течение при докршических числах Рейнолъдса, Тезисы докладов Сибирского семинара по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей, Новосибирск, 1995г.