автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Течение неньютоновских жидкостей вдоль гофрированных поверхностей

СП

* 0 ^МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи ХАДИ - АЕЕПД АЛЬ - БАШЕР

УДК 66.0*8.66.067

ТЕЧЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЯИДКОСТЕЙ ВДОЛЬ

ГОФРЙРОВАННЬК ПОВЕРХНОСТЕЙ

05.07.01 - Аэродинамика и процесса теплообмена летательных аппаратов

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Авторе ф ераг диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1993

PaÚQta выполнзна в Киевской политехническом 'ииохихухе

Научный руководихель; Официальные оппонэнгы:

докхор хехничаских наук, профессор Якно О.Ц,

док юр физико-махемахи-ческих наук,

профессор Шмаков Ю.И.

кандидаг хехнических ваук Шквар Ё.А.

Ведущая организация указана в решении специализированного совога.

8ащиха сосхоихся МО»110Л Ьр£ 1993 года в чааов

на заседании специализированного оовеха К 072.04.02 в Киевокои инсхихуха инженеров гражданской авиации.

Охзывы на авхореферах, вавераннне печатью учреждения, просим направляхь по адресу: 252058, Киев-58, проспеи Комарова, I, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инохи-

гуха.

Авхореферах разослан 1993 г.

Ученый секрехарь специализированного совета, кандидах ¡технических наук,

доцвнг "/Г-1" А.Г.Басквкова

ОБВД ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших задач в области интенсификации и развития ыассообменвых процессов, углубление знаний в области диссипации энергии потоков вязких и аномально-вязких жидкостей, а также расширения знаний о природе гидравлических сопротивлений является разработка основ расчета гидродинамических параметров потоков, движущихся в зоне гофрированных поверхностей. Подобного рода поверхности и течения вблизи их вызывает интерес во многих областях промышленности - в авиации, машиностроении, • нефтяной, газовой промышленности, в системах автоматики, управления. и т.п.

1 В работе на основании экспериментальных данных, анализа течения вблизи гофрированных поверхностей^ гофры которых расположена перпендикулярно к направлению потока, получены данные о распределении скоростей, давлений, определены касательные напряжения и предложены формулы для расчета коэффициента гидравлического трения. Эти параметры учитывают также реологические свойства жидкостей, протекающих вблизи таких поверхностей, и их аномальные особенности. ,)

Целью диссертационной работы является:

- расширение представлений о диссипативных процессах, происходящих в потоках неньатоновских жидкостей, движущихся вблизи гофрированных поверхностей с различными типо-размерами;

- получение новых зависимостей для расчета кинематических и динамических характеристик потока в каналах, имеющих стенки сыполненные в вида гофрированных поверхностей;

- получение методики расчета гидравлических сопротивлений для рассматриваемых случаев течения, которые <5ы учитывали как реологические свойства движущихся жидкостей так и геометрические особенности поверхностей каналов.

Метод исследований. Исследования базируются на экспериментальных данных и теоретическом анализе, существующих данных и проведенных в работе опытов по изучению гидродинамических характеристик потока в каналах со сложной формой поверхности его стенок. ,

Объектом исследования являются физические й математические

модели, описывающие поведение аномально-вязких жидкостей вблизи гофрированных поверхностей.

Научная новизна.

1. Разработаны физическая и математическая модели, описывающие кинематические и динамические характеристики потока аномально-вязкой жидкости подчиняющиеся степенному реологическому закону Оствальда Дэ Виля вблизи гофрированных поверхностей, описываемые конусоидальныы законом с различными размерами высоты гофр и расстояние между ними.

2. Получены зависимости, описывающие эпюру скоростей вблизи гофрированных поверхностей и ее изменение в зависимости от формы и размеров гофр.

3. Предложены новые формулы для расчета гидравлических потерь анергии и коэффициента гидравлического трения как функции реологических констант закона Оствальда Де Виля и геометрических особенностей гофрированных поверхностей.

Практическая ценность заключается в возможности применения результатов исследований для совершенствования дроссельной арматуры в гидравлических системах; интенсификации тепло-массообмен-ных процессов в химической, газовой и нефтяной промышленностях, в авиационных системах и конструкциях. Предложенные формулы и аналитические зависимости позволяют с достаточно высокой степенью точности производить расчет гидравлических сопротивлений в различных системах, где встречаются гофрированные поверхности.

Реализация работы. Результаты работы используются в Киевском политехническом институте на кафедре ГПАГ и в научной исследовательской лаборатории НИЛ АПП. Планируется их применение на предприятиях Ирака.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на республиканской конференции по гидравлический системам и гидроприводам (г.Севастополь, 1991), на республиканском семинаре по гидравлике (г.Киев, КАДИ, 1993 г.)» а также на заседании кафедры гидравлики и гидропневмоавтоиатики КПП, 1993. г.

Публикация. Основное содержание диссертационной работы

опубликовано в двух научных статьях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 15 таблиц, библиографический список содержит 60 наименований различных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во многих областях промышленности: в авиации, в химическом машиностроении, в нефтяной и газовой проыышленностях, в различного рода гидравлических системах приходится встречаться с течением аномально-вязких жидкостей вблизи поверхностей, имеющих крупную упорядоченную шероховатость или гофры.

Исследованиями в области связанной с шероховатость» занимался ряд ученых таких как Алышуль А.Д., Гинзбург Я.П., Исаченко В.П., Миллионщиков Й.Д., Кобзарь Л.Л., Ралф, Уоли Ы.Д. и многие другие. Результатами этих исследований являются зависимости для расчета коэффициента гидравлического трения при течении ненкотоновских потоков жидкости в трубах и каналах; кроне того были сделаны попытки объяснения физических процессов, происходящих в жидкости вблизи этих поверхностей.

В работах Миллионшикова и Кобзаря представлены также теоретические основы для расчета и описания влияния формы поверхности на вихреобразовапия, коэффициеш! гидравлического трения и распределение скоростей. Вместе с теи почти полностью отсутствуют (за небольшим исключением) исследования, посвященные течению неиыз-тоновских жидкостей вблизи гофрированных поверхностей. В тоже время такие исследования являются актуальными для ряда.машин и аппаратов. С шши приходится встречаться например в тепжообмен-ао.ч оборудовании, пленочных выпарных аппаратах, различного рода уюссельпых элементах систем гидроавтоматики, на гидротранспорте, в авиационной технике и в других областях.

Существуют данные, которые указывают на то, что влияние гофрированной поверхности на гидравлическое сопротизление потока йожет быть различным: при течении жидкости вдоль гофр гидравлическое сопротивление уменьшается; а при течении поперек гофр, -

увеличивается. К сожалению зги данцые носи лишь качественный характер, В связи с тем, чю на практике как показал анализ довольно часто приходится иметь дело с течениями второго типа они вызывают больший интерес.

Приведенный в раооте краткий обзор состояния дел но данному вопросу подтвердил актуальность темы исследованной Особенно для иеньатоновских ьсидкостей таких типов как растворы и расплавы полимеров, различного рода нефтепродукты, смазки, эмульсии и т.п.

В своем большинстве данные звдкости по реологическим свойствам близкие к жидкостям подчиняющимся закону Оствальда До Виля.

В план исследования входит изучение ламинарного и турбулентного изотермического течения данного типа жидкостей вдоль рассматриваемых поверхностей; определение гидравлических, сопротивлений и влияние на них кик реологических свойств жидкости, так и форм и размеров го^р. Предполагается такие установить, каким образом профиль поверхности может оказывать влияние-на распределение скоростей в канале, на появление и формирование вихреобразопания.

Решение' данной задачи предполагалось осуществить на двух примерах. Первый, как наиболее простоя, связан с безнапорным течением, стекающим под действием гравитации аидг.ости, т.е. пленочным течением. Второй, течение напорное в канале, имеющем гофрированную стенку.

Обобщенные результаты исследования по дзшшл двум случаям позволяют сделать выводы о влиянии гофрированных поверхностей на гидродинамические параметры потока неньютоновских жидкостей, что и является основной целью работы н позволит применить полученные данные к расчету конкретного тина оборудования, рабочей частью которого являются рассматриваемые каналы.

В диссертации в качестве иорвого примера плилние гофрированных поверхностей на точение жидкости (глаза 2) рассмотрены гравитационные точения вдоль вертикальной гофрированной поверхности. На основами исследовании проведенных Воронцовым Е.Г., Яхно 0.а. показано каким образом де.Ьормируотся благодаря наличию го.;;р эшора скоростей в потоке вблизи стенки, как влияют

го.рры на величину касательных напряжении, а оледовательио и

&

коэффициента гидравлического трения.

Приведены аналитические зависимости для "приращения" величины касательных напряжений и показано от каких параметров зависят такие "приращения". Исследования проводились для гофрированных поверхностей, форма которых описывается уравнением

где Ь - высота го^р, £ - длина волны (расстояние между гофрами) .

Показано, что теоретическое родпнив уравнения движения, описывающее подобное течение удобно записывать в криволинейной системе координат связаны с формой поверхности гофр.

Для подтверждения и количественной оценки проведенных во второй главе качественных выводов, в третьей главе диссертации описано физическое моделирование рассматриваемой задачи. С этой целью был спроектирован и создан экспериментальный стенд на котором можно было проводить визуализацию потока неньютоновской жидкости вблизи гофрированных поверхностей, а также измерять локальные скорости и давления п различных точках и сечениях. Измерение давления осуществлялось датчиками давления, а измерение скорости осуществлялось методом меченых частиц разработанным и описанным в работах Пищонко К.А.

Суть данного метода заключается в введения в поток электропроводных частиц жидкости, пололвние которых фиксируется в процессе их продвижения но каналу. Рабочий участок экспериментального стенда представляет собо;! канал прямоугольного сечения выполненный из оргстекла, что дает возможность осуществлять визуализацию потока. 11а рабочем участке имелась возможность установки и замены гофрированных поверхностей с высотой гофр I, 3, 5 ми. Установка была осьащ'зна расходометром, устройством типа РКЭ-2.

В качестве рабочих жидкостей использовались вода, водный раствор Г133 и натриевой соли карбоксилмотидцеллюлозы КМЦ-Н, изготовленных на Каменском химкомбинате "Россия" (ТУ 6-15-1077-77). При проведения опытов использовались растворы различных концентраций в диапазоне от 0,5 до 3",5/а. Геологические свойства растворов определились на основании измерений проведенных на ротацион-

вой вискозиметре Реотест-2. В результате этих экспериментов установлено, что рабочие жидкости (растворы КМЦ-Н и ПВО) являются иеиьююновскими подчинявшимися стеленному закону Оствальда' Де Виля жидкостями. На рис.1 представлены в качестве примера реологические кривые для водного раствора КМЦ-Н.

В результате проведенных экспериментов получены эпюры скоростей ддя неньютоновского потока вблизи гофрированных поверхностей рис.2, кривые распределения давления по длине канала с гофрированной поверхностью стенки, зависимость перепада давления от расхода жидкости и ее реологических свойств рис.3. Дан-вые результата эксперимента, погрешность которых не превышала 5-1%, послужили основой для анализа влияния формы и размеров гофр на кинематические и динамические характеристики потока. При этой разработана идеализированная модель течения жидкости в канале, где одна из стенок выполнена гофрированно. На основании этой модели, решая соответствующее уравнение движения было показано, что влияние гофр сказывается не только на потерях энергии, но и на деформации эпюры скоростей, что полностью подтверждает эксперимент. Наличие гофр приводит к смещению положения максимальной скорости в потоке в сторону гладкой поверхности. Величина такого смещения и сиег быть определена из зависимости аналогичной толщине вытеснения для пограничного слоя. Для рассматриваемого случая значения средней н максимальной скоростей могут быть определены из выражений:

7п)К-

где А а 4 зависят от соотношения сторон прямоугольного сечения и для нашего канала соответственно равны 0,267, -6 а 0,737.

Что же касается продольной составляющей спорости, то, как показали наши эксперименты, она может быть определена из выражения

а

Рис.2. Эпюры скоростей для гладкой (2) и гофрированной поверхности (I) при течении водного раствора ПВС

Рис.3. Зависимость АИ=/-((л/ при течении 2,5$

водного раствора КИЦ-Н (а); 3,5^ 1ШЦ-Н (б) I - высота гофр = 5 ми; 2 - высота гофр « 3 мм; 3 - высота гофр = I' мм; * - гладкая поверхность

Х'дйАи - корректировка скорости за очаг наличия гофр, определяющаяся из зависимости;

На 'рисЛ показано каким образом ЛЦ изменяется по сечению канала, если размеры гофр соответственно.равны Ь « 3 ьш, ■ 15 ми. л

Анализ функциональной зависимости

позволил дать рекомендации для расчета коэффициентов гидравлических потерь X и Шсзи С- в потоках неньютоновских жидкостей как для ламинарного, так и для турбулентного режимов течения. На рис.5 представлена графическая зависимость^ ол^чая течения в канале с гофрированной поверхностью. Из этих графиков следует, что удобной для использования может быть формула следующего вида:

/ , .-4

=(&) (4)

где Ке определяется с применением понятия эффективной вязкости, й. -.величины, зависящие как от индекса течения, так и от высоты гофр т.е.

А- й(г>, £) , 4= 4(п,

В таблице I представлены эти величины для рассматриваемых жидкостей.

Сравнение коэффициента X для канала с гладкими стенками и для канала с гофрированной поверхностью позволило определить различие между ними, т.е. определить степень влияния гофр на коэффициент гидравли"зского сопротивления. Коэффициент гидравлического сопротивления для гофрированной поверхности Л.юр может быть определен как

Л-го^ = Л. и. Л Л

где Ли, - коэффициент гидравлического сопротивления для канчла о гладкой поверхностью.

В таблице 2 приведены значения ¿X при различных значениях раз-

1Рио.Характер изменения величины {âU ) по сечению канала

гл 2,4- г.* з.г

ытх и..: 1 е 3 4

/

----- . ^ V > ч

/ \

к Не. ; 'Л

г,о ел ы зг

Рис.5. Зависимость /\ г,5%

водного раствора КМЦ-Н (а), 3,5% КЫЦ-Н (б)

I - высота гофр я 5 им; 2 - высота гофр ■ 3 ил; 3 - высота гофр в I им; 4 - гладкая поверхность

Таолпца I

Значения параметра Ä- né дик, капала о гофрированной поверхностью

Водный раствор КИЦ-Н Л. 1Ш Uli iL S

2,5'Д О 0 1,59 0,421

2,5% I 15 1,72 0,421

2,5% 3 15 2,16 0,421

г,5% 5 15 2,62 0,421

3,5% 0 0 I.!53 0,431

3,536 I 15 1,675 0,431

3,5¡& 3 15 2,14 0,431

3,5$ 5 15 2,61 ■ 0,431

* - при ¿"е- 500-2300

is

Таблица 2

Водный - раствор КЬЩ-Н ..к, Пас Л ~ Размеры гофр Ь/Н Хм* | А Л 1м " ХгоФ лЛ

. при '¿е- » 1500 ■ при ¿к- « 500

0,027 ■ 0,9 0,034 0,047 0,079 0,032 0,062 0,125 0,063

■2,5*-. 0,027 0.9 0,103. •■ - 0,047 0,100 0,053 0,062 0,158 0,096

"2,5* 0,027 0,9 0,172 0,047 - 0,12 •0,073 0,062 0,189 0,127

3,5£ 0,0505 0,8 0,034. 0,044 0,071 0,027 0,059 0,114 0,055 •

3,5% 0,0505 0,8 0,103- ■ - 0,044 .....0,084 0,04 0,059 0,о:36 ' 0,077

0,0505 0,8 0,172 - 0,044- 0Д09 0,065 0,059 0,177 ' 0,118 "

* - коэффициент гидравлического сопротивления для канала с гладкой поверхностью по формуле Иетцвера.

мера гофр. Аналогично формулы для Хюр может быть записано и выражение для напряжений, действующих ^ гофрированной поверхности. {

Таким образом на основании физического и математического моделирований удалось получить и обобщить выражения, характеризующие коэффициент гидравлического трения и коэффициент Шеаи. как функции числа Рейнольдса 2е- , реологических свойств жидкости и размеров гофр. Пример такого обобщения представлен в диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Анализ работ, посвященных течении вязких и аномально-вязких жидкостей вдоль поверхностей, имеющих поперечное потоку расположение гофры, показал, в какой степени все еще слабо изученной является данная задача. <

В то же время в машиностроении, в рабочих узлах многих , машин и аппаратов все чаще и чаще встречаются каналы с гофрированными поверхностями (авиация, химическое машиностроение, аппараты холодильной промышленности, различного рода дросселирующие элйшнты в системах гидроавтоматиш и т.п.).

К сожалению, как показал обзор, проведеввый в первой главе, до настоящего времени отсутствовали вадеявые рекомендации по расчету интегральных параметров потока, особенно жидкости, обладающие аномальной вязкостью. Этим объясняется актуальность и целесообразность проведенных в диссертации исследований.

Эти исследования осуществлялись как теоретически, так и экспериментально. Теоретические-исследования позволили дать качественную оценку влияния гофрированной поверхности на кинематические и динамические параметры потока, движущегося вблизинее.

При проведении экспериментальных исследований был создав оригинальный стенд, позволяющий производить как визуальное наблюдение за потоком, так и измерять соответствующие параметры. Параллельное с работой на стенде измерение ва вискозиметре реологических свойств жидкости делало возможный получевие заключения о влиянии реологических параметров ва параметры потока.

Таким ооразои, теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Теоретически показано, в какой степени реологические свойства жидкости и форма гофр поверхности влияют на касательные напряжения в потоке, т.е. способствуют интенсификации дис-сипативных процессов, происходящих в пристенной области.

2. Создав экспериментальный стенд, дающий возможность проводить визуализацию потока в пристенной области и осуществлять измерение давлений и локальных скоростей в различных сечениях. Благодаря этому получены данные о появлении вихреобра-зования в области гофр даже при ламинарном режиме течения жидкостей, подчиняющихся степенному закону Оствальда Де Виля.

3. Разработана идеализированная модель, позволяющая прогнозирование деформации эпюры скоростей в канале за счет наличия гофр. Такое прогнозирование полностью подтверждается экспериментальными данными.

4. Показано, что наличие гофр способствует повышению интенсивности диссипативных процессов, приводящих к торможению потока, а следовательно - к повышению гидравлических потерь и деформации эпюры скоростей. Деформация эпюры скоростей проявляется в том, что максимум смещаема относительно геометрической оси в сторону гладкой стенки иа величину, которую.можно определить по формуле для расчета толщины вытеснения в пограничном слое.

5. Получены зависимости для определения коэффициента гидравлического трения Л как функции числа Рейнольдса и размеров гофр. Даны рекомендации по расчету перепада давления в каналах о гофрированными стенками. Показано, что коэффициент Я- при ламинарном режиме течения можег быть определен по формуле

-jfl = CL(f>e„)

где О. а - параметры, зависящие не только от индекса точения, но и от размеров и форм гофр.

6. Материалы диссер!ации опубликованы в республиканских сборниках "Химическое машиностроение" и "Гидравлика и гидротехника". Апробация диссертации осуществлена на республиканском семинаре по гидравлике в марте 1993 г. и на республиканской конференция по гидропневмоав1оматике и гидроприводу в октябре 1991 г