автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:МНОГОМОДАЛЬНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННЫХ АППАРАТОВ

1 ивсгерство высшего и сркдккго специального

0БРАЭС8АШЯ УССР

КИВВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОЙОГО КРАСНОГО 8НАМВНИ

твхножяичижнв институт шпдооИ юадшвшюяи

СпецааамроаашшМ совет Д 068.17.0% На правах рукописи

Для служебного подьеоваим

эк«- * ^

МЦОРОВ Сергей Федором«

УДК 532.529

ШЮГОМОДАЛЫйЕ ДИНАШЧВСКИВ СТРУКТУРЫ ДВЛЕМЗЯЫХ ПОТОКОВ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ процессов в РАСтиИПЯЬШК КОНТАКТ®« УСТРОЙСТВАХ БРАГОИКТНФИКАЩЮШШХ АППАРАТОВ

Саецшьяооть 05.18.12 Процвоон я аппараты штевкх проимодси

АВТОРЕФЕРАТ

дяосергакш на оомокаяае ;чекой отелен« кандидата технических Даук

Киев - 198*

Работа выполнена в Киевском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте лицевой лромшленноогм

Научный руководитель -доктор технических наук, лрофеасор

Официальные оппоненты -доктор технических наук, профессор каодидат технических наук

АНИСТРАТО1К0 В. А.

МДО7КИН Н.Н. АРИКОВ В. Г.

предприятие - Институт термоелектрофмэмш АН ЭОСР

\

Защита состоится " 1964 г. в № часов

на заседании специализированного Совета Д.068.17.04 Киевского о доена Трудового Красного Эмыени технологического института лицевой лромшлекиости по адресу!

253017* г.Киев-17, ул.Владимирская, 68« ауд А-ЗН,

С диссертацией можно озншкижться в библиотеке Киевского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пицевоИ промшигенности.

Автореферат {разослан

Ученнп секретарь специализированного совета, хаедидат технических наук

У6

и

1964 г.

ТАРАН В.М.

у

. v; ОВДАЯ ХАРШШКГШК& РАВЛЫ.-

\ Актуальность проблемы. В решениях .ХШ съезда КПСС поставлена задача дады«№го,рост&бдагососто)вшгсовегею^^ . основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства., перевода зкономики на (штенсивный путь развития» При ■ »том воз» растает роль интенсификации технологических процессовэа счет • совершенс твовашя конструкций к експлуатанионюос режимов - техно-логнэдскихаппаратов, , *..■'.?■'■'

. В а1щарата*1ш1чевой (1рош^ешос114, :во многи* технмогн^ ких и энергетических установка! других отраслей техники процессы происходя^, рридвияенни и »«огофаз-' .

них смвсея, Поэтсну иослвдованиа и интенси11икация процессоВ в многофазных потоках лвдо«тсд задачей алтуальноа,

j . П£М проведении процессов разделения многофазных жидких ... систем, рентифшации,.увеличение:поверхности контакта фаз ведет в штенси|}шсации процесса, Наиболее-раэвитаяшверхностьхонтакта фаз образуется пум распиливании жидкости паром. ■ Однако диапазон' динамических нагрузок аффективноIt работы распылительных контакт- нщ устройств i FW ), применяема два втой цели,, узок, pao- < ашрекиэ диалазонаустойчивой работы -РЮГ; по^золит использовать их преимущества в более полной мере, ' : : . , .'

. Создание.теоретических'основ целенаправленного вонструиро-• вания РКУ даст воэисиюость оснастить вромышленнооть йолее со-вершеннши а1шаратаыи. 0д«а*о для создатш т«оретичаових основ: целеналравденнрго консгруирования'РКУ. йеобхоцимо применить ,: . дифференциально-интегральный подход е изучении процессов . ' Его суть; соотоитвтом,*чтобипри анализе эффективности работы. _ РКУ оперировать дакнши-ойо воех основных характеристиках -: v \ -. потока, в ыикроыасштабе- частицы, масштабе турбулентной пульса- : ции, ыасштабе конструятишогй;8ле«ента и макраиасвггабеРКУ,

биение определять масштаб'турбулентности и энаиив закономерностей увеличения-масштаба турбулентности "при' переходе от ' моделей к 'аппаратам больших размеров позволит, повысить:эффентив-ность-новых аппаратов1.0днако штодьгопределешя масштаба тур-булен^оста лока-вас*^ сложны давдда ■

. РГАУ-МСХА нменн К.А. Тимирязева -LUJE имени Н И. Железное* Фондлаучный литературы

аэро гидродинамики .По атомураз рабо тка ■ эффекти вных. ые тодов определения масштаба .турбулентности-вмногофазньсг потоках: также актуальна. " - 1 ' . ■ ■

1 ~Цель раДоты.-.Интенсис[якпций'взаимодействия фаз в"; РКУ; и", повышение; эффективности работа в широкой диапазоне изменения ; рабочих нагрузок.' Размотка высокоэффективных*/ ПСУ. ■/.■'■'

Научная иовизнаг-' 1 ■>,.-- *- ' - К" " - ;

'-обнаружено явление когерентно-вихревой страгафиаациикапель по скоростям и разыерш| -у-- . . \ ^ „:.-... ...

• ; - исследовано взаимодействие капель с гаэом в зоне; движения- турбулентны* вихрей; v:1 '■":■"■'■ '

иоследовано' образование горизонтальной двухфазной: ограниченной струигаз-капли в камерв;: РКУ^ при'разлкчных режимах; определен а 'по' с ечениям потока- скорости газ аи, капель. ■ плот -ность потока массы капель,.'размеры капель; • ■■■■- *

: .г - иооледовано взаимодейстше 'фи в вертикальном расшиш-тельном устройстве с центральным вводом жидкой:фазы в паровую* •трубу* Л . • ': '•'• ' ' •• "

. - определены1 закономерности* развития-газовой -струи^с , ударным профилем скорости.на входе;• v -■_'.'■'

- предложен способ определения размера турбулентного* :: ; вихряпоанализу; измерений распределений капель по скоростям-/ в сечении потока* . : ■■..;•■ ; '■'.■■ .■.,;.*■( т показана применимость лазерной анемометрии кизучению ■ процессов пищевых производств. • " •' v л " ' ..'';*■' ;

V -s Практическая ■ ценность: --- л.. ■■•].,'■

" ..-.•предложена конструкция;. РКУ.-i.о продольним динамическим; секционированием потока системой врацапцихоя струй;. .-[■■

- установлено; что дня вертикальных распылительных устрой-■ сте.о.цент^ышм ваодом^жадвости'в.'паровой патрубок-болеег':

. эффективен центральный рассредоточенный.ввод; -/J.;.:.' v'' " •• ••: - предложена: схема лазерного;анемометра,с ' дифракцией .-.-" фраунгофера для измерения скоростей крути«;частиц,, рао&ряю--цая диапазон применений лазерной анемометрии«. . •

-;■ ,, Матедоалы работа предназначены для использования. на/, .

':. 3 '.V ■.;■■'■ Г'''; • • • .

■ стадии.конструирования и расчета Й<У. >. V ^ ■ ';

. : - Реализация результатов исследования. Результаты измерений.. . скоростей фаз.и структуры вихревых образований в сплошной /'' ? /Среде,получешшв1Вдиссерта1^,с:тиоя^.лазерного анемометра,' внедрены. Йгститутом/гедрсшеханики-- АН УССР при определении гидродинамических:характеристик многофазных-струевых системг ■ ■

. по закрытой:тематике; ( Тема 0.74 ). .;

V ■ ; Пневматическое распыдительноеустройство внедрено на" !-■""':■■' участкерасгаиенияВославльского ^ ,

шо ; Автозил. .'. . ~ ' • • .'; -.V-.. ■ > .

Апробация работы« Основные положения диссертационной ' ' ' работы доложены на Щ ( 1979 г.)'й 1У (1582 г.) : • • :,' Всесоюзных .научных совещаниях по теоретическим и прикладным V , аспектам турбулентных течений в V. Таллине; . " :> .. -Бсесоюзной.наушо^техническоаяонфереш^иолодых.ученьыи,' / специалистовсахарной промышленности;вг. Яготине Киевской ;' области ■ - .1'■■''"; ■ ■ .. '

на заседании е . 1982 г.- « г. Каменке Черкасской области Научно-тезшичеокой коиассш по маесообиенноЯ колонной аппара-- - Л . туре при ^ Госкомитете по науке и технике п{и Совмине " СОСР; > , . , на республшсанской научна-те*нической коцфереьщии ,'Повышение л,';. эффективности,..совершенствование! процессов;и аппаратов даои-\ ческих производств*;. в 1980 г. в г. Днепропетровске} ; . -

на XI ( 1980 г. ) и XII ( 1961 г. ) Научно-технических" ком- .

; ференциях молодых ученых н специалистов Иютитута "технической • теплофизики ' АН. УССР} •.:•••• ••.."•• • : - *'■'

на 43 ( 1977. г» 45 ( 1979 г. 46( 1500 г. .>, >47 ' ' ( 1931 г. )научных конференциях ЮМПП}

материалы исследований, .'представленные.ка кониурс ШшВУЗа УССР - на лучшую научно-исследовательскую работу: вЛ931-г. отмечены - ^

Грамотой'ИинЁКй УС№; « республиканского комитета профсоюза "" ' •

'-' работников научных учреждений УССР; . . . *. ; "V/..*■-. .

опубликованы в' б -печатных работах.:'.';':,г'-.:л - •• V ' - >'

\ Структура ц объем-работы: ~Диссертационная работа состоит' . , ", из введения, .■ 5'разделов; выводов, приложений,';списка исполь- * , " ■ зованной литературы, включающего ' 193 отечественна и зарубе*- ■ --,

пых источников. ' ... , ...... . ..

Представлены актй о внедрении распылительном уогро Йс тва'-и результатов измерения о йомоцЬв лаэертого; анемометра скоростей фаз-К структура вихревих образований при определении гидродинамических характерйстийкйогофазннх струейнх сиотем/

Основная чаатьрайОтЫмэЛожена на' I4S- страницах машинописного текста*. содержит. 64' рисунка и таблицу« ' • •

ООЮШОБ ООДЕРШШБ PtófÜi'' " . ,

■ li ^налитическиД обзор.- ':""■'-'.'. ' '"'■./'.;

Анализ конструкций- РЮГ и йффехгивноотИ их рабэпг . показал( что перфориро ванные тарелки более эффективны« Однако ониконотруктивнословш4 '

■ Штенеивность' протекания массообмена определяю* параметры турбулентности сплошной фазы» поэтому проведай анализ статистических параметров турбулентности» До определения Масштабов -турбулентности • и Ц . размера • вкхря : Г.; •» необходимо/.. экспериментально определитьзначительнов количество параметров мгновенные и средние-значения скорости,' степени турбулентности я моменты высших порядков, ~ напряжения рбйнолЬДса, простран* *: ственно-временные¡функции скоростей я сПектрайЫше функцци. Затем решаются на ЭВМ' весьма .сложные системМ уравнений ¿ отбечави(И9 одной из. известных моделей турбулентности. -

. .. Определение размера вихря f^. и "масштабов турбулент -ности весьма важно-для учета масштабного -эффекта при переходе от модели к аппарату большего размера. .'■.■■ ' ? ..

, Проведен анализ эондовнх иетодовлзмерениЯ в дисперсных потоках* а таюю бесконтактных, в той числе лазерных*

- 2. Исследование распюмванИя жидкости вхаме£>е контактНОГО устройства. . ; . ..: - -. у В качестве объекта исследования пршят& распшштельное контактное устройство с образованием,горгаонтадьнбй crpyrf. Дня измерений использован лазерный, анемометр, собранный по ■ дифференциальной схеме. ';: 1.....* ; .-' ■ <" -V ■--.* -

. Схема экспериментальной установки показана на рис. I, ! Гидродинамическая часть установки состоит Tía t прямоугольного горизонтального канала. I из оргстекла сечением 160 х 200 мм, горизонтального целевого . сопла 2 с косым срезом; для "адува воздуха, предварительной газовой камеры * 3 ■ для форшрования " воздушного потока с турбудизцрутецейсеткой 4, воздуховода 5, измериФельнойдиаЗрагмыб с ди^ыаноиетром - ?, высоконапорного воздушного вентилятора 8, гидрозатворов .9, циклона 10, сливного лотка- .II, сливной трубы12,4 бака оборотной вода 13, вентиля 14, насоса 15, ротаметра 16. Горизонтальное целевое сопло 2 образовано двумя горизонтальными прямоугольный планками, короткой верхней и длинной нюшбй* Боковые торцысопда , ограничены, вертикальными сегментами небольшого радиуса.-В про-тиволблокнцх боковых стенках-канала 'I прорезаны вертикальные .■ щелевые окна' 17', расположенные напротив друг друга. Окна 17 снабжены задвижками со сквозным отверстием размером 4x6 мы. • г ' Иидкооть через. гидрозатвор . 9 стекает , на верхов» Ьианку ' сопла 2, преобразуется в тонкую пленку,; перемецаючуюса над ' соплом в горизонтальном направлении.. '<; •'

- Лазерный доплеровсккй анемометр. I ДМ ) - состоит из Не-Не лазера 18 типа ЛГ-За, . аеркал ' 19, делителя луча 20, линзы £1,довушед 22, блока фотоприемника 23' '¿'объективом,' диа£рагыой и фотоумножителем типа'- ФЭУ-79, широкополосного усилителя ■ 24," анализаторов спектра частот.: 25 и 26 типа С4-25 к C4-I2 соответствекно,генератора маток 27, частотомера 28, анализатора гармония 29 т^ота С5-2,, селективного микровольтметра типа В6-Х, квадратичного вольтметра и' " самописца. . ''ч ■''-'[■ ■■' /

Вся измерительная часть смонтирована накоординатноы столе от фрезерного ' ¿¡танка, что позволило проводить' измерения в любой точке потока.■'■ '-■':*■' ■". ■ '..«■'-

Скорость определялась по известной вависимостм дня диф -ферэнциальной схемы ' <• "" ' " .

г . . 1Г*ЛТ|, , :д ; . .*. ;. "

где U - ckqpcKjtiji-VV..- раастойаоте мезду интерференционными полосами в зоне пересечения лазерных лучей) частота,доц-

леровсвого сдвига, измеряемая в експерименте. ' .'

О»

Ряс. 1.

Схша эксяердавитадшоя уиронхя.

р ■

■ ' • ■ -, " .... .' . ' Л ■ ' v.

Исследованы распределения скоростей однофазной газовой * струи при различных скоростях истечения и длинах камер контактного устройства-300^ 500 и_,еОО' мн! Изучены .закономерности вязкого обтвкшшя торцевой стенки перпенднкулярной к потоку. Установлено,. что распределения скоростей газа в плоскости ори ударнои дрофилв скорости на входа иыош' вошутость в центре профиля ha-переходной участке струи,- Определено, что плоская; * струя,: распространящался-вдоль стенки более^дальнобойная, чем цилиндрическая. *, ' :

1 В работа детально- исследована распределения плотности ..! потока массы капель' £ , fr/c'-M»i~J в точках-сечений потока в широкой ссюшошвнии массовых расходов кидкостя н гаэа '^ и 0,18..ДДЗ. Дая изыерениа применен метод изокинетичесного отбора . с помощь» трубки-зонда. • .. •■■V,- *

Измерения размеров капель ло точкам сечений потока при-^ • раэличньк режимаг работы^ГКУ проведены методом малоуглового " рассеяния'лазерного света. В рада зон потокафункцви распределения, капель по размерам имеют несколько максимумов гг .многомодальны. Поэтому основной объем измерений проведен методом, . требуй^ более простого анализа — улавливанием капель зондом -отборником на пкаотнну^с вязким юшерсионныы слоем и после -дуюцкм подсчетом размеррв капель под микросвонбм . Установлено, что. в пределах сечения Средний размер капель изменяется значительно, ; v''.,':- *'.'

> При измерениях скоростей капель по точкам сечений потока, и различных соотношениях ", установлены зависимости изменений про^шш скорости капель. Определено, что в сечениях по*-, тока на начальном и переходном участке распределет-л капель по 'скоростям многомодальны,-то есть для отдельной точки потока плотность вероятности распределения капель по скоростям .имеет,4 несколько максимумов. Многомодальное» по скоростям проявляется в тех &е зонах; где обнаружены многомодальные распределения

■ по размерам. . - ' . „*. . " . .. \ •• •.:.. .

: Диапазон.скоростей по.газу- выбран-следующим. Скорости - ' газа на оси среза сопла,изменялись в йредалах40.,»60 м/о. Им соответствуют расходные скорости в сечении сопла. 28...42 ы/c.t Для колонны диаметром 600 им и. сечешш сошш 400 х 20.

I - ■ ■■ ч -

ыч расходная скорость газа на сечение колонны ¿оставляет ' 0,84»..I",26 м/с; ... V! ■

Проведен анализ особенностей взаимодействия фаз. На рис. 2 приведены результаты измерений скоростей для газовой 1 н «идаой: фаза при . » 0,18 для сечений потока I - 65»

146, 275 и: 353 ,мм-при высота сома ,. »20 мм. За * единицу принята скорость газа на оси среаа сопла Ц,» - §9 м/с

■ ' При двидеюш вдоль потока скольленив между, фазами • уменьшается»^ затем; в . сечении ' XV» 355 мм увеличивается. Струя несколько расширяется«., но в отличи^ от цилиндрической нелинейно. В периферийных зонах сечений проявляется обратное, скольжение , и- V« < 0 ^ $пя сечений ; ., ОС.'- 275г и • 355 мм; обратное скольжение появляется в координатах - у у 85 и . 9Э мм соответственно. ••. '..'■..

На рте, 3 ; приведены результаты. сопоставлений скоростей капель и газа, размеров капель и плотности.потока массы ,при "И - Р|1в. За единицу принято максимальное значение пара- '. - метра в сечении. Дня среднего размера капель ' С^ за единицу условно принятразмер * ..Ч--"-200 мим;./..;." * , Т

" Во всех сечениях координаты максимальных эн:Ыений скорости и.потока массы' ^ч не совпадают. Установлено, что координатамгде поток массы имеет максимальное значение

9*1 .; соответствует минимальный - средний размер капель, резкое увеличение размеров капель в периферийных* зонах ■ сечения« '

ОС - ¡375 мм обусловлено тем, что в периферийных зонах/ динамическое равновесие ухе достигнуто и рри инверсном обтекании происходят Процессы интенсивной коалес^энции . В ©том: сечении в периферийннх аонах 'также обнаружены многомодальные . распределения капель по скоростям и размерам»

Оэпоотавленивскорос?ейнапвль.11^?скоростей газа, измеренных на оси потока при различных относительных расходах .

» ^ результатов измерений, полученных на оси макс и мальной концентрации капель показывает^ что результаты суцес- * твенно сгличнк.' При одномерном анализе : ингенскюости вэаимо- . действия ■ более целесообразно учитывать результаты изме ' рений, полученные - .для линии соответствующей ; '/. ■-.-':

т—III

W

-i - i

И ;

*- шла

тттг

, , , г^ ^ # •. - £ чм* Ф ^ ^ í* '

; fttc.X Йгнмитедьшвймщыдаир метду фелаш) при i îj^ .59 .'

■ /

. \ \

<

ч

.i ». i. ! ,

i i—ГТ"

—t.—I—'

i : i i * V " , 1—

W \л

ч *V Y¡

ш Г '' 1

. i V г' . С

. / К; . г • # J д

'«' V •' у • г '

- M-

У

02 W íí / л ríí-'tf-tf.-l' W o¿ w Z6 OA:i

- Pi«* ^ V . Paf*fTn0rr£»1t0WUd ЛППЙШГг' n4naUÜHflAt JWIWUMltUlA UAlPrtUUIfUÜ • * '

—г. »i i 1

- : % -- - 1 А Ч \

i V u

■ -Л, i/ '/ J A * iX

I t t

, О'

' Рис. Ъ'. Распределение основных' параметров относительно' максимума '--■.у - . .... ' ~ а данном сечении / Эв.» 0,18 /. '

3. Разработка и исследование новых контактных устройств . . . и схем измерений.

В работе доказано, что в начальных"участках потока при' значитедьге« концентрациях капель лазерный ; анемометр с дифферент ■ циальнойсхеыЬй'раСотает-неудовдетворительно.'', , . .

' Предложен.ииспытан.дазерный анемометр с дифракцией . фраунгофзра - дня крупных частиц с кассетой сменный оптических " елементов. На рис.4 показана схема ДЦА с дифракцией ■ Зраунгофера',' где';*! - лазер, 2 - эеркала,\ 3 - коллиматор».. 4 - *дифракционная решетка,;.'5 -. фэнусирупцая динза, "б - кас*г ■ сета со сменными оптическими элементами, 7 - подвижная карет' ка, 8V пробный объем, ' 9 - приемный объектив с диафрагеой 10 и фотоприешдакоы;. II. Для анализа сигнала использован анализатор гарюник; С5-2■ и. частотомер. Скорость определялась ; по известной,зависимости для дифферешдеально'йсхвмы;!/^-/л , В. отличие--от' дифференциальной схемы период дифракционной кар-', тины определяется* \ по выражению А» /" - • гДв Я -

период'дифракционной,решетки. Достаточная четкость дифракционных максимумов получается при пропускании .решатки '0,6. При этом выполняется равенство а- 35 , <1*6 . Йростран-ственное разрешение данной схемы значительно'лучше, чем для ; схемы с бипризмой . йренеля. '.■■■.'. *'. '.' ■'■■"* '

. - Измерения проведены при различных периодах дифракционной^ картины в пробном объеме • - «'315, 143. и НО- мнм соот-.ьетственно." •. .,'■■' ■.:'■'.*-■. : '■*'■' ''■.'■■,'': -. '■ • ;

-.'. " Поворот дифракционной решетки вокруг 'опи.ческой оси позволяет определить угол ориентации вектора скорости , а оператиа- ^ вое изменение периода-решетки проводить амплитудные сопоставле-' • ния сигнала ДЦАпри измерениях размеров'капель.ф "... '

'.' Разработка и внедрение .новых высокоэффективных аппаратов { связаны с применением ыенее иэученных прогрессивных схем вэаимо-- действия газа и жидкости: до вращающемся потоке. ■ -■

Для описания движенвд-'во вращающейся струе получена сис-, ,! теиа уравнешй для функций линии тока/ продольной составляющей-.скорости,' поперечной и трансверсальной составляющей "скорости

и расхода." Система уравнений решается при подстановке акспери-ментальных значений импульса струи в начальном сечении и экспериментальных значений осевой скорости. .

Предложено и исследовано на лазерном измерительном стенде *ЯСУ_с продольный динамическим секционированиемпотока системой Параллельных вращающихся струй < рис.. 5 ). Испытаны две схема ; вращения струй; . Для* создания динамического секционирования в: горизонтальное щелевое сопло камеры'смешения установлена вставка с закручивателями с противоположный■направлением ■ вращения для Каждой й^ радом расположенных струй; так что на границе'между вращающимися потоками тангенциальные скорости.' ; совпадают;. Во втором варианте предусмотрено одинаковое нагграв- • • ленйе вращения для каждой йз струй; так что на границе тангенциальные скорости имеют противоположное направление;'.. " . , Результат^ измерений показали» что при дарво^ варианта, ■ вращения струй и сопоставимых расходах продольные скорости капель- 1/&. примерно.в. 1,5 раза меньше, .чем в исследован- .. ном. ШУ . без динамического секционирования; Секционированный ■ »■. поток заметно шире; ' ".. .■'..,'

При'второ!! варианте взаимодействия'струй скорость продольного переноса капель на основном участке потока приблизительно в 1*7 раза меньше;;чем в потоке без оакционирования; Расширен* .потока, . еще более .ярко выражено;

Лри динамическом секционировании Увеличиваема в рейд пребывания капель в потоке и одаовременной ^елмчении .кратности актов дробления и коалесцеыция; Динамическое секционирование' более эффективно,-..чем секционирование."потоха 'перфорированием ..тарелки отдадДными-паровымй труйамл; Обновление межфазной поверхности на границе'взаимодействия вращающихся струй более интенсивное, чем на поэёрх^ости цидиндрического канала. ■

Дня выяснения эакономерностей образования йюгомодалькых' . распределений по скоростям проведены измерения на специально собранном лазерном стенде с дифференциальной схемой и лазером.- В качестве распиши тельного устройства использована вертикально.расположенная .пневматическая форсунка с центральным нерасерелоточе^шым вводом ' дисперсной'фазы в кольцевой .-.*

поток таза. Применены' твердою сферические частицы с тремя : _;. -различными бимодальными - распределениями по размерам. При раздельных экспвриыентах' для различных бимодальных непрерывных-распределений по-"размерам установлено,: что для бимодального распределения с большим, средним размером частиц на' начальном , участка потока скорости _,1Гв имеют большие значения!.; Зто: '■ ■ объясняете^ тем, ^ ..что при значительных градиентах в профиле скорости газа частицы вращаются и на них действуют подъемные силы Цагнус'а - Жуковского^ ' величины которых пропорциональны кубу размер частиц. Для улучшения взаимодействия фаз пред- ! ложено в распылительных устройствахс центральным вводом дисперсной фазы в кольцевой поток газа ( в паровую трубу) . использовать''центральный^ рассредоточенный;ввод »едкости.: ■. . ^ .

По результатам«измерений Определено,, что для частиц с би- 1 модальным'распределением по размерами разрывом, в начальных . сечеш1ях'п|оявляются бшодальн^,неп1«1швные распределения по "; скоростям.- На основноц участке' струи распределения по скоростда для твердых частиц становятся раэрывными./Пр11'непрерывном бимодальном распределении капель по размерам бимодальное рас '" .пределение по скоростям более вероятно'при наличии деформа- • ций в распределений по; размерам вызванных взаимодействием с газом. ;".**'■ -"-'.,.' ■ V", у " ' ■'" / ' ■ м '

4. Многомодальные динамические Структуры в двухфазны^ ; • потоках. • •••• " . \" ^ ,■.■ ■ ,'' . ■ ^; ■

. В начальных участках'Турбулентных, дозвуковьос струй имеют место когерентные^ ; или'регулярные, периодические структуры; . Регулярные структуры обнаруживаются.и при достаточна высоких'' уровнях начальной турбулентности'.: Известны теории влияния > . ■ крупных-локальных вихрей на структуру турбулентных течений. -

■ '.Наличие.нескольких.'максицуыов-в спектрах размеров капель -обнаруживалось:« ^'ранее.-Это объяснялось проявлением несколь- . 1шх *Боадёйствиа, -каадйа из.1которых- формирует свое'распределение. Однако, ранее многомодальные' распределения по размерам не . связывались с распределениями по скоростям. При исследованиях многомодальные распределения по скоростям , образовывалисьпутем * :

•введения в поток -чаотиц с несколькими существенно отличными . размерами для твердых'частиц или капель. С.' Л; ..- • • 4 .

/ Нами. в процессе эксперимента - наблюдались' спектры', скоростей капель с несколькими максимумами,. Обнаружено, .что число максимумов в распределении по скоростям соответствует числуыакси-муыов .в , распределении.по размерам,'а также,-'ч^о.многомодаль- . ные распределение по скоростями размерам капель назовемг Их ' многомодальными динамическими струвтурами, существуют в начальном и переходном участке струи. .Их,структура изменяется как по сечению, так и от сечения к сечению. В сечениях Х/с1< 4 • многомодальности. ре .обнаруживаются. На рис, б, а . приведен ■ характерный' вид спектра частот (скоростей) .. капель для одной из точек сечения "Х/сС> 7,25 при Яе > 7,6*104 -г Индексом н I я,.' обозначена скорость,- значение которой при непрерывном-сканировании сечения описывает полный профиль скоростей капель и имеет место 1 в любой точке сечения^ Скорости, определенные .по индексам^; "-2 и "+2 ",' имеют место, лишь в'некоторых точках ,-* поэтому их можно условно считать дополнительными.' * Знак *>•"-введен такие условно и означает лишь ад,- что. -скорость;' определенная- светим индексом, имеет величину меньшую основной ; — " 1 .описывающей полный профиль по сече1Ш>. ' т Отмечено''влияние соотношения-массовых, расходов на

"спектры скоростей.. Уменьшение* ЗД до'. < 0,15 приводит к тоцу, .что спектры скоростей для отдельной точки потока дйс-кретны.Прт увеличении до 0,5 многомодальное!ь наблю -

дается лишь , вблиэи-одной точки: и в одном сечении. На рио. 6.а спектр соответствует.точке 7,25'»". у. »'В рм'--при-' *Н »

» 0,18;' та'рис. 6,в точке : » 7,25 , .(Д-'вмм- при ■ 0,5.. ; / _ . .. ■ ' .,

"-'' "Н&*д)ис; б,в приведены результаты измерений для сечения-5С/ц * 7 ,25 при высоте сопла ' с(ш 20 мм^ Система координат, ; связана с соплом. Для точек ' у--2 и 2 мм--спектр скоростей' имеет . .основную моду; — "'I и дополнительную.»."+2 и . Измерения по моде ; "+3 " не приведены для упрощения рассмотрения Для точки . у 5 мм, кроме основной; проявляются* два дополнительные моды '"-Й'" "и "+3 V В точке ■ мм иэдопол

Лимиту}« (стеЛ

.175

яг

025

1 А/.

-2 1 д ♦2 У.' ''

•1 * I ■~

IV V А?

я*? №

■ Л А в/

Л

• 1

/ К IV.

ООУ РА- **Л V _ инГЧ*

' ■ 4>Ц> )>Г))Г1 ...

АЪУ1%9

N

Рис, 6. Многомодальные распределения-лл скоростям, а) спектр при 0,18 И, (/¿у, «V о,6| •••• в) профили скоростей.- ' '".•*. ' . " "

>.

нительнык обнаруживается мода "+2 " . Место положения, этого . . максимума значительна флуктуирует ■ ( пределы" показаны стрелками). В точке • у - П.мм. дополнительные моды:не:обнаружены, Для . координаты; /у» 14 мм отчетливо проявлялась 'мода "-2", В последувдих точках , *" У " 17, 20 и; 23 мм дополнитель- . • ные моды не обнаружены. . , * ^' г. '. .

■ Установлено, что распределение скоростей-капель в -дополнительных модах подобно распределению скоростей на вращалцемся щ пограничном слое цилиндре,. распределению мгновенных пульса-ционных скоростей в момент прохождения вихря через рассматри -ваемое сечение*.. '" . , —• ■■ " ■.-' '-

. Предложено координату смещения центра вихря вдоль, по тока связать со значением У„ - 8 мм, так как в »той зоне много-модальность наиболее устойчива с увеличением нагрузок по жцд-'кости. Радиус вихря принят равкыы Го « б мм* в соответ -ствйн с расстоянием от координаты уо до точки.с явно выраженным проявлением моды . "-2 •'*■■ .

. Установлено, что количество мод в распределении по скоро- . стям соответствует количеству" мод в распределении по размерам, ■ Установлено,' что в зонах вихря, соответствующих мгновенным пульсационным скоростям в вихре со знаком " + " , более ; дрко выражены процессы дробления, 'а в зонах со. знаком * - " —.процессы коалес^енции, . 4 ] *

, 'Используя основные соотношения. рас четно й теории Г.Н.. Абрамовича для определения параметров турбулентности однофазного.' потока, в работе вычислены основные параметры турбулентности * . в двухфазном потоке. Расчетные коэффициенты приняты в соответствии с измеренным размером вихря - Г^, - 6 мм.' При Сеэразмер--ном параметре-турбулентности < А0ш\(Ъ*и/За?)/(ди/дд){0 » 3 для сечения потока .*■ Ьс/д[ ш 7,25 вычисленные амплитуды колебаний . вихря ¿х и Ьц / , продольный и поперечный мае- ': штабы турбулентности равны 10 и 5 ым- соответственно. Число Стру*аля - (1,1 ... 1,3 ). * •

Установлено, 'что в ряде сечений потока, '> 7;25 , дробление масштабов вихрей приводит, к стратификации поля ; . о средне нных скоростей капель с шагом., порядка размера гихря

.второй величины. ■ - . > .

Установлена ранее неизвестная закономерность образования многомодальных распределений капель по скоростям и размерам в поле движения вихря. .Так как в потоке на начальном-и переходном участке во взаимодействии с'каплями явно выражены условия дробления и коалэсценции на паре крупных вихрей и, по, меньшей■ мере. на воеь^ вихрях второго порядка. то таким образом поток стратифицирован. одновременно по двум параметрам: по" скороЪ тям и размерам капель не менее, чем на десяти парах-условных • линий тока. >■■'.;":' <' -■■■' ■ ' : ' 1 '

Описанные выше эффекты предложено иаэвать — явление -когерентно-вихревой стратификации капель по скоростям и рай -мерам."'' ..""'■-': \■

Турбулентные двухфазные течения с деформируемы*« "части- \ цаш используются в широком" классе технологических устройств* и енергетических установок,- Вработепредполагается, : что об- -наруженное явление может составить'предмет - открытия. Оно может быть-использовано для интенсификации процессов взаимо- -действия фаз в технологических устройствах многих.отраслей , техники. . • . • ' . '■ - . '. -,'■ '

'.' • S. Взаимодействие капель с крупными вихрями.

Определено, что . в многомодальном распределении по'сяо- ^ ростяы в сечении. , ЗС/</7,25. и . .¿i ■■ 0,18 : для моды

"Jl ■ +1 скоростям капель, соответствуют размеры капель' е{& * > 80 мкм; для • 7 +3 -г - «• 50 мкы; для ^t « +3 — dj«. 5 MKM.- ■■ ;.*"■ , : - '

Разница скоростей капель в модах* +Z и ■ +1 * составляет ■ ■ ■■*■■" 4 . ; ' ■*

'' ■ -Ht^l " 35 ~ 26 -10 ( м/с ) ,

. Согласно известных представлений ¿'времени деформации и дробления капли * размером 80 "мхи при относительном скольжении с газон равном ; U £ ® (47 - 26) м/с, время дробления -составит ' 220 икс. -' - ■:,■."'.,-■■ ..'? '.■.■■ - ■ -"

..Оценен промежуток времени, который капля находится в;поле' вихря. Определено, что и капли размером 80' мки и 60 мкм . находятся » вихре промежуток времени .достаточный для-того ; чтобы дробление произошло. ' _ / "■

1 При анализе процессов дробления'капель учтеновремя ди-

- панической релаксации капель :. ■ '>' '•■" ■ По известной лагранжевой частоте пульсаций" равной ■

отношению средней скорости переноса оси вихря в двухфазном -потоке к расстоянию между вихрями. ^ • лГв/Д'л и равной .-" - 2,43* 103 Гц", вычислены индексы инерционности' Ш^капель различных*размеров; при Ь) . По '

значениям. . СОСр вычислены углы сдвига фазы капли' и газа' припрохождении вихря. - Величина скорости обтекания нй поверх-"кости вихря; определенная в разделе 4 , составляет V » б м/с. . Скорость пульсанионного смещения оси вихря вдоль ' .потока равна 6,16 м/с. Эти значения пульсационнюс .

ч скоростей учтеныпри подсчете амплитуды пульсаций скоростей . капель раэличшк раэмеров. Бели вихрь приходит в рассыатри- -. ваеыое сечение в фазе соответствующей максимальному значению ' скорости пульсациокного смещения вдоль Потока; то соответстую-,-щие значения V. и- складываются. Даже при'амплитуде пуль' саций скорости газа, ■ равной ;10,16 м/с, пульсации скорости капель размером 50 'мкм-- составляют -.' 1,5 м/с. Это

значительно меньше разности скоростей капель размером'. 50. и

- 5,мкм,.*; определенной, по анализу многомодальных распределений по скоростям. Следовательно, динамический переход с уровня

^1+2 на" уровень ' 5*1+3 возможен только при наличии .процесса дробления. В свою очередь последний результат, под-.; тверздает правильность анализа процессов преобразования спектров скоростей и размеров капель' при взаимодействии с вихрем, . ■, В диссертационной работе проведен анализ преобразования спектров размеров и скоростей-капель на линии отрицательных пульсационных скоростей капель V. - ■ в момент

% прохождения вихря через рассматриваемое сечение. -Показано, что ■ после' проходженил ■через " сечение вихря мелкие частиц, ре, лаке Просившие и получившие скорости Ч/^ меньшие,, чем для - ~х' капель больших размеров-', могут оседать "ч р^родпей

поверхности ^ -х частиц. Таким образом^ происходит укрупнение крупных Частиц при инверсном обтекании потока "мелких* 1-Х' ' частиц.. В результате' вдоль потока по координате У* Г0 . размерю капель укрупняются, , а как следствие и осреднению скорости ТГ^ переноса капель вдоль потока меньше, чем дая рядом расположенных условных линийтока.

В работе проанализированы известные особенности протека-,-■ния процессов тепломассообмено в турбулентник'вихрях. *■ Сотрудника»«« Московского енергетического инотитута обнаружено. явление вихревой ковденсаодо.; Экспериментальный факт конденсации пара в зонах движения'турбулентных вихрей объясняется снижением давления в ядре вихря.

Обнаруженное нами гидродинамическое явление вихревой коаяесценцни,происходит на периферии вихря. Оно, вероятно , имеет место и-при наличии тепломассообмена. Виревая коалее-ценция может быть ¿.'источником конденсации".

Образование!зон с мельчайшими каплями можеа.приводить к. неустойчивости твшюмасйсобмённых процессов, например,, при. горении в жидкостных ракетных двигателях, или к их интенси- < фикации. ...*" :'■. ..■-'.''...•'. ," . ■ * ;•

В диссертационной работе обнаружено,. что в различных зонах вихря закономерности протекания процессов существенно отличны. Для'одного вихря наиболее ярко выралена пара зон,' зонй'с 1 косрдинаташ' ' у » Уо+ Г*0 и у < У, .. Поскольку в потоке перемещается две цепочки крупных вихрей и по меньшей,мере 8. вихрейвторого порядка, то поток стратифицирован, по меньшей мере;.10 'парами^характерных'линий тока'смещения вихрей ■ вдоль'; потока, ■ • •• - ' ■■ ;: - '••"''". •"

.. В порядке предположения, . заключаем', 'что обнаруженное г гидродинамическое явление 'когерентно-, вихревой стратификации ■ капель по-скоростям и размерам вызывает.в потоках с тепло -, ыассообйеном продольную стратификацию тепломассообменншс _. .* •характеристик. '.Таким образом, в потоке проявляется комплексная гидродинамическая и ^тепломасоообменная стратификация.

- Пейопективы примененид результатов исследований; ' -

Предложенное высокоэффективное' -РНУ. с продольным'динамическим секционированиейпотока системой параллельных-.вращаюз^ихся ■ струй найдет применение в колонных массообыеннызг аппаратах; ... ; Переход в контактных устройствах» перфорированных паровыми трубами^ к- центральному рассредоточенному вводу жидкости■* в : паровую трубу позволит повысить еффективиость их работа*

Способ организацийПотока динаыическим сещионированием _ ■ системой параллельных вращающихся струй может быть использован И при проектировании аппаратов длядругих технологических . процессов, например,, сушка; ' 7 1■■'

■■ Результаты исследований по изучению скоростной неравновес-1 'ноотН потока помогут' улучшить понимание процессов в неоднррэд--' них средах. . у.'" ■ * : ' ~ ■•.

■ Обнаруженное и,изученное явление когерентно-вихревой ■ . - стратификации капель по скоростям Н размера^ открывает'новые перспективы в интенси|икац»и процессов тепломассообмена.

Л1 ••. ■ . ; .. ■■ '

I. Определено, что в неравновесных газо-капельных потоках ^ с крупными турбулентными вихрями проявляются многомодальные ' динамические структуры. •. 1 ; . : . . • ' •• - *

Обнаружено и изучено явление ■ когерентно- вихревой стратификации капель по скоростям и размером. ■- ' - _ г 3. Предложен способ измерения размера вихря по анализу . многомодальных распределений капель по скоростям':

* 4, Предложено эффективное распылительное контактное устрой _^ство с продольным динамическим секционированием потока систе-, мой параллельных вращающихся струя. : ... '. .

. .,5. "Внэдрета по материалам диссертационной рабчтм.ряпуле- -

таш измерений скоростей фаз и структуры вихревых образований/' способ измерения раэмера:виисря, подученные. с помощью лазерного ' ' ш1емокетра--Шститутом гидромеханшси .1Н УССР; при определении характеристик многофазных струевых систем по. закрытой тематике ( тема 0.74 ). ' -•• '"С-КУ ;"'.'У;'*'- •■'. Л'' 'V- ..'V' ' /

. . 6.' Шедрено'распылительное устройетво-с центральным рассредоточенным вводом жидкости вгаэовую камеру на участке рас-: пыленшг: ГЬславдьского завода торыозной • аппаратуры';,БПО 'Авто- ' ЗИЛ. ■ХУЛ'Ч;: .-'ч-уу''' .".'•' '-.

У .7. Показана;применимость"лазерной анемометрии к изучении Л процессов в технологических'аппаратах пищевой промышленности.■

8, Предложена' и испытана схема лазерного анемометра; с дифракцией ' фраунгофэра; „-'" ':-'";":" . ^ '..' . - ' ■ • ' ' '".

,ч' 9. Показал путь'опредедения масштабА турбулентности,"; размера вих^я, -. необходимый для учета масштабного фактора* при про актирования и. исследовании технолбгических аппаратов пищевой .: промышленности..' ''" у у'у',;.. - ■г ""-У* ' ; .

Основное содержание дкссертафш.опубликовано в сяедупирсс^. работах!| ; .У . "*' ■*■. -.'у » . '« -. У-У. у. . ■ у.: .• ...;

. I." Федоров С,ф.;' Анистратешк> В.А.,:Иванов В.С., Орланов В.И. Исследование начальной) участка двухфазной ограниченной струи..- В кн.: 3>рбулентные;двухфазные.течения, Таллин^ 1979, с', Г17 - 222. '■ У " ' : ''■ ■' >. у," ■-' у.'; у. ■:■'■"';■ ' -У'. Л:. •-2.'Федоров' ,'Лннстратенко В.А. О взаимодействии турбулентных пульсаций-давления с каплями..* В кн.; ^Турбулентные двухфазные течения.-Таллин, 1962, е.* 169 -174.

. 3. Федоров С.ф. О некоторых особенностях измерений лазерным анемометром для крупных частиц, - В кн.: Теплопередача и" . прикладная гидродинамика,,. - Киев,; Наукова думка;: 1983,' с .18-21.

. ; 4. Анистратенко В. А., Федоров С,$.: Исследование распыли-'' . тельных (сонтактиих устройств методами лазерной диагностики, - '-Вкн.: Пцрсшехшшческие процессы. Днепропетровск^ 1980 , с, 42 - 45, „• '.'У,У: '•'.••'•• "Уу'. ■;■ У■■' У"у; -у

, ; .' * 5.. Федоров С.Ф.; Кайданов 'А.Е. Применение'лазерной техники для исследования и'совершенствования массообменных аппаратов,-

- Тезисы докладой Всесоюзной,конференции молодых ученых : -( Киев ), Вопроса повышения: эффективности сахарного производства.- M.i 1979, с. 106 - 108. .,ч"

6» НаДца В.И., Ивавов В.С»,.ФедоровС.Ф., Ианасян Р;В.■ Исследование даижения металлических сфергеесвкх частиц в . газовом потоке,Порошковая металлургия, 1980, Р 4, с. 4-7.

. Обозначение. -

■■ ti'i - скорости газа и капель, м/с; длина волки, излучения лазера, мкм;- d г размер капли, диаметр сопла; V Lt, "L^- - продольный'и поперечный масштабы турбулентности; . Ц' - пульсационная скорость.■ ' '

Поди, н пм-.Jt H tf . Формат *(" lï^t Бумага ef/fri" печ.'офс. Усл. н«ч. л. Уя.-и11. л.' / Тираж ■ ' .

,3jK.Í/-5H4 бмплпио 'i : i' t- . t

Киевсшя кивжин типография научной кммгн. К*се, Репина, 4.