Применение электрохимического метода для определения касательных напряжений в закрученных потоках

УДК 532

A. В. Чупаев, Р. Р. Галямов, А. А. Гайнуллина,

B. В. Кузьмин

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ

Ключевые слова: касательное напряжение, электрохимический метод, закрученный поток, диффузионный ток.

В данной статье описана процедура определения пристеночных касательных напряжений в закрученном турбулентном потоке известным электрохимическим методом.

Keywords: shearing stress, electrochemical method, swirling flow, diffusion current.

This article describes a procedure for determining the near-wall shear stresses in the swirling turbulent flow known electrochemical method.

Важнейшей гидродинамической характеристикой потоков, которая определяет энергетические затраты при их практическом использовании, является пристеночное трение.

В данной работе для его определения применен электрохимический метод, развитый в [1 - 3]. Вследствие малой инерционности и высокой чувствительности этот метод позволяет регистрировать как мгновенные, так и осредненные во времени локальные значения касательных напряжений на стенке канала. Одной из существенных особенностей предлагаемой реализации данного метода является то, что датчик - катод монтируется в стенку канала заподлицо и не вносит возмущений в поток, не искажает его структуру. Схема измерения приведена на рис. 1.

Рис. 1 - Принципиальная схема измерения пристеночного касательных напряжений электрохимическим методом: 1 - датчик - катод; 2 - сопло; 3 - анод; 4 - милливольтметр; 5- микроамперметр; 6 - усилитель постоянного тока; 7 - осциллограф-регистратор БЬ850; 8 - источник постоянного тока; 9 - реостат

Электролитическая ячейка с двумя электродами - никелевым макроэлектродом - анодом и пла-

тиновым микроэлектродом катодом, погруженными в раствор электролита, имеет поляризационную кривую характерной ступенчатой формы (рис. 2). Электролит содержит деполяризатор и избыток ин-диферентного вещества - фона. Возрастание тока при плавном изменении напряжения от Е1 до Е2, приложенного к ячейке, обусловлено процессом деполяризации электрода ионами вещества, содержащимися в растворе. Убыль ионов деполяризатора в приэлектродном пространстве вследствие электрохимической реакции приводит к концентрационной поляризации электрода (участок Е1 - Е2).

В режиме концентрационной поляризации ток практически не зависит от напряжения и называется предельным диффузионным током. На его значение влияет изменение концентрации деполяризатора в растворе и температура жидкости: он заметно возрастает при возникновении движения раствора относительно микроэлектрода.

Конвекция жидкости ускоряет доставку ионов деполяризатора из глубины раствора в приэлек-тродное пространство, обедненное носителями тока. Если концентрация вещества и температура постоянны, то величина предельного тока зависит только от скорости движения жидкости относительно микроэлектрода.

V—

Рис. 2 - Поляризационная кривая электролитической ячейки

Предельный диффузионный ток определяется процессами в очень тонком приэлектродном слое. Иными словами, датчик - катод воспринимает изменение градиента скорости в слое жидкости, находящимся в непосредственной близости от него.

При достаточно малых продольных размерах датчика - катода толщина диффузионного слоя может находиться в пределах вязкого подслоя, что позволяет по измеренной величине предельного диффузионного тока, зависящего от градиента скорости в вязком подслое, определять локальные значения касательного напряжения.

В качестве электролита использовался водный раствор ферри- и ферроцианидов калия К4[Fe(CN\], Къ[Ее{СЫ)6]. Феррицианид восстанавливается на катоде, а ферроцианид окисляется на аноде.

Для исключения наложения на процессы молекулярной и конвективной диффузии движения ионов под воздействием электрического поля, в электролит добавлялся раствор хлористого калия KCl, который служил фоном.

Согласно данным [1,2], связь между величиной касательного напряжения -w на стенке канала и предельным диффузионным током Jidää электролитической ячейки выражается соотношением: _wnstßLJlpe/i - AF 3ClD2 ,

где u - коэффициент динамической вязкости электролита; L - размер датчика по направлению потока;

Сш - концентрация ферроцианида; D - коэффициент диффузии; F - постоянная Фарадея; A - площадь датчика - катода.

Достоверность этого соотношения подтверждена многочисленными экспериментами, однако его использование для непосредственного вычисления касательных напряжений по измеренным значениями предельного диффузионного тока чревато опасностью внесения существенных погрешностей из - за неточности определения эффективных площадей датчиков - катодов и концентрации ионов ферроцианидов, которые входят в знаменатель выражения (1) в третьей степени.

Величина предельного диффузионного тока электролитической ячейки при прочих постоянных условиях определяется эффективной площадью катода, а последняя почти всегда отличается от геометрической площади. Причиной может быть засорение поверхности осажденными частицами механических примесей, неизбежно присутствующих в рабочей среде. Химическая и механическая обработка не дает гарантии полной очистки этих поверхностей.

Более надежен путь установления экспериментальных зависимостей -w = f \jiöää ) для каждого датчика в таких гидродинамических условиях, при которых касательные напряжения могут быть определены еще и другим способом. Для этого достаточно обеспечить стабилизацию температуры рабочей среды и максимально сократить промежутки

времени между замерами для сохранения постоянным в формуле (1) на время опыта комплекса

jL

A3F 3С3 D2

т.к. величины j и D являются функциями температуры, а L, A и Сда могут изменяться с течением времени.

Анализ уравнения (1) позволяет заключить, что при хорошей стабилизации температуры электролита, при неизменной его концентрации и постоянной эффективной поверхности рабочих электродов относительные значения местных касательных напряжений, возникающих на стенках исследуемого канала при движении по нему закрученного потока, могут быть определены из соотношения:

г J

- _ TWLi _ пред/

Twxi Jпред!

где Jnpe - предельный диффузионный ток в цепи i - ого датчика - катода, измеренный в условиях закрученного потока; Jiöääöi - предельный диффузионный ток в той же цепи, измеренный при обтекании датчика - катода потоком без закрутки, но при том же значении расхода.

Эксперименты проводились на специальном

стенде [4] в диапазоне расхода до 30 м 3/час, при максимальном рабочем давлении 3 атм. В качестве рабочей среды использовался электролит на основе солей ферри- и ферроциалидов калия и KCl. Температура раствора поддерживалась на уровне -20±0,5°С, погрешность измерения расхода не превышала +0,5 %. Опытными участками служили два конических канала с углами раскрытия 2° и 8°, которые поочередно работали в режимах конфузоров и диффузоров.

В стенки конусов в соответствующих контрольных точках монтировались датчики - катоды, используемые для определения касательных напряжений по электрохимическому методу. Датчики -катоды изготавливались из платиновой проволоки 0,4 мм и размещались в семи контрольных точках каналов, равномерно распределенных по их длине. Площадь рабочей поверхности каждого датчика 2

составляла 0,12 мм .

Для обеспечения нормальных условий работы системы измерения при проведении экспериментов предусмотрены следующие меры:

а) все соприкасающиеся с электролитом части стенда изготавливались из оргстекла, винипласта и нержавеющей стали;

б) гидродинамическая система выполнялась в виде контура с замкнутой циркуляцией;

в) для приготовления электролита использовалась дистиллированная вода и химические реактивы ХЧ и ЧДА;

г) перед началом каждого измерения проводилась электрическая деполяризация датчиков -катодов;

д) при установке датчиков - катодов особое внимание уделялось точности сопряжения их рабочих поверхностей с внутренней стенкой канала.

Для установления совместного влияния на тк факторов закрутки и продольных (отрицательного и положительного) градиента давления, конические опытные участки поочередно работали в режимах конфузоров и диффузоров.

На первой стадии каждого эксперимента в опытном участке создавался турбулентный поток без закрутки. При установившимся режиме течения измерялся объемный расход жидкости, ее температура и значения предельных диффузионных токов в каждой электролитической ячейке [5]. Информация использовалась для вычисления опорных значений

Т.

Далее с помощью специального поворотного устройства при работающей установке на входе в опытный участок производилась смена условий течений, т. е. устанавливался требуемый завихритель.

Расход рабочей жидкости на протяжении каждого опыта поддерживался на прежнем уровне ц постоянным. В каждом измерительном контуре измерялись новые значения предельных диффузионных токов.

Опыты проводились при двух режимах закрутки потока на входе в исследуемые каналы, значение критерия Рейнольдса по осевой составляющей скорости поддерживалось равным 103000. Закрутка потока обеспечивалась лопаточными завихрителями с конструктивным углом выходных кромок лопаток фк 45° и 60°.

Результаты проведенных измерений, представленные на рис. 3 и 4, сравниваются с экспериментальными данными, полученными далее при тех же начальных условиях и таким же способом в цилиндрическом канале.

V ими«» — —

--

>

О Ф.=60'

Кофоэсрв0

Х-

X --

—Ф—а • • О •

в- Ф Ф=й> • Ф,=45 ^гоз'к^

V «лнлп

—

Л Ф,=6СГ Л

Ф О

Ни=1,0140*

Рис. 4 - Результаты измерений, аналогичных представленным на рис. 3, но проведенных при работе тех же конических рабочих участков в режиме диффузоров

Приведенное на графиках сопоставление позволяет сделать вывод о том, что в целом фактор продольного градиента давления способствует ослаблению влияния закрутки потока на трение при турбулентном течении жидкости в осесимметрич-

ном канале, но измерение отношения

по длине

конфузорного и диффузорного каналов имеет практически противоположный характер.

Полученный материал будет использоваться для тестирования математических моделей турбулентных закрученных потоков в каналах конфузор-ного и диффузорного типов.

Литература

1. Левич В.Г. Физико - химическая гидродинамика / В.Г. Левич. - М.: Физматгиз., 1959.

2. Накоряков В.Е. «ИФЖ». - 1971. - № 6, т. 20.

3. Попов В.Г. и др. - Минск: сб. «Тепло - массоперенос», т. 10. - 1968.

4. Кузьмин В.В. и др. Установка для метрологического обслуживания, динамических испытаний и газодинамических исследований преобразователей расхода / В.В. Кузьмин, А.А. Гайнуллина, А.Н. Ахмерова. Вестник КНИТУ. -2013. № 10. - с. 289-292.

5. Кузьмин В.В. и др. Бесконтактные методы диагностики кинематической структуры потоков жидкостных и газовых сред / В.В. Кузьмин, А.А. Гайнуллина, А.Н. Ахмерова. Вестник КНИТУ. -2013. № 11. - с. 75-79.

г

Рис. 3 - Распределение относительных значений пристеночных касательных напряжений по длине цилиндрических и конфузорных каналов при движении по ним турбулентных потоков с равной степенью начальной закрутки

© А. В. Чупаев - канд. техн. наук, доц. каф. САУТП КНИТУ, sautp@yandex.ru; Р. Р. Галямов - ст. препод. той же кафедры; А. А. Гайнуллина - асс. той же кафедры; В. В. Кузьмин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.