Исследование влияния поперечной вибрации на скорость двухфазного потока дисперсной структурной модели

УДК 534.63:64534.63:64

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ ВИБРАЦИИ НА СКОРОСТЬ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА ДИСПЕРСНОЙ СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ

© 2012 г. Ю.С. Левкин

Тольяттинский государственный университет Tolyatti State University

Рассматриваются изменения скорости газовой фазы дисперсной структурной модели двухфазного потока при транспорте в виде капель жидкой фазы. Эти изменения характеризуются вибрационными смещениями экспериментальной трубы. Получены графические и аналитические зависимости влияния вибрационных параметров от вибрационных смещений, приводящих к изменениям скорости двухфазного потока. Диапазон частоты вибрации варьировался в приделах от 30 до 200 Гц.

Ключевые слова: дисперсная структурная модель; двухфазные потоки; вибрационные параметры; скоростные характеристики; вибрационные смещения; живые сечения; газожидкостные характеристики; поперечная вибрация.

In this paper we consider changes in the rate of gas-phase structural model of dispersed two-phase flow in the transport of liquid droplets. These changes are characterized by the vibration shift of the experimental tube. Obtained by graphical and analytical dependence effect of vibration parameters on the vibration displacement, leading to changes in the rate of two-phase flow. The frequency range of vibration ranged from 30 to 200 Hz.

Keywords: particulate structural model; two-phase flows; vibration parameters; performance characteristics; vibration displacement; living section; gas-liquid characteristics; the transverse vibration.

Развитие методов измерения параметров газожидкостной среды при вынужденном движении в гидравлических топливоподающих системах питания двигателей, энергетических силовых установок и т.д. является весьма актуальным, так как анализ указанных параметров способствует пониманию сущности физических процессов, протекающих в структурах двухфазных потоков. Движение газожидкостных потоков в трубопроводах сопровождается как наложенной, так и собственной вибрациями. Для адекватной оценки работоспособности двигателей и установок необходимо учитывать физику процессов, изменяющих структуру потока под действием вибрации.

Вибрация на современном техническом уровне является неотъемлемой характеристикой большинства производственных процессов. Поэтому задачи управления вибрационными процессами и качественно более глубокое изучение физических явлений, связанных с воздействием вибрации, являются весьма актуальными.

Газожидкостные дисперсные потоки являются составной частью многокомпонентных дисперсных структур, целью которых является транспорт по трубам как жидких, так и твёрдых реагентов. Широкое применение многокомпонентная дисперсная структура нашла в химической промышленности, гидравлике, теплофизике и других отраслях народного хозяйства.

Для любого транспорта скорость рабочего агента является важной характеристикой. Фактором изменения скорости дисперсной структуры являются изменения поперечной вибрации. Влияние вибрации на скоростные характеристики дисперсных структур, как известно, не рассматривалось.

В химической промышленности при постоянном течении реакций необходима своевременная доставка к рабочему агрегату катализатора, который является компонентом дисперсной среды и количество и скорость доставки которого должны оптимально соответствовать технологическому циклу.

Экспериментальные опыты проводились на стационарном стенде (рис. 1) ДЭВС-200 А - 1. Температура воды 7,5 °С, воздуха 8,7 °С.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки Небольшая разница температур сводит к минимуму объёмное расширение фаз газожидкостного потока. Воздух подавался заводской компрессорной уста-

новкой, расход которой регистрировался ротаметром РС-5 №6091649 - 2, а расход воды определялся рычажными весами 3. Совокупность расходов фаз двухфазных потоков является определителем структур двухфазных потоков. Сочетание расхода жидкой фазы Qв = 108 кг/ч с расходом газообразной Qг = 4,45 кг/ч позволило получить дисперсную структурную модель в прозрачной прямоугольной трубе 4 (4*20 мм). Вода истекала из алюминиевого бака 5. Уровень водяного столба составлял 2660 мм. Газожидкостная смесь, проходя через прозрачную трубу, фотографировалась, что и являлось определением структуры потока в поле поперечной вибрации. Опыты проводились на частотах от 30 до 400 Гц при вибрационном ускорении от

«в = 1g.

Экспериментальные значения вибрационных смещений оказались близкими к рассчитанным:

5 = «в 500/ /в,

где 5 - вибрационное смещение, мм; /в - частота вибрации, Гц; пв - вибрационное ускорение, g.

Длины царапин на органическом стекле, определяющих вибрационное смещение, замерялись микроскопом. Небольшое увеличение экспериментальных значений можно объяснить инерцией упругости иглы, длина которой 5 мм. Удвоение параметра 5 связано с тем, что смещение трубы уменьшает живое сечение неразрывной струи газовой фазы как одной, так и другой стенкой трубы.

Предшествующие экспериментальные опыты наложения поперечной вибрации на структуры двухфазных потоков показали эффект изменения структурных моделей от варьирования вибрационных ускорений [1 - 3].

Вибрация оказывает влияние на двухфазный поток через вибрационное смещение стенок трубы, которые фактически штуцируют её живое сечение. Проведенные исследования свидетельствуют, что низкочастотная вибрация увеличивает скорость газовой фазы. Повышение частоты вибрации снижает её влия-

Живые сечения двухфазного потока

ние на скорость движения газовой фазы. Влияние вибрационных смещений (1) приводит к динамическому изменению положений внутренних стенок трубы, уменьшая их проходное сечение, что фактически изменяет их живые сечения:

ДЮгв = bhв,

где Ашгв - живые сечения с учётом вибрационных смещений канала трубы, мм2; ^ - высота канала трубки с учётом вибрации, мм; Ь - величина постоянная, равная 4 мм.

Формула (2) вытекает из юг = Ь^ , где шг - живые сечения без учёта вибрационных смещений канала трубы (живое сечение канала трубы без вибрации шг = 80 мм2); ^ - начальная высота канала трубки без учёта вибрации, мм.

Для нахождения высоты канала трубы с учётом вибрационного воздействия используем формулу ^ = ^ - 25, где ^ - высота канала при вибрационном воздействии.

Смещение стенок вынуждает движущуюся струю газовой фазы вместе с жидкими включениями двигаться в более узком сечении, так как частота смещений трубы значительно выше скорости двухфазного потока.

Изменение скоростей газообразной фазы можно подсчитать при условии изменений живых сечений, полученных в табл. 1 из формулы (2).

Общая скорость газовой фазы двухфазного потока определяется по формуле

"г =©гМ,

где иг - исходная скорость газообразной фазы без вибрации; шг - живое сечение газовой фазы; ©г - расход газовой фазы.

Влияние вибрации на скорость газообразной фазы двухфазного потока можно получить, используя формулу (2), по табл. 2, в которой совмещены как экспериментальные (в числителе), так и расчётные (аппроксимированные в знаменателе) результаты.

Таблица 1

с учётом вибрационных параметров

/в 30 40 50 60 70 80 90 100 120 150 200

Пв 3 3 3 3 4 4 4 4 5 6 8

Аюгв 66,8 61,8 61,6 60,9 60,8 60,6 60,5 60,4 60,3 60,2 60,1

Пв 4 4 4 4 5 5 5 5 6 7 10

АЮг в 62,2 62,5 61,6 61,1 61,2 60,8 60,76 60,6 60,4 60,3 60,2

Пв 5 5 5 5 6 6 6 6 7 8 11

АЮгв 65,5 63,12 62 61,4 61,2 60,9 60,74 60,66 60,6 60,5 60,26

Пв 6 6 6 6 7 7 7 7 8 9 12

АЮгв 66,7 62,5 62,4 61,7 61,6 61,3 60,98 60,7 60,5 60,4 60,32

Пв 7 7 7 7 8 8 8 8 9 10 13

АЮгв 67,8 63,74 62,8 62,2 61,6 61,3 60,98 60,8 60,6 60,4 60,32

Пв 8 8 8 8 9 9 9 9 10 11 14

АЮгв 68,9 66 63,2 62,2 61,8 61,4 61,1 60,9 60,8 60,7 60,34

Пв - - - - 10 10 10 10 12 13 17

АЮгв - - - - 62 61,6 61,22 61 60,8 60,7 60,42

Пв - - - - - 11 12 14 16 17 20

АЮгв - - - - - 61,7 61,54 61,48 61,4 61,1 60,5

Таблица 2

Экспериментально-расчётные данные смещений стенок трубы от вибрационных параметров

/в, Гц «в, мм/с2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 17 20

30 3,32 4,44 5,54 6,66 7,76 8,88

3,470 4,568 5,666 6,763 7,861 8,959 10,057 11,154 12,252 13,350 14,448

40 1,80 2,50 3,12 3,74 4,36 5,00

1,952 2,569 3,187 3,804 4,422 5,039 5,657 6,274 6,892 7,509 8,127

50 1,20 1,60 2,00 2,40 2,80 3,20

1,249 1,644 2,040 2,435 2,830 3,225 3,620 4,016 4,411 4,806 5,201

60 0,90 1,10 1,38 1,66 1,94 2,22

0,868 1,142 1,416 1,691 1,965 2,240 2,514 2,789 3,063 3,338 3,612

70 0,80 1,02 1,22 1,42 1,62 1,82 2,04

0,637 0,839 1,041 1,242 1,444 1,646 1,847 2,049 2,250 2,452 2,654

80 0,61 0,78 0,92 1,08 1,30 1,40 1,56 1,70

0,488 0,642 0,797 0,951 1,105 1,260 1,414 1,569 1,723 1,877 2,032

90 0,48 0,66 0,74 0,88 0,98 1,10 1,22 1,48

0,386 0,508 0,630 0,751 0,873 0,995 1,117 1,239 1,361 1,483 1,605

100 0,40 0,60 0,66 0,70 0,80 0,90 1,00 1,40

0,312 0,411 0,510 0,609 0,708 0,806 0,905 1,004 1,103 1,202 1,300

120 0,33 0,40 0,48 0,54 0,62 0,68 0,82 1,00

0,217 0,285 0,354 0,423 0,491 0,560 0,629 0,697 0,766 0,834 0,903

150 0,24 0,30 0,36 0,40 0,44 0,70 0,72 0,74

0,139 0,183 0,227 0,271 0,314 0,358 0,402 0,446 0,490 0,534 0,578

200 0,20 0,24 0,26 0,30 0,32 0,34 0,42 0,50

0,078 0,103 0,127 0,152 0,177 0,202 0,226 0,251 0,276 0,300 0,325

На базе имеющегося материала построим частные (рис. 2 а, б) и общую (рис. 2 в) графические зависимости влияния параметров вибрации на вибрационное смещение стенок трубы.

25, мм

2S, мм

12 10 8 6 4 2 0

3 150

/в, Гц

Рис. 2. Зависимость вибрационного смещения: а - от вибрационного ускорения; б - от частоты вибрации; в - от вибрационных параметров /в, пв)

Вибрационное смещение может быть охарактеризовано как графически (рис. 2 в), так и аналитически.

Расчётная формула

5 = 159 + 98^.

2 /в2

На основании расчётных данных строим два частных (рис. 3 а и б) графика и пространственную модель (рис. 3 в).

Изменения скорости от вибрационных параметров можно охарактеризовать как графически (рис. 3 в), так и аналитически.

в

а

б

Расчетная формула

Ов = 1,35 f

0,066 ив0,117

Удобство пространственной модели повышает графический обзор физических процессов.

Предположим, что на поверхности (рис. 3 в) имеем точку координаты, которой представлены / = 50 Гц и пв =3 g, перпендикуляр, проведенный из этой точки на горизонтальную плоскость (/в, пв) даст точку, характеризующую параметры вибрации. Высота любой точки поверхности по оси аппликат будет определять скорость, получаемую от вибрационного воздействия.

Исходная скорость газообразной фазы без вибрации (ог =1,312 л/с), что позволяет подсчитать коэффициент вибрационного сопротивления поперечной вибрации дисперсной структурной модели:

К = Ог/ Овг.

1,80

1,75

/в = 150

1,60

1,65

1,80 1

1,70 1,65 1,60 1,55 1,50

200 /в, Гц

1,85 1,80 1,75 1,70 1,65 1,60 1,55 1,50

10 15

а

Пв, g

Рис. 3. Зависимость скорости двухфазных потоков: а - потоков от вибрационных ускорений; б - от частоты вибрации; в - от вибрационных параметров / пв)

Таблица 3

Изменения коэффициента вибрационного сопротивления от

б

V

в

v

в

в

/в 30 40 50 60 70 80 90 100 120 150 200

Пв 3 3 3 3 4 4 4 4 5 6 8

К 0,79 0,77 0,77 0,76 0,76 0,75 0,756 0,758 0,754 0,752 0,751

Пв 4 4 4 4 5 5 5 5 6 7 10

К 0,78 0,781 0,771 0,76 0,76 0,75 0,755 0,754 0,754 0,753 0,753

Пв 5 5 5 5 6 6 6 6 7 8 11

К 0,82 0,79 0,78 0,77 0,76 0,76 0,75 0,758 0,757 0,756 0,753

Пв 6 6 6 6 7 7 7 7 8 9 12

К 0,83 0,781 0,780 0,68 0,67 0,67 0,762 0,758 0,756 0,755 0,754

Пв 7 7 7 7 8 8 8 8 9 10 13

К 0,85 0,781 0,785 0,78 0,77 0,76 0,763 0,760 0,758 0,754 0,754

Пв 8 8 8 8 9 9 9 9 10 11 14

К 0,86 0,825 0,79 0,77 0,77 0,67 0,762 0,758 0,757 0,756 0,754

Пв - - - - 10 10 10 10 12 13 17

К - - - - 0,78 0,77 0,76 0,762 0,758 0,756 0,754

Пв - - - - - 11 12 14 16 17 20

К - - - - - 0,77 0,767 0,76 0,762 0,764 0,756

/в= 0 Гц т = О

/в= 90 Гц т = 5

4 -

fo= 30 Гц пв = 1

/в=90Гц ив = 10

/в= 30 Гц ив = 6

/в=120Гц /7в = 18

/в= 50 Гц ив = 6

/в=150Гц ив = 23

fo= 70 Гц ив = 7

/в= 200 Гц ив = 28

Рис. 4. Структурная модель дисперсного двухфазного потока в поле поперечной вибрации всей поверхности вибрационного стола

Результаты фотосессии (рис. 4) позволяют сделать вывод, что вибрация не оказывает влияние на структурную модель дисперсности двухфазного потока, так как плотность газовой фазы не достаточна для изменений её векторных скоростей от вибрационных воздействий.

На рис. 4 представлен диапазон частот (/ = = 30^200 Гц) и вибрационных ускорений («в = 1^28 £), каждая частота представлена двумя фотографиями для сравнения воздействия вибрационных ускорений на дисперсность структурной модели.

Варьирование расходными характеристиками фаз двухфазного потока можно установить объём топлива, впрыскиваемого форсункой в цилиндр за один рабочий ход двух- или четырёхтактного ДВС. Впрыск топлива соответствует дисперсной структуре и определяется по формуле [4]: уц = gеNе 103 / (30 х п х г х рт),

где уц - объём топлива, впрыскиваемого форсункой за рабочий ход в

один

3

четырёхтактном двигателе, мм3/цикл; gе - удельный расход топлива, г/(кВт-ч); г - число циклов; рт - плотность топлива, (бензина 0,74 - 0,76 г/см3); п - обороты в минуту; уц дизеля = = 80^120 мм3/цикл; бензина = 60^80 мм3/цикл.

Выводы

Результаты работы можно использовать в энергетических силовых установках различного назначения,

Поступила в редакцию

например в ПДВС, ГТУ, ГТД, при переносе на натуральные модели.

Вибрационные смещения увеличивают скорость воздушной фазы неразрывной струи двухфазного дисперсного потока.

Получен коэффициент вибрационного сопротивления - формула (6).

Поперечная вибрация не оказывает влияния на дисперсную структурную модель двухфазного потока (не изменяет структуры).

Пространственная графика позволяет установить:

- зависимость вибрационных смещений 5, приводящих к сокращению живых сечений газообразной фазы (4);

- влияние вибрационных параметров (частоты вибрации и вибрационного ускорения) (5) на скоростные вибрационные характеристики ив.

Литература

1. Левкин Ю.С. Дефект газожидкостного стратифицированного потока от влияния поперечной вибрации // Изв. Самарского науч. центра РАН. Проблемы нефти и газа : спец. вып. 2007. С. 145 - 148.

2. Левкин Ю.С. Визуально-логическая характеристика совместного истечения жидкости и газа в трубах с поперечной вибрацией // Изв. Самарского науч. центра РАН : спец. выпуск <^РГГ» 2005.Т. 2. С. 107 - 111.

3. Левкин Ю. С. Псевдо-турбулентный вибрационный режим стратифицированного двухфазного потока // Наука и технологии : сб. науч. тр. М., 2010. С. 115 - 117.

14 июня 2011 г.

Левкин Юрий Степанович - соискатель, зав. лабораториями, кафедра «Промышленная электроника», Тольят-тинский государственный университет. Тел. (8486)50-73-36. E-mail: catry@titsu.ru

Levkin Yurij Stepanovich - competitor, head of the Laboratory, department «Industrial electronics», Tolyatti State University. Ph. (8486)50-73-36. E-mail: catry@titsu.ru_